汽車模具高速切削加工的工藝技術(shù)研究及應(yīng)用
高速切削加工是現(xiàn)代汽車模具制造的發(fā)展趨勢。高速切削工藝技術(shù)是高速切削應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一枚鸭。本文介紹了汽車模具高速切削工藝研究的技術(shù)手段攘默，討論了開展汽車模具高速切削工藝研究的技術(shù)路線，結(jié)合實例介紹了高速切削工藝技術(shù)在汽車覆蓋件模具制造中的應(yīng)用关揣。

高速切削加工是汽車模具制造的發(fā)展趨勢

高速切削加工技術(shù)是21世紀的一種先進制造技術(shù)句惯，有著強大的生命力和廣闊的應(yīng)用前景。通過高速切削加工技術(shù) 可以解決在汽車模具常規(guī)切削加工中備受困擾的一系列問題支救。近幾年來宗弯，在美國脯燃、德國、日本等工業(yè)發(fā)達國家高速切削加工技術(shù)在大部分的模具公司都得到了廣泛應(yīng)用蒙保，85%左右的模具電火花成形加工工序已被高速加工所替代辕棚。高速加工技術(shù)集高效、優(yōu)質(zhì)邓厕、低耗于一身逝嚎，已成為國際模具制造工藝中的主流。

通過國內(nèi)外汽車模具制造行業(yè)的高速切削加工技術(shù)實踐應(yīng)用详恼，高速切削加工技術(shù)具有如下優(yōu)勢：

一补君、高速切削加工提高了加工速度

高速切削加工以高于常規(guī)切削10倍左右的切削速度對汽車模具進行高速切削加工。由于高速機床主軸激振頻率遠遠超過“機床—刀具—工件”系統(tǒng)的固有頻率范圍昧互，汽車模具加工過程平穩(wěn)且無沖擊挽铁。

二、高速切削加工生產(chǎn)效率高

用高速加工中心或高速銑床加工模具机凭，可以在工件一次裝夾中完成型面的粗迟伤、精加工和汽車模具其他部位的機械加工，即所謂“一次過”技術(shù)（One Pass Machining）级衅。高速切削加工技術(shù)的應(yīng)用大大提高了汽車模具的開發(fā)速度娘型。

三、高速切削加工可獲得高質(zhì)量的加工表面

由于采取了極小的步距和切深笑诫，高速切削加工可獲得很高的表面質(zhì)量铝矢，甚至可以省去鉗工修光的工序。

四咽行、簡化加工工序

常規(guī)銑削加工只能在淬火之前進行跪消，淬火造成的變形必須要經(jīng)手工修整或采用電加工最終成形。現(xiàn)在則可以通過高速切削加工來完成差讼，而且不會出現(xiàn)電加工所導致的表面硬化脸掘。另外，由于切削量減少诞嗦，高速加工可使用更小直徑的刀具對更小的圓角半徑及模具細節(jié)進行加工纷臊，節(jié)省了部分機械加工或手工修整工序，從而縮短了生產(chǎn)周期乌企。

五虑润、高速切削加工使汽車模具修復過程變得更加方便

汽車模具在使用過程中往往需要多次修復以延長使用壽命，如果采用高速切削加工就可以更快地完成該工作加酵，取得以銑代磨的加工效果拳喻，而且可使用原NC程序，無需重新編程猪腕，且能做到精確無誤冗澈。

六钦勘、高速切削加工可加工形狀復雜的硬質(zhì)汽車模具

由高速切削機理可知：高速切削時，切削力大為減少亚亲，切削過程變得比較輕松彻采，高速切削加工在切削高強度和高硬度材料方面具有較大優(yōu)勢，可以加工具有復雜型面捌归、硬度比較高的汽車模具肛响。

