汽車覆蓋件用淬硬鋼模具銑削加工的研究進展
2019-5-24 來源：哈爾濱理工大學機械動力工程學院 作者：劉獻禮 姜彥翠 吳石 李茂月 岳彩旭等
摘要：作為汽車產(chǎn)銷量第一大國，我國的汽車模具加工能力遠遠不能適應汽車更新?lián)Q型的需要，中高檔轎車關鍵覆蓋件模具銑削加工質量還達不到設計要求。通過汽車大型覆蓋件淬硬鋼模具的銑削加工特征和難點的分析可知，銑削過程建模與仿真分析、加工工藝系統(tǒng)動力學特性和銑削穩(wěn)定性分析、汽車覆蓋件淬硬鋼模具銑削加工用刀具研制、自由曲面數(shù)控編程技術及工藝規(guī)劃是汽車模具高精度銑削加工的研究重點，總結歸納這幾個方面的研究現(xiàn)狀，同時探討汽車覆蓋件淬硬鋼模具銑削加工仍有待于進一步解決的問題，為其后續(xù)研究方向提出一些建議。
關鍵詞：汽車覆蓋件模具；淬硬鋼模具；數(shù)控銑削加工；動力學特性；刀具
0 前言
隨著我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展，各大汽車制造廠商為了爭奪市場，適應購買者對汽車使用性能及造型個性化等方面的需求，不斷進行新舊車型的更新?lián)Q代，改型車和新型車的最主要的標志就是車身外形必須改換，汽車的覆蓋件模具要重新設計制造。圖 1 為汽車車身覆蓋件拆解，一輛轎車汽車覆蓋件數(shù)量高達數(shù)十件甚至百件以上，每件覆蓋件均由其成配套模具沖壓成形，這些配套模具的設計和制造時間嚴重制約汽車換改型的周期。可見，新舊車型的快速升級換代，對汽車覆蓋件模具產(chǎn)生了巨大需求。
圖 1 汽車覆蓋件零件分解
為提高汽車大型覆蓋件淬硬鋼模具的生產(chǎn)效率，銑削加工技術在國內汽車模具制造企業(yè)中得到程度不同的應用。對比傳統(tǒng)的磨削加工工藝，銑削加工可以獲得理想表面質量，同時具有加工柔性好、無污染等特點。國內汽車覆蓋件模具加工時，一般在模具切削加工工序之后還要花大量工時進行人工磨拋，其時間一般需要 3 周以上，模具最終尺寸精度和表面質量靠大量的鉗工修磨研配來保證，因此，生產(chǎn)效率極低。而且目前中高檔轎車的外覆蓋件模具，國內汽車模具生產(chǎn)廠家還沒有生產(chǎn)能力。因此，開展中高檔汽車覆蓋件模具的高效高精度銑削加工技術對提高模具制造水平和促進汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的支撐作用。
1 、汽車覆蓋件模具特征和加工難點
汽車大型覆蓋件模具是生產(chǎn)汽車車身的大型關鍵工藝裝備，其主要特征如圖 2 所示。
圖 2 汽車覆蓋件模具的加工特征
(1) 工件材料屬于典型高硬度、高強度材料。模具材料多為7Cr Si Mn Mo V和Cr12Mo V
等模具鋼，淬火后硬度達到 HRC45～65。
(2) 型面特征復雜。存在凹曲面、凸曲面、傾斜面、陡立面、拐角、溝槽等特征型面，且為保證凸凹模的合模精度對模具型面加工精度和表面加工質量要求高。
(3) 輪廓尺寸大。其尺寸范圍 (0.5 ～ 2.5)m ×(1.5～3.5m，加工型面面積大，切削路徑長，數(shù)控加工設備各運動軸行程范圍大。
(4) 多硬度材料拼接結構。為滿足大型沖壓模具的加工精確度，提高加工效率，大型模具一般釆用多個分塊模具拼接而成，或根據(jù)模具不同位置所受應力的特征，采用鑲塊式淬硬鋼與模具本體拼接而成。在制作分塊模具和淬硬鋼鑲塊時首先單獨進行粗加工和半精加工，然后再拼接成整體模具后進行精銑加工。多硬度拼接淬硬鋼材料硬度相差高達ΔHRC5-ΔHRC20。
(5) 加工精度和表面加工質量要求高。為保證覆蓋件的光順性，要求凸凹模具有較高的合模精度，因此凸凹模具各自銑削加工時對加工精度和表面加工質量有很高的要求。若模具上有一處型面輪廓精度達不到要求或存在表面加工缺陷，會導致沖壓件出現(xiàn)褶皺、凹陷等缺陷，則整套凸凹模具均不能再使用。
