汽車大型覆蓋件淬硬鋼模具的高速銑削加工技術(shù)

吳亞蘭 李慶

摘要：對于車型種類繁多的我國汽車市場來說，車型的不斷更新直接關(guān)系著汽車企業(yè)的市場競爭力，這就使得汽車企業(yè)對高速銑削加工技術(shù)存在較高需求。基于此，本文將簡單分析汽車大型覆蓋件淬硬鋼模具銑削加工常見問題，并深入探討汽車大型覆蓋件淬硬鋼模具高速銑削加工技術(shù)要點，希望研究內(nèi)容能夠給相關(guān)從業(yè)人員以啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：汽車大型覆蓋件;淬硬鋼模具;高速硬態(tài)銑削加工技術(shù)

中圖分類號：TG506 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0125-02

0 ?引言

對比傳統(tǒng)磨削加工技術(shù)和本文研究的高速硬態(tài)銑削加工技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)，后者具備無污染、加工柔性好、生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢，這使得該技術(shù)近年來在我國汽車模具制造業(yè)廣泛應(yīng)用。為更好提升汽車模具制造水平，正是本文圍繞高速硬態(tài)銑削加工技術(shù)開展具體研究的原因所在。

1 ?汽車大型覆蓋件淬硬鋼模具銑削加工常見問題

1.1 基本問題

基于傳統(tǒng)磨削加工技術(shù)的汽車大型覆蓋件淬硬鋼模具銑削加工存在一定問題，主要可概括為五個方面：第一，表面損傷和尺寸誤差。拼接后的鑲塊式淬硬鋼模件精加工多基于整體銑削加工進行，銑削加工在多硬度拼接過渡區(qū)很容易出現(xiàn)載荷突變，導(dǎo)致明顯的刀具振動，曲率不斷變化的工件曲面也會導(dǎo)致切削層參數(shù)不斷變化，加工過程中極不穩(wěn)定的刀具載荷會最終導(dǎo)致模具型面的表面損傷和尺寸誤差出現(xiàn);第二，模具銑削過程顫振。對于型面復(fù)雜且硬度高的淬硬鋼模具來說，顫振問題很容易在加工過程出現(xiàn)。由于不了解加工工藝系統(tǒng)（工件-刀具-機床）的動態(tài)性能，無法準確獲得動態(tài)特性參數(shù)也會導(dǎo)致顫振難以有效控制，質(zhì)量惡化的加工表面將出現(xiàn)麻點、凹坑，粗糙度不均等問題也會出現(xiàn)在模具型面表面;第三，刀具嚴重磨損和破損。為保證覆蓋件成形質(zhì)量和模具型面的完整性，需要使用同一把刀具和同一臺機床完成不同硬度的加工區(qū)域，汽車模具間存在的硬度差和較大的硬度往往會導(dǎo)致刀具磨損加劇。此外，復(fù)雜多變的曲面使得交變切削載荷頻繁出現(xiàn)于刃口部位，因此引發(fā)的磨損破損問題也需要得到重視。對于接近零度的加工傾角，直接接觸的復(fù)雜曲面加工銑刀刀尖與工件可能導(dǎo)致刀片微裂紋擴展，斷裂問題的出現(xiàn)幾率會大幅提升。刀具頻繁的進給速度和線速度矢量變化會導(dǎo)致提前磨損、破損，這與切削載荷突變存在直接關(guān)聯(lián);第四，專用刀具缺失。在粗加工時，國內(nèi)部分汽車模具企業(yè)通過環(huán)形銑刀和圓角銑刀替代球頭銑刀，增大數(shù)倍的步距使得加工時間縮短，加工效率得以提升，同時球頭銑刀用于半精加工及精加工，點接觸窄行加工的球頭銑刀存在為零的頂點處線速度，惡劣的切削條件會降低切削效率，這與專用刀具缺乏存在直接關(guān)聯(lián)，模具加工表面質(zhì)量及效率受到的影響必須得到重視;第五，加工效率和精確度存在問題。受過大的模具硬度影響，加工過程中的讓刀、振動、刀具變形、磨損破損等問題均會影響加工精確度，后期的人工打磨拋光工作量也會增加，這對加工效率及質(zhì)量造成的負面影響必須得到重視。此外，無法有效結(jié)合加工條件和復(fù)雜加工曲面特征進行刀具路徑規(guī)劃也很容易引發(fā)同類問題[1]。