開展汽車模具高速切削工藝技術(shù)研究的意義

高速切削加工技術(shù)在國內(nèi)外汽車模具制造行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，并且已取得了巨大的效益惜索，但是高速切削加工的機理和相關(guān)理論至今仍不完善特笋，針對汽車模具的高速切削數(shù)據(jù)庫尚未建立。國內(nèi)外企業(yè)選擇高速切削刀具參數(shù)和高速切削加工參數(shù)的方式仍以傳統(tǒng)的“試切”法和“經(jīng)驗”法為主铡碧，在加工某一新型材料時嗦休，往往需要使用多種刀具進行重復切削試驗，研究分析刀具的磨損愧蔬、破損方式及其原因首捶，從中找出一組最佳的刀具材料和加工參數(shù)，如此反覆多次掐赠，盲目性大淳篡，并且浪費大量的人力帆骗、財力和資源糯湃。而針對特種材料如合金鑄鐵、高強度合金鋼的席、超級合金（如鈦合金）等材料的高速切削加工捧擂，如何根據(jù)材料特性選擇合適的切削刀具，如何設(shè)計合理的切削參數(shù)赁至，目前仍在研究和發(fā)展中艾遗。

關(guān)于高速切削數(shù)據(jù)庫的建立和使用，國內(nèi)外至今很少有關(guān)的文獻報道瓣俯。這主要是因為高速切削加工技術(shù)起步晚杰标，目前可用于生產(chǎn)的實用高速切削數(shù)據(jù)還十分缺乏。

我國有關(guān)汽車模具高速切削加工技術(shù)的研究起步較晚彩匕。近年來腔剂，眾多模具企業(yè)相繼從美國、德國驼仪、法國掸犬、日本等國家購買了大量高速加工設(shè)備及切削刀具，并在實踐中摸索汽車模具高速切削加工的工藝技術(shù)绪爸，取得了一些成功經(jīng)驗湾碎。但是宙攻，一方面，引進設(shè)備不等于引進技術(shù)介褥。高速切削尤其是大型汽車覆蓋件模具的高速切削方面座掘，沒有成功的經(jīng)驗可供借鑒，怎樣使引進的設(shè)備盡快發(fā)揮出應(yīng)有的作用是擺在企業(yè)管理者和工程技術(shù)人員面前的一大課題呻顽；另一方面去谈，技術(shù)人員在工作中邊學習邊應(yīng)用，摸索喇纬、積累了一定的高速切削加工實例费罚、工藝參數(shù)和工作經(jīng)驗，怎樣將這些寶貴的經(jīng)驗和教訓總結(jié)保存供其他技術(shù)人員借鑒凯书、避免多走彎路也是一項難題滋池。

汽車模具企業(yè)不僅要建立一套高速加工切削數(shù)據(jù)庫，而且應(yīng)是針對汽車覆蓋件模具加工特徵的“特色”切削數(shù)據(jù)庫咬恨，即所建立的切削數(shù)據(jù)庫不但能夠存儲高速切削參數(shù)茸暖，而且能夠存儲優(yōu)秀的高速切削加工實例和決策知識，因此這是能夠“自動增長知識”的數(shù)據(jù)庫邀漩；在數(shù)據(jù)和經(jīng)驗基礎(chǔ)之上畦瞒，還需要對高速加工數(shù)控編程工作任務(wù)進行有效管理。建立這樣一個針對模具公司獨特情況的數(shù)據(jù)庫绿踱，已遠遠超出一般切削數(shù)據(jù)庫的范疇冠秉，但這種“特色”數(shù)據(jù)庫的建立和應(yīng)用必定會提高汽車模具高速加工的質(zhì)量和效率，并為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益菲藏。