國內汽車模具生產(chǎn)企業(yè)的一般加工流程如圖 3所示，模具最終表面加工質量和型面精度要靠鉗工大量的打磨研合來保證，工件淬火后的加工精度直接影響后期拋光研磨的工作量。目前對于型面特征復雜而表面加工質量和型面位置精度要求不高的汽車內覆蓋件模具的加工技術問題已經(jīng)基本解決了，然而在加工精度要求高的汽車外覆蓋件模具制造方面，仍普遍存在著生產(chǎn)效率較低、刀具使用壽命不足、已加工表面質量差等突出問題，導致模具整體合模精度低，覆蓋件沖壓成品光順性較差。嚴重影響汽車模具成形精度、使用壽命和生產(chǎn)效率。
圖 3 汽車模具生產(chǎn)企業(yè)的一般加工流程
汽車大型覆蓋件模具銑削加工中的難點。
(1) 汽車模具銑削條件惡劣，出現(xiàn)型面誤差和表面加工缺陷。淬火后高硬度材料銑削時刀具切入困難，與工件之間出現(xiàn)滑擦現(xiàn)象；型面加工特征多變及多硬度拼接特征銑削載荷變化頻繁，易引起刀具變形、振動、磨損、破損；材料拼接處由硬度差導致的加工輪廓不一致。這些現(xiàn)象導致型面誤差和表面加工缺陷。
(2) 汽車模具銑削過程易產(chǎn)生顫振。汽車模具銑削過程動態(tài)銑削力大，且加工工藝系統(tǒng)動態(tài)性能了解不清，無法有效的控制顫振，導致加工表面惡化。一些企業(yè)為了避免切削顫振發(fā)生，通常以犧牲加工效率為代價，選擇保守的切削參數(shù)，導致數(shù)控加工設備性能得不到充分發(fā)揮。
(3) 刀具性能不滿足銑削要求。為保證模具型面的完整性及覆蓋件成形質量，精加工時要求刀具遍歷整個汽車模具加工表面，中間過程不能換刀，刀具使用壽命需要達到 4～12 h；不同硬度工件材料拼接過渡處銑削載荷突變，導致刀具的磨損破損程度加劇，故汽車模具銑削加工對刀具性能提出了更高要求。
(4) 汽車模具復雜型面數(shù)控編程及刀具路徑規(guī)劃不合理。對有效加工帶寬及加工行距的確定不合理，增加模具拋光、打磨等工序的任務量；模具型面變曲率特征、拐角特征等易產(chǎn)生刀具局部干涉；無法有效地根據(jù)特定的加工曲面和加工條件進行刀具路徑的規(guī)劃，導致刀具失效過快，且加工效率低下。
綜上所述，通過汽車覆蓋件模具加工中的難點分析，高效高精度銑削加工汽車覆蓋件模具需要在淬硬鋼模具銑削過程建模與分析、加工工藝系統(tǒng)動力學特性與銑削穩(wěn)定性分析、汽車覆蓋件淬硬鋼模具銑削加工用刀具研制、模具復雜曲面數(shù)控編程技術及工藝規(guī)劃研究等方面進行系統(tǒng)深入的研究，如圖 4 所示，本文針對這幾方面的研究現(xiàn)狀進行歸納和總結。
圖 4 汽車覆蓋件模具加工過程分析
2 、淬硬鋼模具銑削過程建模與分析
國內外學者對淬硬鋼銑削過程機理主要通過理論建模與仿真、基于有限元技術的建模與仿真以及試驗方法分析等基本方法進行深入研究，如圖 5所示。一般在研究過程中常常把兩種及兩種以上的基本方法相結合，完成淬硬鋼銑削過程機理的分析、銑削結果的預測以及銑削條件的優(yōu)化和銑削過程的控制。
圖 5 淬硬鋼銑削過程建模與分析方法
2.1 淬硬鋼模具銑削的理論建模
淬硬鋼模具銑削理論建模與仿真分析的過程是在對淬硬鋼模具銑削過程機理深入認知的基礎之上，對銑削過程的物理本質解析，建立銑削過程物理量與銑削條件之間的物理關系。銑削過程理論建模一般要以試驗分析為基礎，理論公式中的參量通過試驗來確定。
2.1.1 球頭刀銑削力建模
汽車覆蓋件淬硬鋼模具銑削過程中產(chǎn)生較大銑削力，直接影響模具的切削加工性、刀具磨損、刀具變形、機床振動、加工精度及表面完整性等。目前，汽車模具的銑削加工多采用球頭銑刀，而球頭銑刀銑削力模型應用最普遍的是由 LEE 和ALTINTAS 建立的球頭銑刀瞬時剛性力模型。其主要思想是將切削刃離散為切削刃微元，將微元銑削力表達成切削面積和切削刃接觸長度的函數(shù)，如圖 6 所示。
圖 6 球頭銑刀銑削力建模
