汽车模具高速切削加工的工艺技术研究及应用

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汽车模具高速切削加工的工艺技术研究及应用
+ e* H% f  k5 j( Q9 j关键词：汽车模具　高速切削加工　工艺技术
7 O+ C% |7 O% }& v* b" t0 w　　高速切削加工是现代汽车模具制造的发展趋势。高速切削工艺技术是高速切削应用的关键技术之一。本文介绍了汽车模具高速切削工艺研究的技术手段，讨论了开展汽车模具高速切削工艺研究的技术路线，结合实例介绍了高速切削工艺技术在汽车覆盖件模具制造中的应用。
    高速切削加工是汽车模具制造的发展趋势
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* V$ p  E: b2 H' J3 s, t" E$ Z, H　　高速切削加工技术是21世纪的一种先进制造技术，有着强大的生命力和广阔的应用前景。通过高速切削加工技术可以解决在汽车模具常规切削加工中备受困扰的一系列问题。近几年来，在美国、德国、日本等工业发达国家，高速切削加工技术在大部分的模具公司都得到了广泛应用，85%左右的模具电火花成形加工工序已被高速加工所替代。高速加工技术集高效、优质、低耗于一身，已成为国际模具制造工艺中的主流。

　　通过国内外汽车模具制造行业的高速切削加工技术实践应用，高速切削加工技术具有如下优势：
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　　（1）高速切削加工提高了加工速度

　　高速切削加工以高于常规切削10倍左右的切削速度对汽车模具进行高速切削加工。由于高速机床主轴激振频率远远超过“机床—刀具—工件”系统的固有频率范围，汽车模具加工过程平稳且无冲击。
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5 j, g- B6 l+ {" |3 Y' B　　（2）高速切削加工生产效率高

( }+ u0 }( F! r4 @3 }+ S$ e　　用高速加工中心或高速铣床加工模具，可以在工件一次装夹中完成型面的粗、精加工和汽车模具其他部位的机械加工，即所谓“一次过”加工技术（One Pass Machining）。高速切削加工技术的应用大大提高了汽车模具的开发速度。

　　（3）高速切削加工可获得高质量的加工表面

: U/ n/ N1 W, Q3 S  n0 f　　由于采取了极小的步距和切深，高速切削加工可获得很高的表面质量，甚至可以省去钳工修光的工序。
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, S7 d& N" J# F5 G- M　　（4）简化加工工序
    常规铣削加工只能在淬火之前进行，淬火造成的变形必须要经手工修整或采用电加工最终成形。现在则可以通过高速切削加工来完成，而且不会出现电加工所导致的表面硬化。另外，由于切削量减少，高速加工可使用更小直径的刀具对更小的圆角半径及模具细节进行加工，节省了部分机械加工或手工修整工序，从而缩短了生产周期。

　　（5）高速切削加工使汽车模具修复过程变得更加方便
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9 Y$ G4 G+ v+ R% w! X4 }　　汽车模具在使用过程中往往需要多次修复以延长使用寿命，如果采用高速切削加工就可以更快地完成该工作，取得以铣代磨的加工效果，而且可使用原NC程序，无需重新编程，且能做到精确无误。

　　（6）高速切削加工可加工形状复杂的硬质汽车模具

6 ^% Q" p% Q- a8 \  _　　由高速切削机理可知：高速切削时，切削力大为减少，切削过程变得比较轻松，高速切削加工在切削高强度和高硬度材料方面具有较大优势，可以加工具有复杂型面、硬度较高的汽车模具。

　　开展汽车模具高速切削工艺技术研究的意义

* _4 T8 }: P7 V3 W　　高速切削加工技术在国内外汽车模具制造行业得到了广泛的应用，并且已取得了巨大的效益，但是高速切削加工的机理和相关理论至今仍不完善，针对汽车模具的高速切削数据库尚未建立。国内外企业选择高速切削刀具参数和高速切削加工参数的方式仍以传统的“试切”法和“经验”法为主，在加工某一新型材料时，往往需要使用多种刀具进行重复切削试验，研究分析刀具的磨损、破损方式及其原因，从中找出一组最佳的刀具材料和加工参数，如此反复多次，盲目性大，并且浪费大量的人力、财力和资源。而针对特种材料如合金铸铁、高强度合金钢、超级合金（如钛合金）等材料的高速切削加工，如何根据材料特性选择合适的切削刀具，如何设计合理的切削参数，目前仍在研究和发展中。

　　关于高速切削数据库的建立和使用，国内外至今很少有关的文献报道。这主要是因为高速切削加工技术起步晚，目前可用于生产的实用高速切削数据还十分缺乏。

　　我国有关汽车模具高速切削加工技术的研究起步较晚。近年来，众多模具企业相继从美国、德国、法国、日本等国家购买了大量高速加工设备及切削刀具，并在实践中摸索汽车模具高速切削加工的工艺技术，取得了一些成功经验。但是，一方面，引进设备不等于引进技术。高速切削尤其是大型汽车覆盖件模具的高速切削方面，没有成功的经验可供借鉴，怎样使引进的设备尽快发挥出应有的作用是摆在企业管理者和工程技术人员面前的一大课题；另一方面，技术人员在工作中边学习边应用，摸索、积累了一定的高速切削加工实例、工艺参数和工作经验，怎样将这些宝贵的经验和教训总结保存供其他技术人员借鉴、避免多走弯路也是一项难题。

