高速切削技術(shù)在汽車(chē)制造中的應(yīng)用

郝波濤 藺國(guó)民

摘 要：高速切削技術(shù)因其加工效率、精度和質(zhì)量高而廣泛應(yīng)用于汽車(chē)模具加工。本文基于高速加工技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，以高速加工時(shí)切削速度與切削溫度的變化為研究對(duì)象，分析了高速加工技術(shù)在汽車(chē)零件、覆蓋件、缸體和汽車(chē)輪轂等模具制造中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：模具制造；高速加工；制造效率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.007

0 引言

在現(xiàn)代工業(yè)制造中，模具制造已經(jīng)成為汽車(chē)生產(chǎn)的一個(gè)重要方式，但由于模具內(nèi)表面精度要求高，且制造周期較長(zhǎng)，從而影響產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，導(dǎo)致企業(yè)利潤(rùn)下降。高速加工技術(shù)的出現(xiàn)，使汽車(chē)模具制造的工藝簡(jiǎn)化，生產(chǎn)周期縮短使企業(yè)能夠快速適應(yīng)多變的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境，從而提升企業(yè)活力。相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械加工方式高速加工技術(shù)是切削加工得到巨大提升，相同時(shí)間內(nèi)金屬的切削量比傳統(tǒng)加工提升40%～50%，并且由于高速加工時(shí)主軸轉(zhuǎn)速快使切屑帶著大量熱，能夠使工件的熱變形變小，提高產(chǎn)品質(zhì)量[1]。因此，高速加工技術(shù)是汽車(chē)模具制造中十分重要的生產(chǎn)方式。

1 高速加工技術(shù)的現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外現(xiàn)狀

在二十世紀(jì)三十年代由德國(guó)科學(xué)家首先提出高速加工概念并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，1970年，美國(guó)Lockheeed Missiles and Space公司將高速加工技術(shù)用于實(shí)際生產(chǎn)。隨后，各工業(yè)大國(guó)都加強(qiáng)對(duì)高速加工技術(shù)的研發(fā)，使得高速主軸、快速進(jìn)給系統(tǒng)、超硬超耐磨材料和數(shù)控系統(tǒng)方面取得較大進(jìn)展。國(guó)外各大汽車(chē)公司現(xiàn)在普遍使用高速加工技術(shù)來(lái)制造汽車(chē)，以德國(guó)大眾汽車(chē)為例，大眾汽車(chē)的缸體，內(nèi)飾模具以及中控臺(tái)模具等大平面加工都使用到了高速加工技術(shù)，極大的提升了大眾汽車(chē)的生產(chǎn)率和合格率，降低了成本，節(jié)約了能耗。瑞士Miccoli公司研發(fā)的五軸聯(lián)動(dòng)高速加工中心，采用了重量高的大理石材料作為高速加工中心的機(jī)身，可以很大程度上降低生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，提高所加工零件的質(zhì)量。德國(guó)Siemens公司也研發(fā)出整體結(jié)構(gòu)呈O型的5軸高速加工中心，使高速加工出的零件的質(zhì)量進(jìn)一步得到提升。高速加工技術(shù)的應(yīng)用，極大地促進(jìn)了高速加工技術(shù)的發(fā)展，其中以美國(guó)Cincinnati Milacron所制造的Hyper Mach五軸加工中心為突出，其高速加工的主軸轉(zhuǎn)速已經(jīng)可以達(dá)到60000r/min，最大進(jìn)給速度能達(dá)到100m/min，主軸的功率高達(dá)80kW。

