高速切削加工技術在汽車覆蓋件模具制造中的應用

四川省宜賓普什模具有限公司 (644007) 郭宏軍 陳 平 楊 玻

數控加工技術是汽車覆蓋件模具制造技術中的一項關鍵技術，由于汽車覆蓋件結構尺寸大，形狀復雜、表面質量要求高，因此，數控加工技術水平的高低直接影響到汽車覆蓋件模具的加工質量，進而影響到零件的表面質量。近年來，以高速、高精度加工為主要特征的高速切削加工技術發展十分迅猛，已成為先進制造業的關鍵技術之一。隨著科學技術的發展，高速切削加工技術在汽車覆蓋件模具制造中逐漸開始得以應用。

1.高速切削加工與傳統加工相比的優點

汽車覆蓋件模具具有結構尺寸大、形狀復雜、表面質量要求高等特點，傳統的汽車覆蓋件模具加工方式不僅效率低，模具表面加工質量也不好，導致最后鉗工手工研配的周期比較長。在汽車覆蓋件模具制造中，采用高速切削加工與傳統的加工方式相比的優點:①生產效率高。②工件變形小。③加工精度高。④刀具壽命高。故此，現在高速切削加工技術已在汽車覆蓋件模具制造業得到越來越廣泛的應用。

2.汽車覆蓋件模具高速切削加工技術對機床的要求

由于汽車覆蓋件模具具有結構尺寸大、形狀復雜、表面質量要求高的特點，結合高速切削加工技術的特性，如果要使汽車覆蓋件模具在高速切削加工中獲得良好的應用效果，使用高速切削機床是最基本的條件之一。

(1)高速機床控制系統 在高速切削加工中，由于切削速度高，機床應具備預處理能力 (Look-ahead)的CNC控制系統，并且要求具有大容量內存和ETH-ERNET通信等技術。NURBS曲線插補為復雜的模具曲面提供了短程序段和光滑插補的解決方案，數字驅動克服了模擬控制微量的時間滯后問題，高分辨率反饋技術是高精度加工的保障。

(2)高速機床轉速高、功率大 高速切削機床的主軸是核心部件，它決定著高速切削加工中所能達到的切削速度、加工精度、零件的加工品質和應用范圍。目前，高速切削加工機床的主軸轉速通常都大于10000r/min，20000～80000r/min的主軸轉速也已在高速切削加工中應用。由于汽車覆蓋件模具形狀復雜，在加工型腔時刀具懸伸較長，因此要求主軸功率要大，否則將無法滿足加工需求，一般主軸功率要求在十幾到幾十千瓦以上。

(3)高速機床直線運動的高加速度 高速切削加工中，根據高速切削的特性，在高動態的進給驅動速度下，從主軸啟動到加速通常只有1～2s的時間，工作臺 (龍門橫梁)的加、減速度為1～5s，以此保證汽車覆蓋件模具型面中的小圓角半徑曲面的高速加工。

對于一些結構尺寸大、形狀復雜的汽車覆蓋件模具型面，還可以采用高速五坐標聯動加工，如RAMBAUDI公司的 RAM—speed—H45 PLUS型高速加工中心 (見圖1)，該機床主要參數如下:

加工范圍為4500mm×2700mm×1500mm;定位精度為 X軸 0.025mm、Y軸 0.020mm、Z軸0.015mm，A/C軸 P≤12″;重復精度為 X軸0.010mm、Y軸0.010mm、Z軸0.010mm，A/C軸 P≤8″;主軸功率為30kW，主軸轉速24000r/min;主軸用氮化硅 (Si3N4)陶瓷球軸承，配以油—氣潤滑;刀庫容量為30把;立柱釆用龍門式框架結構，剛度高，特別適合大型汽車覆蓋件模具的高速切削加工。

