汽車模具高速切削加工的工藝技術(shù)研究及應(yīng)用

發(fā)布日期：2012-08-29    蘭生客服中心    瀏覽：2731

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(jì)的一種先進(jìn)制造技術(shù)，有著強(qiáng)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。近幾年來，在美國、德國、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)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，85%左右的模具電火花成形加工工序已被高速加工所替代。高速加工技術(shù)集高效、優(yōu)質(zhì)、低耗于一身，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(shí)踐應(yīng)用，高速切削加工技術(shù)具有如下優(yōu)勢：

  • 一、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(jìn)行高速切削加工。由于高速機(jī)床主軸激振頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過“機(jī)床—刀具—工件”系統(tǒng)的固有頻率范圍，汽車模具加工過程平穩(wěn)且無沖擊。

  • 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，可以在工件一次裝夾中完成型面的粗、精加工和汽車模具其他部位的機(jī)械加工，即所謂“一次過”技術(shù)(One Pass Machining)。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。

  • 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，高速切削加工可獲得很高的表面質(zhì)量，甚至可以省去鉗工修光的工序。

  • 四、簡化加工工序
    常規(guī)銑削加工只能在淬火之前進(jìn)行，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�，F(xiàn)在則可以通過高速切削加工來完成，而且不會出現(xiàn)電加工所導(dǎo)致的表面硬化。另外，由于切削量減少，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(xì)節(jié)進(jìn)行加工，節(jié)省了部分機(jī)械加工或手工修整工序，從而縮短了生產(chǎn)周期。

  • 五、高速切削加工使汽車模具修復(fù)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(fù)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，取得以銑代磨的加工效果，而且可使用原NC程序，無需重新編程，且能做到精確無誤。

  • 六、高速切削加工可加工形狀復(fù)雜的硬質(zhì)汽車模具
    由高速切削機(jī)理可知：高速切削時，切削力大為減少，切削過程變得比較輕松，高速切削加工在切削高強(qiáng)度和高硬度材料方面具有較大優(yōu)勢，可以加工具有復(fù)雜型面、硬度比較高的汽車模具。

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，但是高速切削加工的機(jī)理和相關(guān)理論至今仍不完善，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(yàn)”法為主，在加工某一新型材料時，往往需要使用多種刀具進(jìn)行重復(fù)切削試驗(yàn)，研究分析刀具的磨損、破損方式及其原因，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，盲目性大，并且浪費(fèi)大量的人力、財力和資源。而針對特種材料如合金鑄鐵、高強(qiáng)度合金鋼、超級合金(如鈦合金)等材料的高速切削加工，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)，目前仍在研究和發(fā)展中。
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(xiàn)報道。這主要是因?yàn)楦咚偾邢骷庸ぜ夹g(shù)起步晚，目前可用于生產(chǎn)的實(shí)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。近年來，眾多模具企業(yè)相繼從美國、德國、法國、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(shí)踐中摸索汽車模具高速切削加工的工藝技術(shù)，取得了一些成功經(jīng)驗(yàn)。但是，一方面，引進(jìn)設(shè)備不等于引進(jìn)技術(shù)。高速切削尤其是大型汽車覆蓋件模具的高速切削方面，沒有成功的經(jīng)驗(yàn)可供借鑒，怎樣使引進(jìn)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；另一方面，技術(shù)人員在工作中邊學(xué)習(xí)邊應(yīng)用，摸索、積累了一定的高速切削加工實(shí)例、工藝參數(shù)和工作經(jīng)驗(yàn)，怎樣將這些寶貴的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)總結(jié)保存供其他技術(shù)人員借鑒、避免多走彎路也是一項難題。
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，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)，而且能夠存儲優(yōu)秀的高速切削加工實(shí)例和決策知識，因此這是能夠“自動增長知識”的數(shù)據(jù)庫；在數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，還需要對高速加工數(shù)控編程工作任務(wù)進(jìn)行有效管理。建立這樣一個針對模具公司獨(dú)特情況的數(shù)據(jù)庫，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出一般切削數(shù)據(jù)庫的范疇，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(jì)效益。

汽車模具高速切削工藝技術(shù)研究的內(nèi)容



  • 一、高速切削加工機(jī)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(jī)理方面還有很多內(nèi)容仍需要進(jìn)一步的研究和完善，主要表現(xiàn)在由于速度大幅提高，加工過程產(chǎn)生的切削力、切削熱、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。高速切削機(jī)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(jìn)行高速切削加工機(jī)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(rèn)識，并充分利用高速切削加工技術(shù)對汽車覆蓋件模具進(jìn)行高效高質(zhì)量的加工。

  • 二、高速切削加工參數(shù)的優(yōu)化
    實(shí)踐證明，在設(shè)備、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，并做到加工效率、刀具磨損和加工質(zhì)量的最佳組合。因此，在汽車覆蓋件模具高速切削加工方面進(jìn)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)。

  • 三、復(fù)雜模具曲面高速切削加工策略研究
    成功進(jìn)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。針對復(fù)雜模具曲面，需要進(jìn)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。

  • 四、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(jìn)行工藝規(guī)劃方面起著重要作用。為提高技術(shù)人員和操作人員的工作效率、促進(jìn)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。