1.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)高速加工技術(shù)起步較晚，大部分企業(yè)都是依靠國(guó)外進(jìn)口，并且后期投入資金較少，高速加工技術(shù)發(fā)展增長(zhǎng)緩慢，和國(guó)外有著較大的差距[2]。我國(guó)高速加工技術(shù)有著基礎(chǔ)研究不足，加工工藝差等缺點(diǎn)，隨著二十世紀(jì)末引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)高速加工中心，高速加工技術(shù)得到了快速的發(fā)展，使機(jī)械加工周期大大減少。但國(guó)內(nèi)刀具企業(yè)一直使用標(biāo)準(zhǔn)化的刀具，沒(méi)有對(duì)刀具進(jìn)行創(chuàng)新研究，雖然一直在引進(jìn)一些國(guó)外先進(jìn)的設(shè)備，但設(shè)備總量不夠，大部分用于生產(chǎn)通用的刀具生產(chǎn)線，因此成都工具研究所以及上海工具研究等所加強(qiáng)對(duì)高速加工技術(shù)的投入，對(duì)高速加工技術(shù)所需的刀具材料以及加工工藝有了較大的進(jìn)展，并且已經(jīng)為航空航天提供產(chǎn)品。高速加工技術(shù)現(xiàn)已經(jīng)成為各大高校研究所的重要課題之一。

2 高速加工技術(shù)分析

2.1 高速加工技術(shù)的特點(diǎn)

高速切削加工作為模具制造中最為重要的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)，是集高效、優(yōu)質(zhì)、低耗于一身的先進(jìn)制造技術(shù)。在常規(guī)切削加工中備受困擾的一系列問(wèn)題，通過(guò)高速切削加工的應(yīng)用得到了解決。其切削速度、進(jìn)給速度相對(duì)于傳統(tǒng)的切削加工有較大的提升，主要有以下特點(diǎn)：

（1）加工效率高。相比傳統(tǒng)機(jī)加工而言，高速加工技術(shù)對(duì)材料的切除率提高30%～50%，使模具生產(chǎn)效率提升510倍，提高了產(chǎn)品生產(chǎn)率[3]。

（2）切削力較低，切削熱量少。在進(jìn)行高速加工時(shí)，隨著速度增大，切削力在降低；由于高速切削時(shí)切屑會(huì)帶著90%以上的熱量，因此溫度會(huì)在達(dá)到峰值后會(huì)降低，當(dāng)溫度降低到一定程度時(shí)溫度保持當(dāng)前不變，能夠使工件加工的熱變形減少，適用于精密部件的加工。以軟鋁為例，當(dāng)切削速度達(dá)到240m/min時(shí)，鋁的切削溫度達(dá)到峰值，繼續(xù)加大切削速度，鋁的切削溫度反而會(huì)降低，到切削速度增大到一定程度時(shí)，鋁的切削溫度降低到最低，如圖1所示。

（3）已加工表面質(zhì)量高。由于高速加工切削力小，在對(duì)工件表面進(jìn)行高速加工時(shí)已經(jīng)對(duì)工件表面進(jìn)行打磨，因此已加工表面質(zhì)量高，不需要二次加工。

（4）減少能耗，節(jié)約能源。高速加工技術(shù)加工比常規(guī)加工減少近一半時(shí)間，并且保持質(zhì)量，減少了能源消耗。

2.2 高速加工技術(shù)刀具材料的選擇

進(jìn)行高速加工時(shí)，需要有很高的主軸轉(zhuǎn)速、較大的進(jìn)給量，因此，對(duì)高速加工技術(shù)所采用的刀具提出更高的要求。在加工常用模具材料時(shí)選用的刀具材料為涂層硬質(zhì)合金，具有較高的性?xún)r(jià)比，因此適用的范圍最廣；加工洛氏硬度（HRC）小于50的模具鋼時(shí)，所采用的刀具材料為陶瓷，具有的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐磨性好、切削速度高和價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，但它的硬度和韌性較低，易損耗[4]；加工淬硬模具鋼、冷硬鑄鐵和鈦合金等材料時(shí)選用立方氮化硼（CBN）和金剛石作為刀具的材料，具有硬度高，超高的耐磨性，高溫時(shí)化學(xué)性能穩(wěn)定和有良好的導(dǎo)熱性，但價(jià)格較高。