圖1 RAMBAUDI公司的RAM—Speed—H45 PLUS型高速加工中心

3.汽車覆蓋件模具高速切削刀具的選擇及切削參數優化

(1)汽車覆蓋件模具高速切削加工對刀具的要求 在高速切削加工過程中，由于切削速度高，并且汽車覆蓋件模具型面關鍵部位進行了熱處理或直接采用整體淬火鋼，硬度較高，因此，在高速切削中刀具和切屑之間的溫度很高，既有熱的性質，又有化學特性，這就要求刀具材質具備高硬度、高強度、耐磨性好、抗沖擊性能強和熱穩定性的特性。汽車覆蓋件模具高速切削刀具主要根據汽車覆蓋件模具的材質、幾何形狀、機床結構和切削參數等進行選擇。

汽車覆蓋件模具高速切削加工的刀具類型按材料分為高速鋼刀具、硬質合金刀具、表面涂層刀具等。在汽車外板件模具型面的高速切削加工中，為保證外板件模具型面的高精度要求，減少型面精加工過程中產生的接刀差，精加工過程中應盡量采用一顆刀片加工完成。在我公司承制的某車型頂蓋外板模具精加工中，我們采用鏡面球刀進行加工，刀片選用的是合金PVD涂層刀片，保證了該模具型面的高精度要求，如圖2所示。

汽車覆蓋件模具高速切削加工中，由于其幾何形狀的復雜性，如果刀具的裝夾不合理，在加工中就有可能出現掉刀 (拉刀)現象，從而影響到加工質量和效率。一般高速切削加工的刀具采用HSK空心刀柄裝夾，以確保刀具高速運轉下的安全和軸向的加工精度。隨著汽車覆蓋件模具制造向高速、高精度發展，現在已逐漸使用熱脹式刀柄裝夾刀具，這種裝夾方式使刀具在高速切削加工中精度更高、剛性更好、傳遞轉矩也更高，保證了加工中刀具的動平衡和刀具壽命。

圖2 某車型的機罩外板加工完成圖

在加工冷卻方面，高速切削加工通常采用噴氣冷卻和油霧冷卻，油霧冷卻是目前高速切削加工較為理想的冷卻方式之一。

(2)汽車覆蓋件模具高速切削加工參數的優化傳統的汽車覆蓋件模具加工方式一般采用φ50mm球刀、留量1mm進行粗加工，然后用φ30mm球刀、留量0.5mm進行半精加工，最后采用 φ30mm或φ25mm球刀完成精加工。

汽車覆蓋件模具采用高速切削加工的方式和傳統的加工方式有很大不同，現以我公司承制的某車型后車門內板 (見圖3)模具為例，對高速切削加工進行論述。在粗加工中主要是去除大余量，為了更有效地提高效率，采用φ63R8圓刀片進行加工，然后用φ40mm、φ30mm和φ25mm的球刀進行預清根;在半精加工中用φ30mm球刀進行加工，然后用φ25mm球刀進行預清根;最后，在精加工中采用φ30mm或φ25mm球刀進行加工，型腔、轉角部位采用小直徑球刀清根完成，具體切削參數如表1所示。

圖3 某車型的后車門內板模型

表1 高速加工切削參數

4.汽車覆蓋件模具高速切削加工技術的工藝及程序設計

(1)汽車覆蓋件模具高速切削加工工藝方案的設計 汽車覆蓋件模具高速切削加工，主要分為粗加工、半精加工和精加工工序。

粗加工主要是為了去除大余量，先采用φ50mm球刀進行余量檢測，然后根據檢測的余量情況選用φ63R8盤刀進行大余量去除。在加工中，因為切入和切出時刀具承受的負載變化大，刀片容易崩，所以，使用φ63R8盤刀開粗時采用等高層切的方式加工，采用圓弧方式切入切出，有效地避免了直線轉接，保證了切削加工的平穩性。型腔、轉角部位采用小直徑球刀進行預清根。