汽車模具復雜曲面銑削加工中，刀具的銑削狀態(tài)一般是不斷變化的，變銑削狀態(tài)主要包括刀具進給方向的變化和刀具-工件切觸區(qū)域的變化。而刀具銑削狀態(tài)變化在銑削力模型中主要通過未變形切屑厚度體現(xiàn)出來，進給方向變化通過對未變形切屑厚度計算模型的影響體現(xiàn)出來，刀具與工件切觸區(qū)域的變化用以界定未變形切屑厚度計算模型的有效范圍。球頭刀銑削曲面的銑削力建模需要解決的關鍵問題有：球頭刀刃線幾何模型、刀具-工件接觸區(qū)域確定、瞬時未變形切屑厚度計算、銑削力系數(shù)識別、銑削力在各坐標系間的轉換、被加工表面類型。SUBRAHMANYAM 等建立球頭銑刀銑削加工傾斜面工件時銑削力模型。KIM 等提出了一種基于Z-Map 模型的確定刀具-工件切觸區(qū)域的方法，并由此建立銑削力模型。魏兆成等建立銑削力模型時考慮球頭銑刀三維曲面加工進給方向任意變化。曹清園等研究了考慮工件型面曲率半徑和刀具變形的球頭銑刀銑削自由曲面銑削力建模。HAO等提出一種銑削復雜曲面的銑削力預測方法，考慮了刀具跳動的影響。GENG 等在建立球頭銑刀銑削力模型時采用離散方法求得刀具-工件接觸區(qū)域。JU等針對刀具工件接觸區(qū)域的求解提出一種新方法。
2.1.2 球頭刀銑削表面形貌建模
為保證汽車沖壓鈑金件的光順性，要求汽車覆蓋件模具具有較高的表面加工質量，而在以往的研究中學者們一向重視對于表面粗糙度和表面形貌的研究。從理論研究的角度，球頭刀銑削表面形貌建模方法主要分為兩類。一類是幾何實體建模法，建立刀具和工件的 CAD 幾何實體并離散，通過布爾操作運算獲得工件表面形貌模型。IMANI 等使用B-Rep 建立工件實體建模和刀具運動學掃掠體模型，通過刀具掃掠體與工件求交建立球頭刀三軸銑削的工件表面形貌模型。
YIP-HOI等基于實體模型研究了刀具工件接觸特征，進而進行表面形貌的仿真。另一類是 Z-Map 法，將工件模型在 XOY 坐標內離散成大量分布均勻的 xy 網(wǎng)格節(jié)點，并求得每個網(wǎng)格節(jié)點對應 z 坐標的法向殘余高度值，這些網(wǎng)格節(jié)點就組成工件的數(shù)字化模型，用以表述已加工表面。ANTONIADIS 等研究了球頭銑刀加工復雜曲面時工件表面形貌的形成規(guī)律。BOUZAKIS 等基于工件網(wǎng)格劃分采用一組平行參考面與刀刃求交，建立了四軸球頭銑削表面形貌模型。OMAR等用 Z-Map 法構造了工件表面輪廓模型，該模型考慮了刀具跳動、刀具偏轉、動力學特性和后刀面磨損等因素。文獻考慮刀軸傾角建立了球頭銑刀銑削模具鋼的表面形貌仿真模型，分析認為刀軸傾角 15°時表面殘留高度最小。ZHANG 等針對復雜曲面多軸銑削加工提出一種表面形貌模型仿真方法，分析了刀具磨損和刀具姿態(tài)對表面形貌的影響。還有 FANG 等提出一種基于離散點云的三維表面形貌仿真模型，由球頭銑刀幾何模型和運動方程，形成切削刃點云并進行數(shù)值計算處理，生成三維表面形貌用離散點云數(shù)據(jù)，如圖 7 所示。
圖 7 基于點云的表面形貌模擬
2.2 淬硬鋼模具銑削過程的有限元模擬
淬硬鋼模具銑削機理的有限元模擬研究中主要關注分析預測銑削力、銑削溫度場、切屑形成與流出、刀具磨損、加工變形、表面殘余應力和加工過程中微觀結構變化等方面，圖 8 為汽車模具有限元數(shù)值模擬實施方案。OZEL 等運用有限元法研究了未涂層硬質合金刀具高速銑削模具鋼過程中的切削力、刀具應力和溫度場分布。文獻利用有限元仿真得知高速銑削淬硬模具鋼時切削速度為300 m/min 形成鋸齒切屑。文獻基于優(yōu)化理論對ABAQUS 進行二次開發(fā)，建立正交切削的參數(shù)化模型，避免傳統(tǒng)有限元模擬切削過程中切削參數(shù)變化則邊界條件就要重新設置而不易獲得最佳切削參數(shù)的問題。
圖 8 汽車模具銑削仿真過程
絕大多數(shù)的淬硬鋼銑削過程有限元數(shù)值模擬仿真都是平面或斜面銑削加工，對于凸凹曲面及拐角等特征型面的研究較少，其主要難度體現(xiàn)在凸凹曲面及拐角等型面特征的銑削過程刀具運動軌跡非直線，刀刃與工件的接觸區(qū)域不斷變化，運動軌跡加載難度較大；凸凹曲面及拐角等型面特征的銑削過程的模擬仿真過程計算量大，不易收斂。圖 9、圖 10 分別為凸曲面銑削過程有限元數(shù)值模擬和為拐角銑削過程有限元數(shù)值模擬。