3 高速加工技術(shù)在汽車(chē)模具制造中的應(yīng)用

3.1 高速加工技術(shù)在汽車(chē)模具制造中的方法

高速加工技術(shù)和傳統(tǒng)加工技術(shù)相比，加工工藝有很大的不同，常規(guī)加工使用主軸轉(zhuǎn)速低，進(jìn)給慢，單行程；高速加工技術(shù)使用高轉(zhuǎn)速主軸，進(jìn)給快，多行程。由于高速加工技術(shù)要實(shí)現(xiàn)高效率的加工，因此需要對(duì)加工所需的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，其中包括高速加工時(shí)所需的刀具、切削量、進(jìn)給速度等[5]。在加工之前需指定好工藝路徑，尤其是對(duì)加工順序的制定，要保證加工零件的精度達(dá)到要求，選擇合理的走刀路線和換刀次數(shù)。需要數(shù)控設(shè)備具有高轉(zhuǎn)速，并且機(jī)床自身需要具有良好的剛性和穩(wěn)定性，以滿(mǎn)足粗加工和精加工的需求；需要精度較高的進(jìn)給系統(tǒng)，防止刀具進(jìn)給時(shí)在工件表面留下劃痕，破壞零件的質(zhì)量；需要對(duì)加工路徑進(jìn)行規(guī)劃，制定合理的走刀路線，減少下刀次數(shù)，提高加工精度。因此，汽車(chē)模具生產(chǎn)制造中使用高速加工技術(shù)的各階段加工方法如下：

（1）粗加工階段，主要目的是在短時(shí)間內(nèi)去除90%～95%的材料，宜采用大進(jìn)給速度和大切削用量，先加工出模具外輪廓。該階段刀具的切入與切出需要使用圓弧軌跡，旨在防止在大切削量時(shí)碰斷刀具、損壞模具。

（2）半精加工階段，主要目的是對(duì)模具輪廓進(jìn)行調(diào)整，宜采用小進(jìn)給速度和小切削用量，去除粗加工時(shí)所產(chǎn)生的毛刺和飛邊等，同時(shí)對(duì)汽車(chē)模具的尺寸進(jìn)一步調(diào)整。該階段加工需為精加工留有余量，應(yīng)在半精加工時(shí)計(jì)算好切削量，保證后續(xù)加工。

（3）精加工階段，主要目的是對(duì)于模具最后的尺寸以及表面進(jìn)行打磨，宜采用微進(jìn)給速度和微切削用量，使模具的精度和表面粗糙度到達(dá)所需的要求。該階段加工時(shí)，要嚴(yán)格計(jì)算每次切削的深度，盡可能減少抬刀和落刀的次數(shù)，并且在刀具切入工件表面時(shí)使用圓弧方式切入，保證在進(jìn)行切削過(guò)程中不會(huì)中斷影響工件表面質(zhì)量；同理在切出工件表面時(shí)也需要采用圓弧方式，避免在工件表面落下劃痕，使工件的精度和光滑度受到影響，從而使工件的質(zhì)量達(dá)到要求。

以汽車(chē)內(nèi)飾注塑模具高速切削加工為例，粗加工時(shí)采用的主軸轉(zhuǎn)速為800r/min，進(jìn)給速度為400mm/min，加工余量1mm，能在短時(shí)間去除大量的余量；半精加工時(shí)采用的主軸轉(zhuǎn)速為1500r/min，進(jìn)給速度為1000mm/min，加工余量0.2mm，可以對(duì)模具外觀進(jìn)行調(diào)整；精加工時(shí)采用的主軸轉(zhuǎn)速為10000r/min以上，進(jìn)給速度為6000mm/min，加工余量為0mm，使工件的表面粗糙度達(dá)到要求。

3.2 汽車(chē)零件模具的高速加工

汽車(chē)零件的模具主要有儀表盤(pán)、覆蓋件、輪轂以及缸體等模具，采用高速加工技術(shù)時(shí)，其加工效果、方法以及優(yōu)點(diǎn)具體表現(xiàn)如下：