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汽车模具高速切削加工的工艺技术研究及应用
0 H. s8 l5 }# |6 d/ [　汽车模具企业不仅要建立一套高速加工切削数据库，而且应是针对汽车覆盖件模具加工特征的“特色”切削数据库，即所建立的切削数据库不但能够存储高速切削参数，而且能够存储优秀的高速切削加工实例和决策知识，因此这是能够“自动增长知识”的数据库；在数据和经验基础之上，还需要对高速加工数控编程工作任务进行有效管理。建立这样一个针对模具公司独特情况的数据库，已远远超出一般切削数据库的范畴，但这种“特色”数据库的建立和应用必定会提高汽车模具高速加工的质量和效率，并为企业带来可观的经济效益。

　　汽车模具高速切削工艺技术研究的内容

3 Y: p" l6 w! G- G" \7 d　　（1）高速切削加工机理的研究
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　　高速切削加工技术在国内外发展的时间短，切削机理方面还有很多内容仍需要进一步的研究和完善，主要表现在由于速度大幅提高，加工过程产生的切削力、切削热、刀具磨损状况以及加工表面情况都将与传统加工对应因素所产生的现象和造成的结果显著不同。高速切削机理的缺乏将阻碍高速切削加工技术的深入应用，因此首先要进行高速切削加工机理的研究以加深技术人员和操作人员对高速切削加工技术的认识，并充分利用高速切削加工技术对汽车覆盖件模具进行高效高质量的加工。

　　（2）高速切削加工参数的优化
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9 @$ O% w4 }2 K; u: l+ V# {　　实践证明，在设备、材料、加工策略一定的情况下使用合理的加工参数将大大提高工作效率，并做到加工效率、刀具磨损和加工质量的最佳组合。因此，在汽车覆盖件模具高速切削加工方面进行加工参数优化是提高工作效率和汽车覆盖件模具加工质量的一个重要技术环节。

. Y& k/ C: H! s9 ]1 i　　（3）复杂模具曲面高速切削加工策略研究
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　　成功进行高速切削加工的重要前提是承受近乎恒定的切削载荷，在这种条件下能够保证良好的高速切削加工效果。针对复杂模具曲面，需要进行加工过程中去除材料体积变化小、切削载荷恒定的加工策略研究以避免刀具较快的磨损和减小让刀误差。

" a$ ^6 ?* `! Q$ d$ ?3 w( i0 _　　（4）汽车模具高速加工切削数据库建立
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　　高速加工切削数据库存储高速切削参数等数据供技术人员和操作人员查询和使用，在管理工艺数据和辅助技术人员进行工艺规划方面起着重要作用。为提高技术人员和操作人员的工作效率、促进企业稳定持续发展，建立针对汽车覆盖件模具高速加工的切削数据库势在必行。
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' x2 G- j2 }! C% E2 v8 D) G　　汽车模具高速切削工艺技术研究的技术手段
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7 ^: g+ y; e& l$ s　　（1）切削加工有限元模拟技术

　　电脑技术的飞速发展使得利用数值模拟方法来研究切削加工过程以及各种参数之间的关系成为可能，始于上世纪70年代的金属切削加工的有限元模拟技术在电脑技术的发展中也得到了长足的进步。金属切削加工的有限元模拟考虑了材料属性、刀具的几何条件、切削加工参数（切削速度、进给量、切削深度）以及切削加工引起的切削力载荷、热载荷和残余应力等因素。在试验辅助和验证的基础上，虚拟切削加工过程中刀具和零件相对运动的作用过程，对切屑成形过程进行动态物理仿真，可以显示加工行为以及被加工零件的内部应力、应变、应变率和温度等物理量的分布情况，预测零件的加工质量和刀具磨损、破损等情况。进而，通过对工艺参数的优化，可以提高零件的加工质量，有效减少刀具的磨损程度，减少采用传统试凑法确定新工艺时所需的昂贵费用和时间。另外，金属切削加工模拟时，可以定义相关因素（加工参数、刀具几何条件以及热、力的上限）与材料的去除率之间的关系。在确保零件加工质量的前提下，通过改变切削参数提高材料的去除率，从而达到提高生产率的目的。
    汽车覆盖件模具高速切削加工机理和加工参数优化技术涉及材料科学、力学、金属物理学、机械制造等多个学科，在数控加工领域一直难以解决。现有的CAM软件只能根据零件曲面特征进行数控编程，保证刀位轨迹不碰撞、不干涉，但难以保证加工后的零件在表面质量和刀具寿命等物理目标上也是最优的，往往造成产品精度低下，刀具磨损严重，所以对高速切削加工过程进行最优化分析是一项比较困难却又相当重要的课题。从上述切削加工有限元模拟技术概述来看，走数字模拟仿真和试验研究相结合之路，是解决该实际问题的有效措施。切削工艺过程和切屑成形过程的有限元模拟为深入研究切削机理、提高切削加工质量提供了新的、更加有效的分析方法。
. y) z' H7 f) c1 g; s  M$ S（2）基于实例推理的高速切削加工数据库构建技术