圖 9 凸曲面銑削有限元仿真
圖 10 拐角銑削有限元仿真
對于汽車模具硬度拼接處銑削過程進行有限元數(shù)值模擬仿真，已有部分學者進行研究，文東輝等利用有限元軟件模擬了多硬度拼接淬硬鋼球頭銑削加工過程，多硬度拼接淬硬鋼工件模型如圖11a 所示，分析了銑削力和銑削溫度的分布，其分析結果如圖 11b、11c 所示。
圖 11 多硬度拼接淬硬鋼銑削力和銑削溫度
2.3 淬硬鋼模具銑削機理的試驗分析
淬硬鋼模具銑削機理的試驗分析的過程主要是通過試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析或結合神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法及模糊理論方法等人工智能算法獲得刀具參數(shù)、切削參數(shù)、銑削條件等對銑削過程物理量的影響，進而建立優(yōu)化工藝參數(shù)的模型。張義平等針對淬硬鋼 Cr12Mo V 進行了高速銑削研究，結果分析了銑削方式、刀具螺旋角以及潤滑方式對刀具磨損、表面粗糙度、銑削力的影響。龐俊忠等通過高速銑削試驗，研究了 Ti Al N 涂層整體立銑刀銑削淬硬鋼時在不同切削速度的切屑形態(tài)和銑削力變化規(guī)律進行復雜曲面模具鋼銑削試驗，結果表明 PCBN 鑲片刀具在不同冷卻條件下均表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性。基于切削區(qū)域球頭銑刀刀尖磨損測量值建立了球頭銑刀刀具磨損模型。
針對汽車覆蓋件模具凸曲面精加工切入困難的問題，通過銑削試驗方法確定最小切削厚度，在此基礎上建立考慮刀具變形的汽車模具凸曲面精加工極限切削深度預測模型。王揚渝等通過對 Cr12Mo V 淬硬鋼單硬度和多硬度拼接進行平面銑削試驗，得出振動信號的頻譜由基波及其諧波組成，在硬度拼接縫處，振動信號峰值出現(xiàn)階躍。LIN 等針對模具不同曲率凹曲面進行銑削試驗，通過神經(jīng)網(wǎng)建立表面粗糙度的預測模型并通過模擬退火的優(yōu)化算法選擇最優(yōu)銑削用量。文獻在四因素正交試驗的基礎上分析了銑削參數(shù)對銑削力和表面粗糙度的影響規(guī)律，并建立銑削力和表面粗糙度的經(jīng)驗模型。文獻模具鋼傾斜表面銑削加工試驗分析了不同刀具切削路徑的表面粗糙度。陳曉曉通過試驗方法分析了多軸高速銑削切削參數(shù)、刀具姿態(tài)對于工件表面幾何特征、表面殘余應力、表面硬度及表面層顯微組織的影響規(guī)律。
以上研究大多數(shù)是針對淬硬鋼模具銑削過程機理的研究，而針對汽車覆蓋件模具的銑削加工特殊性和加工中的問題，如汽車模具精加工刀具失效形式多為崩刃，不同硬度拼接過渡區(qū)存在凸起缺陷，凹形拐角處刀具磨損情況嚴重，陡立面、凹形拐角和模具刃口等難加工處的加工缺陷等問題，仍有待于進一步解決。因此，還需要通過理論建模分析、有限元數(shù)值模擬和試驗方法，進一步研究汽車模具復雜型面硬態(tài)銑削過程切削層參數(shù)變化機制、銑削力、銑削溫度、切入切出情況、刀具磨損破損、輪廓精度及表面完整性等基礎問題，揭示汽車模具復雜型面硬態(tài)銑削過程的特殊規(guī)律和現(xiàn)象；深入研究多硬度拼接過縫處的銑削加工特性，即銑削力階躍值、銑削溫度、輪廓精度及表面加工質量等隨工件材料硬度差、刀具材料和刀具幾何參數(shù)、切削參數(shù)及加工策略的變化規(guī)律。
3 、工藝系統(tǒng)動力學特性和銑削穩(wěn)定性
汽車覆蓋件淬硬鋼模具銑削加工過程中動態(tài)銑削力大，易出現(xiàn)顫振，在陡立面、拐角等特殊型面銑削時顫振最為嚴重，這是導致模具表面品質惡化的主要原因之一，顫振既與機床-刀具加工工藝系統(tǒng)剛度特性有關，還與銑削加工過程的動態(tài)特性有著密切聯(lián)系，其發(fā)生機理、變化規(guī)律、控制方法一直是學者們關注和研究重要課題。有效控制銑削顫振需明確機床-刀-刀具系統(tǒng)動力學特性，合理設定加工工藝參數(shù)。