1.2 原因分析

結(jié)合上述問題開展深入分析可以發(fā)現(xiàn)，低檔轎車覆蓋件模具屬于現(xiàn)階段我國汽車模具廠家汽車覆蓋件模具加工主流，這類模具存在要求不高的加工形面精度要求，同時存在大量人工拋磨作業(yè)，大量鉗工修磨拋光方可保證模具的加工表面質(zhì)量和尺寸精度。優(yōu)化刀具選擇、引進先進的數(shù)控加工設(shè)備、優(yōu)化數(shù)控編程等屬于國內(nèi)相關(guān)企業(yè)的關(guān)注焦點，高速切削加工參數(shù)選擇多采用“經(jīng)驗”法和“試切”法，切削工藝參數(shù)在不同數(shù)控加工設(shè)備上相差不大的情況較為常見，很多先進設(shè)備受此影響無法充分發(fā)揮自身性能?？偟膩碚f，汽車大型覆蓋件淬硬鋼模具銑削加工問題可細分為加工效率問題、刀具使用壽命問題、切削過程振動問題、表面加工質(zhì)量問題，這類問題與刀具、機床動態(tài)特性、工件特征、切削過程存在直接關(guān)聯(lián)，這類問題的解決可從綜合工藝優(yōu)化、切削刀具研究、切削動力學(xué)研究、切削機理研究等方面入手[2]。

2 ?汽車大型覆蓋件淬硬鋼模具高速銑削加工技術(shù)要點

2.1 切削刀具技術(shù)

對于擁有大尺寸、復(fù)雜自由曲面型面的汽車大型覆蓋件模具來說，表面加工質(zhì)量的控制極為關(guān)鍵。一把刀完成一道工序?qū)儆诒砻婕庸べ|(zhì)量的控制基礎(chǔ)，因此相應(yīng)刀具需要具備較為出色的化學(xué)穩(wěn)定性和耐熱性、較高硬度、以及良好的耐磨損和抗沖擊特性?，F(xiàn)階段大直徑環(huán)形銑刀和圓角銑刀在汽車大型覆蓋件淬硬鋼模具粗加工中的應(yīng)用較為廣泛，球頭銑刀多用于精加工，主要選擇陶瓷、PCBN、涂層硬質(zhì)合金等刀具材料，不同材料具備不同的特點，如陶瓷刀具具備較為優(yōu)秀的抗粘結(jié)能力，PCBN刀具具備較為出色的耐熱性、耐磨性、硬度，硬質(zhì)合金銑刀很容易出現(xiàn)切削刃塌陷問題，因此PCBN刀具更適合汽車大型覆蓋件淬硬鋼模具高速銑削加工。在刀具材料確定后，為更好提升刀具切削性能，還應(yīng)關(guān)注刀具幾何參數(shù)、刀具刃口刃形、刀具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，刀具物理場分布能夠?qū)︺姷肚邢餍阅芎颓邢鬏d荷特性進行直接反映，輔以切削加工模擬實驗和有限元切削過程仿真，刀具幾何參數(shù)、刀具刃口刃形、刀具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化即可獲得充足依據(jù)，新型專用刀具開發(fā)也能夠由此展開，表1直觀展示了切削刀具技術(shù)研究內(nèi)容[3]。

2.2 綜合工藝優(yōu)化

近年來國內(nèi)外圍繞汽車大型覆蓋件淬硬鋼模具高速銑削加工技術(shù)開展了大量研究，這類研究主要圍繞綜合工藝優(yōu)化開展，涉及高速銑削淬硬鋼模具工藝、數(shù)控加工工藝等。以高速銑削淬硬鋼模具工藝為例，相關(guān)研究主要圍繞切削深度、進給量、切削速度等參數(shù)優(yōu)化開展，加工成本、刀具磨損壽命、加工效率、表面粗糙度、切削力為主要優(yōu)化目標，表2直觀展示了高速切削工藝優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