　　基于实例的推理（Case-Based Reasoning，CBR）起源于二十世纪七十年代，是人工智能技术发展过程中出现的一种推理模式。简单地说，就是利用以前类似问题的解决方案及知识来解决新问题。基于实例推理是一种被广泛应用于各种问题求解领域的推理方法，应用这种推理方法求解问题不依赖于所求解问题领域的规则，而是依赖于以前积累的经验和成功解决的类似实例。这非常接近于人类专家解决问题的思路和方法。
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  G: g3 _" J! s9 {2 \　　实际上，基于实例推理的技术是一种问题求解方法，可应用于众多的领域。在汽车模具高速切削加工领域，问题求解要考虑的因素非常多，解决方案的某些部分可用简单的规则来确定，但大多数情况下，则要注意到实际问题的具体情况。如选择切削刀具时，刀具类型可很简单地应用规则来确定，但像刀具尺寸、几何角度、刀片型号、尺寸、角度、加工参数等数据的确定，就很难用简单有效的规则来确定。有时，使用某些已经存在的规则甚至可能导致错误的结论。在这种情况下，应用基于规则的推理就受到了很大的局限，应用人工神经网路演算法又很难处理问题领域的非数值型数据，而应用基于实例推理的技术来解决这样的问题就很容易克服上述困难。

( f1 J% f1 x& \5 u  |& L) G' `　　另外，由于积累的经验少，高速切削加工过程中，零件与刀具材料的最优匹配及切削用量的选择、切削液的选用、机床刚性与工件刚性对加工精度和表面质量的影响及切削方法与机床的选用、刀具寿命与切削用量和加工成本之间的合理匹配、零件及加工面类型对工艺方案的影响等问题，也不能用简单的公式或规则来表示。而这些信息和经验对推广高速切削技术意义重大，因此如何收集和处理十分重要。而基于实例推理解决问题的方法正好可以利用上述经验和加工实例来解决高速切削加工过程中出现的各种问题。在目前高速切削加工领域缺乏大量系统适用的切削数据、经验和规则的情况下，应用基于实例推理技术解决问题的思想方法，可为建立高速切削数据库、推广高速切削加工技术，提供一条切实可行的途径。

　　汽车模具高速切削工艺技术的技术路线
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) k% R. t( X5 c1 j7 e　　以有限元模拟技术和基于实例推理的高速切削数据库构建技术为研究支撑技术，以理论分析和试验研究等为辅助技术，对汽车模具尤其是覆盖件模具高速切削加工工艺展开深入研究。其研究过程为：首先进行材料力学性能试验，利用试验数据构建有限元模型，探讨高速切削加工机理，优化高速切削加工参数和揭示高速切削加工规律；基于优化的加工参数源数据和高速切削加工规律，采用实例推理方法建立高速切削数据库；研究具有复杂曲面特徵的汽车覆盖件模具保持近似恒定切削载荷的高速切削加工策略，突破3＋2轴数控加工方式关键应用技术环节，开发汽车覆盖件模具3＋2轴数控加工辅助编程工具，最后将这些成果在实际高速切削加工中进行应用。

) S' G6 @# _, d8 n/ i2 x! }" m　　汽车模具高速切削工艺技术应用实例
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/ M/ f) j  ~: K: M! c　　东风汽车模具有限公司是国内汽车模具行业规模最大、技术最先进的企业之一。从2000年开始，该公司组织技术人员进行高速切削加工技术研究，密切结合汽车模具尤其是覆盖件模具制造的实际，解决了一系列关键技术，总结了一套适合汽车覆盖件模具高速切削加工的技术方案和方法，包括：汽车覆盖件模具高速切削加工的基本概念；高速加工设备的选购标准；高速加工机床的安装与调试；高速切削刀具的使用；适合于高速切削加工的CAM软件；“3+2轴”高速切削加工技术；高速切削加工工艺及测量技术等。近两年又与浙江大学、湖北汽车工业学院联合开展了汽车模具高速加工工艺参数优化及数据库系统开发与应用项目。该项目以大型汽车覆盖件模具复杂型面的高速精加工为主要研究对像，在引进国外大型高速数控加工中心设备的基础上，采用金属切削有限元模拟和实验技术相结合，研究了模具常用材料的高速切削加工机理；采用基于实例推理方法建立了具有自学习功能的汽车模具高速切削数据库；紧密结合UG CAM软件功能，开发了刀轴倾角优化工具，因而在汽车覆盖件模具复杂型面“3+2轴”加工时，达到了汽车模具的高速度、高质量、高可靠性的加工要求。经过实际应用，取得了良好的应用效果。