3.1 加工工藝系統(tǒng)剛度場研究
汽車覆蓋件模具輪廓尺寸大，其數(shù)控加工設備各運動軸行程范圍較大，當機床處于不同加工位置工況時機床的結構特征發(fā)生變化，從而將引起加工工藝系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)的變化，導致工藝系統(tǒng)的切削穩(wěn)定性改變。近年來對于機床加工空間內的剛度場研究逐漸引起學者們的重視，按照理論方法大致可以分為兩大體系。一種分析方法是基于模態(tài)綜合分析法，將機床加工空間離散為幾個加工位置工況，如圖 12 所示，分別分析不同加工位置工況下的機床動動態(tài)特性，形成與加工位置相關的動剛度場。劉海濤等提出機床廣義加工空間和廣義剛度場的概念，如式(1)所示，并建立機床的有限元模型，分析了機床在加工空間內的動剛度隨位置工況及激勵頻率的變化趨勢。
LAW 等利用模態(tài)綜合法建立機床結構降階有限元模型，縮減模型自由度，分析主軸箱不同加工位置的刀尖點動態(tài)特性變化。孫永平等建立了立式鏜銑機床靜剛度預測實體模型，研究了機床剛度隨工作空間變化規(guī)律。王磊等采用集中參數(shù)法建立軸間耦合下三軸聯(lián)動機床系統(tǒng)的動力學模型，對系統(tǒng)固有頻率和頻響函數(shù)相對于位置參數(shù)的變化進行分析。LUO 等使用質量變化方法預測由不同位置機床結構變化而產(chǎn)生的固有頻率變化的基本數(shù)學模型。
式中，x，y，z 是刀具點的空間相對位置，即各軸的相對位移量；ω 是激振力的激振頻率；c 是激振力的方向；e 是拾振的方向。
另一種分析方法是基于多體動力學理論建立加工系統(tǒng)剛度場。該方法由閆蓉、彭芳瑜等提出，針對七軸五復合機床和五軸聯(lián)動機床建立了綜合閉鏈剛度場模型，通過引入三維力橢球進行了系統(tǒng)綜合剛度性能的分析，如圖 13 所示。基于該方法建立汽車模具加工系統(tǒng)綜合剛度場建模，既考慮模具加工系統(tǒng)在加工過程中的綜合剛度性能，同時考慮不同型面特征汽車模具的剛度性能，建立多軸聯(lián)動機床-刀具-復雜曲面模具系統(tǒng)綜合剛度場模型，以此優(yōu)化刀具位姿和刀具切削路徑。
圖 13 考慮切削平面的力橢球
3.2 銑削過程穩(wěn)定性預測與分析
很多學者認為自激振動主要是由切屑厚度的再生效應引起的，同時與機床-刀具-工件系統(tǒng)的動力學特性相關。現(xiàn)有銑削系統(tǒng)顫振穩(wěn)定性預測方法可分為兩大類：頻域解析法與時域數(shù)值法。頻域解析法由 ALTINTAS 等提出，將動力學時滯微分方程組轉入頻域表達，采用零階傅立葉級數(shù)展開近似求得時變方向力系數(shù)平均值，在掃描顫振頻率范圍時，由解析計算式直接確定臨界軸向切削深度及其對應的主軸轉速。之后 ALTINTAS 等利用該方法進行球頭銑刀的銑削穩(wěn)定性分析。隨著頻域傳遞函數(shù)法的發(fā)展，眾多學者在切削穩(wěn)定性研究中展開了諸多拓展，主要集中在結合具體加工條件和加工工藝系統(tǒng)的動力學特性的影響，且由傳統(tǒng)的二維穩(wěn)定性預測向三維穩(wěn)定性預測發(fā)展。SCHMITZ 等建立顫振穩(wěn)定域的解析模型，考慮刀具懸伸量對于銑削穩(wěn)定域的影響，并得到三維穩(wěn)定域極限圖形。ERTÜRK 等考慮主軸系統(tǒng)的設計和操作參數(shù)建立銑削穩(wěn)定性解析模型，并在無顫振穩(wěn)定銑削基礎上以材料去除率最大為目標選擇最佳系統(tǒng)參數(shù)。GAGNOL 等建立一個高速主軸-軸承系統(tǒng)動力學模型，并闡述了由于高轉速引起的彈性變形、旋轉軟化效果和陀螺效應對顫振穩(wěn)定域的影響。HUNG等考慮主軸系統(tǒng)和機床立柱結構的相互作用下評價立式銑削加工系統(tǒng)的銑削穩(wěn)定性。劉強等 對圓角銑削過程進行了穩(wěn)定性建模與仿真，獲得直線銑削銑削穩(wěn)定域解析模型應用于圓角銑削的條件。