汽車模具高速切削工藝技術(shù)研究的技術(shù)手段



  • 一、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(jì)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(jìn)步。金屬切削加工的有限元模擬考慮了材料屬性、刀具的幾何條件、切削加工參數(shù)(切削速度、進(jìn)給量、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。在試驗(yàn)輔助和驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，虛擬切削加工過程中刀具和零件相對運(yùn)動的作用過程，對切屑成形過程進(jìn)行動態(tài)物理仿真，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、應(yīng)變率和溫度等物理量的分布情況，預(yù)測零件的加工質(zhì)量和刀具磨損、破損等情況。進(jìn)而，通過對工藝參數(shù)的優(yōu)化，可以提高零件的加工質(zhì)量，有效減少刀具的磨損程度，減少采用傳統(tǒng)試湊法確定新工藝時所需的昂貴費(fèi)用和時間。另外，金屬切削加工模擬時，可以定義相關(guān)因素(加工參數(shù)、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。在確保零件加工質(zhì)量的前提下，通過改變切削參數(shù)提高材料的去除率，從而達(dá)到提高生產(chǎn)率的目的。
    汽車覆蓋件模具高速切削加工機(jī)理和加工參數(shù)優(yōu)化技術(shù)涉及材料科學(xué)、力學(xué)、金屬物理學(xué)、機(jī)械制造等多個學(xué)科，在數(shù)控加工領(lǐng)域一直難以解決�，F(xiàn)有的CAM軟件只能根據(jù)零件曲面特徵進(jìn)行數(shù)控編程，保證刀位軌跡不碰撞、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(biāo)上也是最優(yōu)的，往往造成產(chǎn)品精度低下，刀具磨損嚴(yán)重，所以對高速切削加工過程進(jìn)行最優(yōu)化分析是一項比較困難卻又相當(dāng)重要的課題。從上述切削加工有限元模擬技術(shù)概述來看，走數(shù)字模擬仿真和試驗(yàn)研究相結(jié)合之路，是解決該實(shí)際問題的有效措施。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(jī)理、提高切削加工質(zhì)量提供了新的、更加有效的分析方法。

  • 二、基于實(shí)例推理的高速切削加工數(shù)據(jù)庫構(gòu)建技術(shù)
    基于實(shí)例的推理(CBR—Case-Based Reasoning)起源于二十世紀(jì)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。簡單地說，就是利用以前類似問題的解決方案及知識來解決新問題�；趯�(shí)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，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(yàn)和成功解決的類似實(shí)例。這非常接近于人類專家解決問題的思路和方法。
    實(shí)際上，基于實(shí)例推理的技術(shù)是一種問題求解方法，可應(yīng)用于眾多的領(lǐng)域。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，但大多數(shù)情況下，則要注意到實(shí)際問題的具體情況。如選擇切削刀具時，刀具類型可很簡單地應(yīng)用規(guī)則來確定，但像刀具尺寸、幾何角度、刀片型號、尺寸、角度、加工參數(shù)等數(shù)據(jù)的確定，就很難用簡單有效的規(guī)則來確定。有時，使用某些已經(jīng)存在的規(guī)則甚至可能導(dǎo)致錯誤的結(jié)論。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，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)，而應(yīng)用基于實(shí)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，由于積累的經(jīng)驗(yàn)少，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、切削液的選用、機(jī)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(jī)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、零件及加工面類型對工藝方案的影響等問題，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(yàn)對推廣高速切削技術(shù)意義重大，因此如何收集和處理十分重要。而基于實(shí)例推理解決問題的方法正好可以利用上述經(jīng)驗(yàn)和加工實(shí)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)、經(jīng)驗(yàn)和規(guī)則的情況下，應(yīng)用基于實(shí)例推理技術(shù)解決問題的思想方法，可為建立高速切削數(shù)據(jù)庫、推廣高速切削加工技術(shù)，提供一條切實(shí)可行的途徑。






1
圖1 汽車模具高速切削工藝研究技術(shù)路線



1
圖2 在高速加工中心上進(jìn)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)的技術(shù)路線


以有限元模擬技術(shù)和基于實(shí)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)，以理論分析和試驗(yàn)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。其研究過程為：首先進(jìn)行材料力學(xué)性能試驗(yàn)，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建有限元模型，探討高速切削加工機(jī)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；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，采用實(shí)例推理方法建立高速切削數(shù)據(jù)庫；研究具有復(fù)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，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)，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(shí)際高速切削加工中進(jìn)行應(yīng)用。圖1為研究路線示意圖。

汽車模具高速切削工藝技術(shù)應(yīng)用實(shí)例


東風(fēng)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(jìn)的企業(yè)之一。從2000年開始，該公司組織技術(shù)人員進(jìn)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(shí)際，解決了一系列關(guān)鍵技術(shù)，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；高速加工設(shè)備的選購標(biāo)準(zhǔn)；高速加工機(jī)床的安裝與調(diào)試；高速切削刀具的使用；適合于高速切削加工的CAM軟件；“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。近兩年又與浙江大學(xué)、湖北汽車工業(yè)學(xué)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(fù)雜型面的高速精加工為主要研究對像，在引進(jìn)國外大型高速數(shù)控加工中心設(shè)備的基礎(chǔ)上，采用金屬切削有限元模擬和實(shí)驗(yàn)技術(shù)相結(jié)合，研究了模具常用材料的高速切削加工機(jī)理；采用基于實(shí)例推理方法建立了具有自學(xué)習(xí)功能的汽車模具高速切削數(shù)據(jù)庫；緊密結(jié)合UG CAM軟件功能，開發(fā)了刀軸傾角優(yōu)化工具，因而在汽車覆蓋件模具復(fù)雜型面“3+2軸”加工時，達(dá)到了汽車模具的高速度、高質(zhì)量、高可靠性的加工要求。經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果。

更多相關(guān)信息