傳統(tǒng)切削與高速切削在機理方面存在顯著差異，常規(guī)銑削的相關(guān)概念及理論無法簡單沿用于高速銑削淬硬鋼模具中，因此現(xiàn)階段相關(guān)研究多圍繞算法優(yōu)化、試驗優(yōu)化、組合優(yōu)化等方面開展，設(shè)計變量多選擇切削深度、進給量、切削速度等主要切削參數(shù)，以此對優(yōu)化目標進行設(shè)定，仿真模型基于高速銑削試驗和優(yōu)化算法建立，最佳的切削參數(shù)搭配即可順利獲得，正交試驗屬于常用試驗方法，蟻群算法、粒子群算法、遺傳算法則屬于常用優(yōu)化算法，同時人工智能技術(shù)，即可更好優(yōu)化高速銑削淬硬鋼模具工藝。如通過組合正交試驗方法和遺傳算法，基于干銑的方式和表面粗糙度目標優(yōu)化切削參數(shù)，刀具的形狀也能夠在這一過程中優(yōu)選。而通過開展淬硬鋼正交試驗，優(yōu)化表面粗糙度和切削力指標，最優(yōu)方案可基于綜合平衡法得出。刀具角度和銑削用量等參數(shù)也可基于切削力、表面粗糙度等目標開展試驗，結(jié)合專家系統(tǒng)的模糊推理規(guī)則，分析和優(yōu)化即可進一步推進，由此開發(fā)專用的硬銑削專家系統(tǒng)用于切削性能評價和切削參數(shù)優(yōu)化，汽車大型覆蓋件淬硬鋼模具高速銑削加工技術(shù)的高水平應(yīng)用即可更好得到保障。綜合分析可以發(fā)現(xiàn)，基于單個或兩個優(yōu)化目標的淬硬鋼模具參數(shù)優(yōu)化現(xiàn)階段較為常見，基于全目標和多個優(yōu)化目標的全面綜合優(yōu)化探索尚存在一定不足。

對于汽車大型覆蓋件淬硬鋼模具高速銑削加工來說，恒定的切削載荷保持、柔順刀具軌跡在整個切削路徑上的生成極為關(guān)鍵。為得到恒定化的切削載荷，一般采用“小切深、大進給”方案進行汽車模具加工，選擇圓弧或螺旋線的進退刀方式，仿形加工由等高分層加工替代。為得到柔順化的刀具軌跡，近年來業(yè)界圍繞相關(guān)技術(shù)開展了大量研究，插補技術(shù)便屬于其中代表，不同于常規(guī)的圓弧插補和直線插補，該插補技術(shù)具備文件程序量少、表面加工質(zhì)量高、速度變化小等優(yōu)勢，該技術(shù)的應(yīng)用流程可概括為：“曲面CAD模型→規(guī)劃刀具路徑→擬合曲線→后置處理→NC代碼→程序讀取→插補→伺服系統(tǒng)”。

圍繞刀具路徑和工藝規(guī)劃進行分析可以發(fā)現(xiàn)，受型面復(fù)雜的汽車模具影響，數(shù)控加工編程多數(shù)時候需要采用不同的刀具路徑、加工工藝、工藝參數(shù)，基于不同加工特征的汽車模具針對性開發(fā)模具工藝制造模塊近年來開始受到業(yè)界重視，如基于企業(yè)條件開發(fā)程序化的汽車冷沖模具加工工藝模塊，以此全自動加工冷沖模具。依托軟件，也可以針對性開發(fā)數(shù)控加工工藝及模板，具體開發(fā)過程需要以不同結(jié)構(gòu)特征的汽車覆蓋件模具為依據(jù)，汽車覆蓋件模具的加工參數(shù)、工藝路線規(guī)范得以實現(xiàn)。

3 ?結(jié)論

綜上所述，汽車大型覆蓋件淬硬鋼模具的高速銑削加工技術(shù)擁有廣闊發(fā)展前景。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的切削刀具技術(shù)、綜合工藝優(yōu)化等內(nèi)容，則直觀展示了高速銑削加工技術(shù)優(yōu)化路徑。為更好服務(wù)于汽車大型覆蓋件淬硬鋼模具加工，多硬度拼接曲面結(jié)構(gòu)的深入研究、汽車模具曲面特征的針對性分類、非線性動力學(xué)模型的優(yōu)化建設(shè)同樣需要得到重視。

參考文獻：

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基金項目：2020年高校學(xué)科（專業(yè)）拔尖人才學(xué)術(shù)資助項目（gxbjZD2020107）;2019年安徽省質(zhì)量工程項目（2019dsgzs43）;2018年安徽省質(zhì)量工程項目（2018jyxm0621）。

作者簡介：吳亞蘭（1984-），女，安徽樅陽人，實驗師，碩士，主要從事數(shù)控技術(shù)應(yīng)用、機械設(shè)計與制造、數(shù)字化設(shè)計與制造等方向的研究;李慶（1981-），男，山東曹縣人，回族，畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué)機械工程碩士，副教授，主要從事數(shù)控技術(shù)應(yīng)用、機械設(shè)計與制造、數(shù)字化設(shè)計與制造等方向的研究。