時域數(shù)值法，是指在時間域內對銑削穩(wěn)定性進行分析的方法，主要分為半離散法和全離散法等方法。INSPERGER 等提出了半離散法，通過對每離散時間段考慮方向力系數(shù)的時變性，將銑削動力學時滯方程轉化成一系列常微分方程，用于預測銑削穩(wěn)定性。FAASSEN 等改進了刀刃的軌跡模型，將傳統(tǒng)的刀刃圓形軌跡模型改進為銑削刃的次擺線軌跡模型，應用半離散法研究了變時滯特性對圓周銑削穩(wěn)定性的影響，改進后的銑削刃軌跡模型可以更準確的描述切屑厚度的變化。龍新華等建立了基于次擺線軌跡的圓周銑削力模型，并利用半離散法分析了變時滯銑削過程穩(wěn)定性。宋清華等利用半離散法分析了考慮每齒進給量、主軸-刀柄-刀具偏心及刀具-工件靜態(tài)變形等因素對銑削穩(wěn)定性極限的影響。丁燁等提出了全離散法，通過將時間全離散的單自由度及兩自由度時域模型來預測切削力和振動，并利用 Floquet 理論來判斷切削穩(wěn)定性，其計算效率更高。基于全離散法預測分析了考慮軸向銑削力和陀螺效應的銑削穩(wěn)定域，如圖14 所示，結果表明，考慮軸向銑削力和陀螺效應時銑削穩(wěn)定域向低頻方向移動，其中陀螺效應僅在高轉速部分對銑削穩(wěn)定域有影響。在此基礎上還分析了銑刀磨損量對不同硬度淬硬鋼銑削穩(wěn)定性的影響，刀具后刀面輕微磨損時穩(wěn)定臨界切深上升，隨著工件表面硬度的提高，穩(wěn)定臨界切深逐步下降。
圖 14 考慮軸向銑削力和陀螺效應的顫振穩(wěn)定域
在研究汽車覆蓋件模具不同型面特征對顫振穩(wěn)定域的影響方面，主要從動力學建模考慮。建立動力學模型時應從影響銑削顫振的主要因素入手：
①刀具-工件接觸區(qū)域；② 動態(tài)切削厚度；③ 切入、切出角的確定。圖 15 表示凸曲面的各個銑削位置下不同刀具-工件接觸區(qū)域。拼接過縫處由于不同工件材料存在硬度差導致銑時銑削力和振動發(fā)生階躍變化，具有非線性特征，其動力學特性研究主要是銑削力的不確定性特征、銑削振動的非線性特征、表面形貌的非線性特征以及三者之間的映射關系。
圖 15 凸曲面不同銑削位置的刀具-工件接觸區(qū)域
從目前的研究狀況來看，對數(shù)控銑削加工過程的動力學分析多是集中在機床-刀具-工件系統(tǒng)的機床子系統(tǒng)、主軸-刀柄-刀具子系統(tǒng)、刀具-工件子系統(tǒng)等，利用不同的切削穩(wěn)定性分析方法來預測和分析各個因素對銑削過程穩(wěn)定性的影響規(guī)律。因此，汽車覆蓋件模具穩(wěn)定銑削加工的研究還需要進行機床-刀具-汽車模具完整加工工藝系統(tǒng)的動力學特性定量描述研究；分析模具復雜型面加工過程中的可控因素和過程物理量對于加工工藝系統(tǒng)動力學特性影響規(guī)律，進行復雜型面銑削加工過程多因素耦合影響下的銑削穩(wěn)定性預測與模具型面誤差分析，并提出復雜模具型面誤差綜合控制方法；揭示多硬度拼接模具銑削過程的非線性動力學特征，不同硬度拼接過縫處與型面誤差之間的映射關系。
4 、汽車覆蓋件模具銑削刀具研制
汽車覆蓋件模具銑削加工過程中刀具磨損破損嚴重，因此刀具應具備高硬度、良好的耐磨耐熱性、抗沖擊和化學穩(wěn)定性等性能。汽車模具銑削用刀具主要采用硬質合金、PCBN、陶瓷等材料，一般企業(yè)首選銑刀材料應是硬質合金，其特點是硬度高、導熱性好且成本較低。為了提高刀具的耐磨性、耐高溫性和化學穩(wěn)定性，涂層硬質合金的使用越來越普遍。涂層的材料，從 Ti N、Al2O3、Ti C 發(fā)展為Ti CN、Ti Al N、Ti Si N、Cr Si N 等。陶瓷刀具耐磨耐熱性好、化學穩(wěn)定性優(yōu)良，其抗黏結性比硬質合金好，主要失效形式是沖擊破損和切削刃磨平。