汽車模具高速切削工藝技術(shù)研究的內(nèi)容

一视事、高速切削加工機理的研究

高速切削加工技術(shù)在國內(nèi)外發(fā)展的時間短，切削機理方面還有很多內(nèi)容仍需要進一步的研究和完善庆揩，主要表現(xiàn)在由于速度大幅提高俐东，加工過程產(chǎn)生的切削力、切削熱订晌、刀具磨損狀況以及加工表面情況都將與傳統(tǒng)加工對應(yīng)因素所產(chǎn)生的現(xiàn)象和造成的結(jié)果顯著不同虏辫。高速切削機理的缺乏將阻礙高速切削加工技術(shù)的深入應(yīng)用，因此首先要進行高速切削加工機理的研究以加深技術(shù)人員和操作人員對高速切削加工技術(shù)的認識锈拨，并充分利用高速切削加工技術(shù)對汽車覆蓋件模具進行高效高質(zhì)量的加工砌庄。

二、高速切削加工參數(shù)的優(yōu)化

實踐證明推励，在設(shè)備鹤耍、材料、加工策略一定的情況下使用合理的加工參數(shù)將大大提高工作效率验辞，并做到加工效率稿黄、刀具磨損和加工質(zhì)量的最佳組合喊衫。因此，在汽車覆蓋件模具高速切削加工方面進行加工參數(shù)優(yōu)化是提高工作效率和汽車覆蓋件模具加工質(zhì)量的一個重要技術(shù)環(huán)節(jié)睡谒。

三湘搀、復雜模具曲面高速切削加工策略研究

成功進行高速切削加工的重要前提是承受近乎恒定的切削載荷，在這種條件下能夠保證良好的高速切削加工效果榆墅。針對復雜模具曲面渐仓，需要進行加工過程中去除材料體積變化小、切削載荷恒定的加工策略研究以避免刀具較快的磨損和減小讓刀誤差榨未。

四悄慨、汽車模具高速加工切削數(shù)據(jù)庫建立

高速加工切削數(shù)據(jù)庫存儲高速切削參數(shù)等數(shù)據(jù)供技術(shù)人員和操作人員查詢和使用，在管理工藝數(shù)據(jù)和輔助技術(shù)人員進行工藝規(guī)劃方面起著重要作用收谭。為提高技術(shù)人員和操作人員的工作效率车管、促進企業(yè)穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展，建立針對汽車覆蓋件模具高速加工的切削數(shù)據(jù)庫勢在必行旧败。

汽車模具高速切削工藝技術(shù)研究的技術(shù)手段

一还桶、切削加工有限元模擬技術(shù)

電腦技術(shù)的飛速發(fā)展使得利用數(shù)值模擬方法來研究切削加工過程以及各種參數(shù)之間的關(guān)系成為可能，始于上世紀70年代的金屬切削加工的有限元模擬技術(shù)在電腦技術(shù)的發(fā)展中也得到了長足的進步暮孕。金屬切削加工的有限元模擬考慮了材料屬性苛瞬、刀具的幾何條件、切削加工參數(shù)（切削速度十偶、進給量菩鲜、切削深度）以及切削加工引起的切削力載荷、熱載荷和殘余應(yīng)力等因素扯键。在試驗輔助和驗證的基礎(chǔ)上睦袖，虛擬切削加工過程中刀具和零件相對運動的作用過程珊肃，對切屑成形過程進行動態(tài)物理仿真荣刑，可以顯示加工行為以及被加工零件的內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變伦乔、應(yīng)變率和溫度等物理量的分布情況厉亏，預測零件的加工質(zhì)量和刀具磨損、破損等情況烈和。進而爱只，通過對工藝參數(shù)的優(yōu)化，可以提高零件的加工質(zhì)量招刹，有效減少刀具的磨損程度恬试，減少采用傳統(tǒng)試湊法確定新工藝時所需的昂貴費用和時間。另外疯暑，金屬切削加工模擬時牧稳，可以定義相關(guān)因素（加工參數(shù)茫绅、刀具幾何條件以及熱、力的上限）與材料的去除率之間的關(guān)系闰袒。在確保零件加工質(zhì)量的前提下咳综，通過改變切削參數(shù)提高材料的去除率，從而達到提高生產(chǎn)率的目的悴觅。