（1）不規(guī)則零件模具加工。高速加工在對(duì)硬材料切削時(shí)有較好的效果。在進(jìn)行汽車(chē)零件模具的制造時(shí)，往往需要成百乃至上千的模具，為了使汽車(chē)零件模具的制造周期縮短，并且降低汽車(chē)模具制造成本，因此，高速加工技術(shù)將是汽車(chē)零件模具制造技術(shù)的首選。對(duì)于汽車(chē)儀表盤(pán)、中控臺(tái)和內(nèi)飾板等不規(guī)則的零件，通常采用模具進(jìn)行生產(chǎn)，而這些模具的內(nèi)腔的形狀較為復(fù)雜，傳統(tǒng)加工方式難以進(jìn)行加工，采用高速加工方法即可解決上述問(wèn)題。高速加工技術(shù)在形狀不規(guī)則的零件模具加工中，充分呈現(xiàn)出以下優(yōu)點(diǎn)：①所加工出的汽車(chē)零件模具精度高；②在高速加工時(shí)單次的切削量小；③能夠進(jìn)行快速多次切削；④減少了二次修整，加工成品質(zhì)量高；⑤提高了加工效率。

（2）覆蓋件模具加工。覆蓋件大多數(shù)是由各種各樣的曲面所構(gòu)成，使用高速加工中心能夠使生產(chǎn)出的覆蓋件模具精度等級(jí)高、使用壽命長(zhǎng)，并且在大進(jìn)給速度時(shí)，高速加工中心可以提供高精度的定位和高精度的插補(bǔ)。銑削量大時(shí)，能夠保證在銑削過(guò)程中不更換刀具，可以對(duì)整個(gè)曲面進(jìn)行一次性加工，保證模具的精度。對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)覆蓋件模具進(jìn)行加工時(shí)，由于覆蓋件模具需要具有高的抗拉、抗壓強(qiáng)度和高的精度，因此，在進(jìn)行覆蓋件模具加工時(shí)，通常將完整的毛坯進(jìn)行大量材料去除，保證模具質(zhì)量。使用高速加工技術(shù)對(duì)其進(jìn)行加工，采用高速加工技術(shù)對(duì)覆蓋件模具的加工時(shí)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①高主軸轉(zhuǎn)速以及快速多次的切削可以使模具的粗糙度達(dá)到要求質(zhì)量得到保證；②高速的切削速度、微進(jìn)給以及多次切削的精度，可以滿(mǎn)足覆蓋件模具生產(chǎn)的工藝要求，使模具整體加工效率得到提升。

（3）缸體模具加工。應(yīng)用高速加工技術(shù)可以使缸體模具生產(chǎn)周期減少，同時(shí)提高缸體模具的質(zhì)量?，F(xiàn)在，汽車(chē)制造企業(yè)都是使用高速加工中心來(lái)制造缸體模具，其中上海大眾汽車(chē)使用高速數(shù)控鉆削的技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體模具和缸蓋模具等進(jìn)行高速加工，所加工的缸體模具以及缸蓋模具能夠一次成型，并且具體較高的精度，能夠使缸體模具制造的工序減少，生產(chǎn)周期縮短[6]。

（4）輪轂?zāi)＞呒庸ぁＪ褂酶咚偌庸ぜ夹g(shù)能夠快速制造出汽車(chē)輪轂?zāi)＞?，可以保證模具所生產(chǎn)的汽車(chē)輪轂的精度與質(zhì)量。由于汽車(chē)輪轂形狀復(fù)雜，使用傳統(tǒng)加工方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，生產(chǎn)效率低，并且所加工的汽車(chē)輪轂難以保證精度要求，因此，使用模具制造汽車(chē)輪轂是很多企業(yè)普遍采用的方式。

4 結(jié)語(yǔ)

高速加工在汽車(chē)制造中有著不可替代的地位，高速加工技術(shù)具高效、優(yōu)質(zhì)的加工優(yōu)勢(shì)，將繼續(xù)在機(jī)械加工領(lǐng)域起主導(dǎo)作用。本文針對(duì)高速加工技術(shù)在汽車(chē)模具制造中的應(yīng)用，所提出的方法與所得到的結(jié)論，特別是對(duì)復(fù)雜形狀汽車(chē)零件、覆蓋件、輪轂及缸體等模具高速加工中的應(yīng)用，具有很高的價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：郝波濤（1995-），男，陜西榆林人，研究生，主要研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造。