PCBN的主要特點是硬度高、耐磨性和耐熱性好，切削難加工材料時耐磨性約是陶瓷刀具的 25 倍，硬質合金的 50 倍。在汽車覆蓋件淬硬鋼模具銑削加工中，PCBN 的性能相對較好。選定刀具材料后，設計和優(yōu)選出合理的刀具結構是實現(xiàn)高效高精度銑削的重要途徑。將有限元銑削過程仿真分析方法結合刀具銑削加工模擬試驗，對比分析刀具物理場分布，來設計和優(yōu)選刀具結構、刀具刃口刃形及刀具幾何參數(shù)，提高刀具切削的性能，汽車模具刀具研制具體實施方案如圖 16 所示。
4.1 刀具結構設計
汽車模具制造廠家的常用刀具如表 1 所示，主要有球頭銑刀和環(huán)形銑刀。球頭銑刀由于具有數(shù)控編程和避免局部干涉簡單的特點，在復雜曲面銑削中應用最多。對于球頭銑刀的研究主要是針對切削刃和刀具角度的設計與優(yōu)化。CHEN 等提出一種可提高進給率的新型球頭銑刀，將 CBN 刀具的球頭頂端切成 V 形，相對傳統(tǒng)的球頭銑刀可提高進給率 50%。MASAHIKO 等針對淬硬鋼精加工開發(fā)了一種 CBN 球頭銑刀，優(yōu)化了前角和切削刃形。董敏等在回轉刀具等螺距切削刃曲線的通用模型基礎上，考慮了刃線的連續(xù)性的同時，提出了圓柱球頭銑刀的連續(xù)切削刃曲線設計模型。針對淬硬鋼精加工設計了具有新型切削刃的球頭銑刀。
圖 16 汽車模具刀具研制實施方案
表 1 適用于不同加工型面的汽車模具銑刀
但球頭銑刀切削刃上不同位置切削速度不等，刀尖點切削速度為零，切削狀態(tài)惡劣，加劇刀具的磨損，影響表面加工質量，且行間距較小，加工效率較低。近年來學者們逐漸發(fā)現(xiàn)非球頭銑刀在加工質量和加工效率上的優(yōu)勢，開始注重對非球頭銑刀的設計研究，主要是環(huán)形銑刀的設計和研制。BEDI等通過切削試驗比較了分別由環(huán)形銑刀、球頭銑刀以及平底銑刀切削加工后的工件表面質量，環(huán)形銑刀銑削工件后表面質量良好，并且兼具球頭銑刀和平底銑刀的優(yōu)點。 針對汽車模具型面銑削加工設計一種改進環(huán)形銑刀，可實現(xiàn)大切深高效銑削，有效降低被加工工件表面殘留高度，相對常規(guī)環(huán)形銑刀可降低表面殘留高度 1.96 倍。文獻設計出一種大進給環(huán)形銑刀，切削刃設計為雙圓弧，建立了雙圓弧切削刃的幾何特征數(shù)學模型，通過有限元仿真和試驗分析了其切削性能，并制定了刀具磨制工藝。
環(huán)形銑刀在銑削小曲率大曲面平坦型面時能發(fā)揮其優(yōu)勢，在銑削大曲率小曲面和陡立面等型面時易出現(xiàn)欠切和過切，因此環(huán)形銑刀銑削復雜曲面適用情況有限。非圓弧刃球型刀(雙曲線回轉刃形、橢圓回轉刃形、拋物線回轉刃形等)適用于仿形加工，如圖 17 所示，可用于不同曲率的復雜曲面加工。非圓弧刃球型刀與相同直徑的球頭銑刀相比，參與切削的切削刃長度更長，切削過程中變形振動減小，可以實現(xiàn)平穩(wěn)切削，提高了刀具壽命，加工成本降低。與環(huán)形銑刀相比，非圓弧刃球型刀的切削刃曲率光滑漸變，可以實現(xiàn)平穩(wěn)切削。對于非圓弧刃球型刀的研制需要在刃形結構設計，優(yōu)化刃形參數(shù)，建立幾何結構模型，準確磨制切削刃，評價切削性能，制定工藝規(guī)范，數(shù)控加工刀具路徑規(guī)劃技術等方面進一步進行研究。
圖 17 非圓弧刃球型刀
4.2 銑削 刀具磨制
復雜刀具的制造主要涉及切削刃、螺旋槽、后刀面等制造特征(圖 18)的加工模型建立和砂輪類型選擇、磨削約束等制備工藝方法。
圖 18 刀具的設計與制造特征