汽車覆蓋件模具高速切削加工機理和加工參數(shù)優(yōu)化技術(shù)涉及材料科學霍执、力學、金屬物理學轰蜗、機械制造等多個學科删摸，在數(shù)控加工領(lǐng)域一直難以解決。現(xiàn)有的CAM軟件只能根據(jù)零件曲面特徵進行數(shù)控編程自葡，保證刀位軌跡不碰撞棒冠、不干涉，但難以保證加工后的零件在表面質(zhì)量和刀具壽命等物理目標上也是最優(yōu)的慨即，往往造成產(chǎn)品精度低下型肥，刀具磨損嚴重，所以對高速切削加工過程進行最優(yōu)化分析是一項比較困難卻又相當重要的課題蝠咆。從上述切削加工有限元模擬技術(shù)概述來看踊东，走數(shù)字模擬仿真和試驗研究相結(jié)合之路，是解決該實際問題的有效措施刚操。切削工藝過程和切屑成形過程的有限元模擬為深入研究切削機理闸翅、提高切削加工質(zhì)量提供了新的、更加有效的分析方法菊霜。

二坚冀、基于實例推理的高速切削加工數(shù)據(jù)庫構(gòu)建技術(shù)

基于實例的推理（CBR—Case-Based Reasoning）起源于二十世紀七十年代，是人工智能技術(shù)發(fā)展過程中出現(xiàn)的一種推理模式鉴逞。簡單地說记某，就是利用以前類似問題的解決方案及知識來解決新問題」辜瘢基于實例推理是一種被廣泛應(yīng)用于各種問題求解領(lǐng)域的推理方法液南，應(yīng)用這種推理方法求解問題不依賴于所求解問題領(lǐng)域的規(guī)則，而是依賴于以前積累的經(jīng)驗和成功解決的類似實例勾徽。這非常接近于人類專家解決問題的思路和方法滑凉。

實際上，基于實例推理的技術(shù)是一種問題求解方法斗黍，可應(yīng)用于眾多的領(lǐng)域二娄。在汽車模具高速切削加工領(lǐng)域，問題求解要考慮的因素非常多，解決方案的某些部分可用簡單的規(guī)則來確定苇恤，但大多數(shù)情況下盲并，則要注意到實際問題的具體情況。如選擇切削刀具時弟诲，刀具類型可很簡單地應(yīng)用規(guī)則來確定吻悍，但像刀具尺寸、幾何角度徘伯、刀片型號囚上、尺寸、角度就考、加工參數(shù)等數(shù)據(jù)的確定痰拢，就很難用簡單有效的規(guī)則來確定。有時贯卦，使用某些已經(jīng)存在的規(guī)則甚至可能導致錯誤的結(jié)論资柔。在這種情況下，應(yīng)用基于規(guī)則的推理就受到了很大的局限撵割，應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)路演算法又很難處理問題領(lǐng)域的非數(shù)值型數(shù)據(jù)贿堰，而應(yīng)用基于實例推理的技術(shù)來解決這樣的問題就很容易克服上述困難。

另外啡彬，由于積累的經(jīng)驗少羹与，高速切削加工過程中，零件與刀具材料的最優(yōu)匹配及切削用量的選擇庶灿、切削液的選用纵搁、機床剛性與工件剛性對加工精度和表面質(zhì)量的影響及切削方法與機床的選用、刀具壽命與切削用量和加工成本之間的合理匹配往踢、零件及加工面類型對工藝方案的影響等問題腾誉，也不能用簡單的公式或規(guī)則來表示。而這些信息和經(jīng)驗對推廣高速切削技術(shù)意義重大峻呕，因此如何收集和處理十分重要利职。而基于實例推理解決問題的方法正好可以利用上述經(jīng)驗和加工實例來解決高速切削加工過程中出現(xiàn)的各種問題。在目前高速切削加工領(lǐng)域缺乏大量系統(tǒng)適用的切削數(shù)據(jù)山上、經(jīng)驗和規(guī)則的情況下伟蕾，應(yīng)用基于實例推理技術(shù)解決問題的思想方法私舱，可為建立高速切削數(shù)據(jù)庫畦肉、推廣高速切削加工技術(shù)，提供一條切實可行的途徑菊舅。

