高速銑削是汽車超高強鋼板熱壓成型模具加工發展方向

江蘇省宿遷市方圓機械有限公司 邱紹虎 陳愛武

總工程師邱紹虎

在汽車工業飛速發展的今天，新車型日新月異，經典車型歷久彌新。汽車模具作為汽車工業的基礎，生產過程中過早失效，必然會造成巨大的浪費。如何讓汽車模具在保證生產的前提下達到所預期的壽命是一個值得研究的問題。由于汽車超高強鋼板熱壓成型模具的輪廓尺寸大小不一、型面復雜，存在大量的溝槽、轉角、凸起和凹陷，尺寸精度和表面精度要求高。如果先加工后淬火會出現崩口及開裂，只有先整體淬火后加工才能避免此類現象的發生。如何加工汽車超高強鋼板熱壓成型模具便是一個難點，高速銑削在汽車超高強鋼板熱壓成型模具加工中必然是方向之一。

下面從汽車超高強鋼板熱壓成型模具材料的選擇、熱壓成型模具材料的淬火和熱壓成型模具材料的加工3個方面作一個簡單探討。

汽車超高強鋼板熱壓成型模具材料的選擇

模具的使用壽命，直接影響到制件成本，在進行汽車超高強鋼板熱壓成型模具設計時，必須根據不同的使用情況選用不同的材料，以保證模具的壽命。生產批量確定以后，在模具設計過程中，選擇材料時需要考慮的因素很多：比如材料的硬度、耐磨性、韌性（延展性）、尺寸穩定性、切削加工性、線切割加工性、堆焊性、拋光性、淬火性、熱硬性、耐沖擊性、切削及剪斷性能等。而在汽車超高強鋼板熱壓成型模具領域，開裂以及耐磨損方面更是極為重要的，要求很高。因此，強度、耐磨性和韌性極限對模具壽命起到了關鍵的作用，也是選用模具材料主要考慮的因素之一。模具材料多為Cr12MoV和5CrMnMo等模具鋼（硬度為55～65HRC），屬于高強度、高硬度材料。而且多數采用鑲塊式淬硬鋼拼接后整體銑削加工而成，其加工區域存在大比例的非均勻性高硬度表面（硬度為55～65HRC）。

汽車超高強鋼板熱壓成型模具材料的淬火

汽車超高強鋼板熱壓成型模具的耐磨性直接影響模具壽命，因此對模具凸凹模等工作部分進行淬火，會提高其硬度、耐磨性，從而可以直接延長模具壽命。經過淬火等熱處理的材料具有更均勻、致密的金屬組織，強度、韌性均得到提高，具有更好的綜合力學性能。同時，在進行這些處理后的工件也會有不同程度的變形。設計者在設計需要整體淬火鑲塊時，應考慮材質的淬透性及淬火后加工、刀具磨損、鑲塊變形、加工量、模具加工周期、數控及鉗工工人的工作量等多方面因素。

汽車超高強鋼板熱壓成型模具材料的加工

國內汽車模具企業通常采用兩種方法加工淬硬鋼模具：一種是大多數企業采用的傳統的磨削加工；另一種是少數企業采用的高速硬態銑削加工，相比于傳統的磨削加工而言，高速硬態銑削加工具有加工柔性好、無污染及生產效率較高等優點，所以汽車淬硬鋼模具高速硬態銑削加工必將成為我國汽車超高強鋼板熱壓成型模具制造業重點研究和發展的關鍵技術之一。對研究汽車超高強鋼板熱壓成型模具的制造水平和推動汽車模具行業的發展具有重要的現實意義。下面主要從高速切削力因素、高速切削方法優化及高速切削刀具材料選擇3個方面作一個簡單探討。

1.影響硬態切削力的因素

主要包括切削速度、切削深度、進給量、后刀面磨損量及工件硬度等因素。

大量的試驗研究表明：隨著切削速度的提高，切削力增加。當切削速度超過某一特定值后，切削力減小。高速銑削淬硬鋼，軸向力（Z軸）遠遠高于其他兩個分力，為主切削力。刀具磨損及刃形對切削力影響大，隨著刀具磨損的加劇，切削力分量都增加，研磨的刀刃比倒棱的刀刃產生的切削力更大一些，軸向切削深度增加，切削力增加。

2.高速銑削淬硬鋼模具工藝參數優化

由于高速切削與傳統的切削機理不同，目前高速銑削淬硬鋼模具不能簡單地沿用常規銑削相關理論和概念。因此，國內外一些學者對高速銑削淬硬鋼模具工藝參數進行優化研究，采取的方法主要有：用試驗優化的方法、試驗優化與算法優化組合的方法，它們主要是以切削速度、進給量及切削深度等主要切削參數為設計變量，設定優化目標，在高速銑削試驗的基礎上，采用優化算法建立仿真模型，找到切削參數的最佳搭配。常用的試驗方法為正交試驗，優化算法應用較多的為遺傳算法、粒子群算法、蟻群算法等，并與人工智能方法相結合，在高速切削工藝參數優化的研究中取得了一定效果。

3.高速切削刀具材料選擇

由于汽車超高強鋼板熱壓成型模具的輪廓尺寸大小不一、型面復雜，存在大量的溝槽、轉角、凸起和凹陷等，為了保證淬硬鋼模具的表面質量，一道工序通常要求同一把刀完成，所以要求刀具硬度高、耐熱性和化學穩定性好，具有良好的抗沖擊、耐磨損等特性。刀具材料主要選擇涂層硬質合金、PCBN及陶瓷等，其中陶瓷刀具主要特點是抗粘結能力比硬質合金強，PCBN的主要特點是硬度高、耐磨性和耐熱性好，在淬硬鋼模具的銑削加工中，PCBN的相對性能較好。

在倡導低碳環保的當今社會，合理選擇模具材料、對模具材料進行正確熱處理、運用高速銑削方法對模具材料進行加工、使模具壽命達到甚至超過預期壽命以及減少浪費是大勢所趨，也是模具設計中重要的一個環節，必然會被廣大模具制造企業和應用企業所重視，從而廣泛地運用于汽車超高強鋼板熱壓成型模具的高速銑削加工之中。