半精加工中通常采用φ30mm球刀進行仿形銑，保證在后序加工中余量分布均勻。精加工中，先采用φ30mm球刀進行加工，型腔、轉角采用小直徑球刀最后清根完成。根據機床結構、刀具參數和模具型面的復雜程度，半精加工和精加工工序可以分為平坦區域和陡峭區域，或多個區域，平坦區域主要采用三維偏置加工，陡峭區域采用等高加工。由于汽車覆蓋件模具高速切削中刀具隨型面曲率的變化而變化，為有效地實現高速切削，程序加工的刀具軌跡必須連續，同時切入和切出過程要保證切削的平穩性。

(2)汽車覆蓋件模具高速切削加工程序的設計高速切削加工中，由于切削速度高，機床的數據處理和預處理功能 (要求具有大容量緩沖寄存器，可預先閱讀和檢查多個程序段，以便在被加工表面形狀發生變化時，可以及時采取改變進給速度等措施以避免過切)是高速數據處理的依據，但是在實際數控加工中，機床主軸 (或工作臺等運動部件)的慣性是一個不能忽略的客觀要素。為避免在高速加工過程中機床主軸 (或工作臺等運動部件)的慣性對汽車覆蓋件模具型面的影響，需要我們在設計程序的工藝方案時加以考慮，并對加工程序的刀具運動軌跡進行重新設計。

刀具軌跡連接的設計:在汽車覆蓋件模具高速切削加工中，為了更好地實現高速切削，保證型面加工的連續性，刀具軌跡應盡可能采用圓滑連接，具體如圖4所示。

圖4 刀具軌跡圓滑連接

高速切削加工中切入和切出的設計:在汽車覆蓋件模具高速切削加工中，刀具軌跡切入和切出的設計不僅直接影響到最終的加工質量，而且影響高速加工的平穩性，所以，切入和切出應盡可能的采用圓弧或傾斜式，避免垂直切入和切出，并且切入和切出的連接不能直接在零件上。如圖5所示，由于切入和切出采用直接在零件上連接，造成零件邊緣不光滑，在零件邊緣產生了微小的鋸齒，從而影響零件加工的品質。因此，為提高汽車覆蓋件模具在高速加工中的品質，切入和切出需選擇圓弧或傾斜式，如圖6所示。

圖5 加工中切入和切出采用在零件上連接

圖6 加工中采用圓弧切入和切出

高速切削加工轉角的設計:在汽車覆蓋件模具高速切削加工中，由于切削速度高，進給快，如果對零件的轉角不重新進行設計，加工的零件精度就會降低，如圖7所示。因此，轉角的設計至關重要，具體設計如圖8所示。

圖7 加工中采用圓弧切入和切出

圖8 高速加工轉角減速處理

高速切削加工點銑的設計:在汽車覆蓋件模具高速切削加工中，型面主要是采用球刀進行仿形銑加工。一般采用三軸機床加工時，刀具在切削中刀尖的切削速度為零，型面的加工質量也不理想，刀片或整體式刀具易磨損，同時切削速度也會受到影響，如圖9所示。如果傾斜主軸10°，使切削區域遠離刀具中心，這樣會獲得較高的切削速度，刀片或整體式刀具的磨損得到改善，表面質量也會提高，從而實現最佳高速切削狀態，如圖10所示。

圖9 點銑法加工時刀具切削速度

圖10 點銑設置

5.結語

高速切削加工技術已成為現代制造加工技術的關鍵技術之一，有著非常廣闊的應用前景。在汽車覆蓋件模具制造中，大力推廣高速切削加工技術對我國模具制造業的發展有著重要的意義。本文通過對汽車覆蓋件模具高速切削加工技術對機床的要求、刀具的選用及其切削參數的優化、加工工藝及程序的設計等方面的研究，為汽車覆蓋件模具的高速切削加工建立了一整套技術方案，該方案經在我公司汽車覆蓋件模具制造中實踐應用，取得了理想的模具型面品質效果。