圖1 汽車模具高速切削工藝研究技術(shù)路線

汽車模具高速切削工藝技術(shù)的技術(shù)路線

以有限元模擬技術(shù)和基于實例推理的高速切削數(shù)據(jù)庫構(gòu)建技術(shù)為研究支撐技術(shù)礁姿，以理論分析和試驗研究等為輔助技術(shù)，對汽車模具尤其是覆蓋件模具高速切削加工工藝展開深入研究舆滞。其研究過程為：首先進行材料力學性能試驗菱区，利用試驗數(shù)據(jù)構(gòu)建有限元模型顿墨，探討高速切削加工機理，優(yōu)化高速切削加工參數(shù)和揭示高速切削加工規(guī)律绎瓣；基于優(yōu)化的加工參數(shù)源數(shù)據(jù)和高速切削加工規(guī)律稼孤，采用實例推理方法建立高速切削數(shù)據(jù)庫；研究具有復雜曲面特徵的汽車覆蓋件模具保持近似恒定切削載荷的高速切削加工策略堵忌，突破3＋2軸數(shù)控加工方式關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)環(huán)節(jié)扇述，開發(fā)汽車覆蓋件模具3＋2軸數(shù)控加工輔助編程工具，最后將這些成果在實際高速切削加工中進行應(yīng)用杯道。圖1為研究路線示意圖匪煌。

圖2 在高速加工中心上進行的汽車覆蓋件模具高速銑削

汽車模具高速切削工藝技術(shù)應(yīng)用實例

東風汽車模具有限公司是國內(nèi)汽車模具行業(yè)規(guī)模最大、技術(shù)最先進的企業(yè)之一党巾。從2000年開始萎庭，該公司組織技術(shù)人員進行高速切削加工技術(shù)研究，密切結(jié)合汽車模具尤其是覆蓋件模具制造的實際齿拂，解決了一系列關(guān)鍵技術(shù)驳规，總結(jié)了一套適合汽車覆蓋件模具高速切削加工的技術(shù)方案和方法，包括：汽車覆蓋件模具高速切削加工的基本概念署海；高速加工設(shè)備的選購標準达舒；高速加工機床的安裝與調(diào)試；高速切削刀具的使用叹侄；適合于高速切削加工的CAM軟件巩搏；“3+2"軸高速切削加工技術(shù)；高速切削加工工藝及測量技術(shù)等趾代。近兩年又與浙江大學贯底、湖北汽車工業(yè)學院聯(lián)合開展了汽車模具高速加工工藝參數(shù)優(yōu)化及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用項目。該項目以大型汽車覆蓋件模具復雜型面的高速精加工為主要研究對像撒强，在引進國外大型高速數(shù)控加工中心設(shè)備的基礎(chǔ)上挽后，采用金屬切削有限元模擬和實驗技術(shù)相結(jié)合，研究了模具常用材料的高速切削加工機理鸠头；采用基于實例推理方法建立了具有自學習功能的汽車模具高速切削數(shù)據(jù)庫镇盛；緊密結(jié)合UG CAM軟件功能，開發(fā)了刀軸傾角優(yōu)化工具诱价，因而在汽車覆蓋件模具復雜型面“3+2軸”加工時卜锡，達到了汽車模具的高速度、高質(zhì)量涧俐、高可靠性的加工要求歉赴。經(jīng)過實際應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果。
湖北汽車工業(yè)學院 阮景奎

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