CHEN 等建立了球頭端部回轉刀具的等導程切削刃曲線模型，提出了等導程球頭類回轉刀具的設計與制造模型，定義了二軸聯(lián)動加工中砂輪的進給速度。CHEN 等建立了錐球頭銑刀的等螺旋角切削刃曲線模型，在此基礎上提出了通過使用 CBN球面砂輪加工這種刀具前刀面的 CNC 磨削方法。此后他又建立了球頭銑刀的正交螺旋形切削刃的基礎上，提出了刀具前、后刀面的新磨削方法。PHAM 等建立了球頭銑刀的等螺旋角模型，在此基礎上詳細地提出了五軸數(shù)控加工球頭銑刀的相關模型，為球頭銑刀的設計與制造的仿真軟件的開發(fā)提供了切實有效的方法。曲坤等提出了適用于二軸聯(lián)動加工的凹圓弧球頭螺旋銑刀新型刃口曲線方程，并推導出了制備中的軸向與徑向進給速度模型。韓成順等提出了基于非數(shù)控加工方案的回轉刀具等螺旋角切削刃曲線通用模型，討論了非數(shù)控加工刀具時砂輪相對于銑刀的軸向和徑向相對運動，并給出了球頭圓弧銑刀和帶角圓圓錐銑刀的刃口曲線及相對運動方程的求解實例。CHEN 等提出了帶角圓的中凹銑刀等螺旋角切削刃曲線模型，并基于刃線模型建立了圓弧端銑刀的二軸聯(lián)動磨削制造模型。REN 等提出了等導程銑刀的切削刃及螺旋槽設計模型，推導了二軸聯(lián)動加工中的砂輪截面輪廓和砂輪進給速度，并以錐環(huán)形銑刀為例驗證了數(shù)學模型的有效性。文獻在對螺旋角的不同定義下，建立錐環(huán)形銑刀刀具回轉面上的等螺旋角切削刃曲線模型，同時討論了這種刀具的加工問題。
目前還未有汽車覆蓋件淬硬鋼模具銑削加工用的專用刀具，一般制造企業(yè)在汽車模具精加工多采用可轉位球頭銑刀，這種刀具除了是點接觸窄行加工效率低，還易出現(xiàn)崩刃破損，導致刀具使用壽命小、加工效率低。因此，面向多硬度拼接汽車大型覆蓋件淬硬鋼模具開發(fā)高效高精度加工新型專用刀具，是提高汽車模具加工效率和表面質量的一種新途徑。合理選擇刀具材料并結合優(yōu)質涂層材料和涂層技術，選用整體式磨制刀具結構和鑲片式刀具結構，優(yōu)選刀具刃線形式，精準設計刀具刃口刃形和前刀面槽型等幾何參數(shù)，開發(fā)用于精加工的環(huán)形刀具和非圓弧刃球型刀具，并開發(fā)相關磨制工序及工藝優(yōu)化技術。
5 、 模具曲面數(shù)控編程技術及工藝規(guī)劃
汽車覆蓋件模具型面和型腔精加工在保證加工質量的前提下，提高加工效率。為保證復雜曲面和型腔的銑削過程穩(wěn)定、高效，通常通過提高刀具路徑的光順性和保證銑削載荷恒定來實現(xiàn)。
5.1 模具復雜曲面自由曲面刀具路徑規(guī)劃
汽車車身曲線曲面造型是由自由曲線和自由曲面來描述，因此，汽車覆蓋件及其內飾件用模具多數(shù)為輪廓尺寸大、型面特征復雜的空間自由曲面。自由曲面的數(shù)控加工過程中刀具軌跡規(guī)劃是關鍵任務，直接影響零件表面加工精度和加工效率。目前針對汽車覆蓋件模具的加工設備大多為 3 軸數(shù)控加工中心或者 3+2 軸數(shù)控加工中心，粗加工和半精加工使用的刀具多為環(huán)形銑刀和球頭銑刀，精加工使用的刀具多為球頭銑刀。在三軸球頭銑刀銑削復雜曲面的研究中，應用等殘留高度法進行復雜曲面 3 軸球頭銑刀加工的刀具路徑規(guī)劃，得出走刀步長和行距的解析式，使得 CL 數(shù)據(jù)顯著減少。GLAESER 等針對復雜曲面的 3 軸銑削加工進行了研究，提出加工表面
在此基礎上結合了干涉檢測和優(yōu)選刀具，提出了一種系統(tǒng)化的刀具軌跡生成方法。針對模具型腔尖角提出了雙圓弧軌跡過渡，盡可能增大走刀行距。
汽車大型覆蓋件模具型面中存在著大量的大面積平坦面，如發(fā)動機蓋模具、天窗模具等，球頭銑刀加工這些型面時切削效率低且切削速度不恒定，而將環(huán)形銑刀寬行加工技術應用于汽車模具加工中，可提高切削效率和表面加工質量。圖 19 為環(huán)形銑刀寬行加工自由曲面示意圖。汽車模具制造企業(yè)中已意識到環(huán)形銑刀寬行加工的諸多優(yōu)勢，但實際銑削過程應用存在著切削余量掌握不好，已出現(xiàn)過切和欠切，這些問題需要由寬行數(shù)控加工切觸理論和刀具軌跡規(guī)劃的研究來解決。目前寬行加工技術的研究主要集中在五軸數(shù)控加工，RAO 等提出了主曲率法，通過調整刀軸傾斜角獲得最大切削寬帶。通過分析刀具包絡面與被加工曲面的匹配關系，實現(xiàn)復雜曲面的寬行加工，但該方法并不能準確計算三軸數(shù)控加工中加工帶寬。文獻采用二階泰勒逼近方法分析了被加工曲面與刀具直接局部匹配情況，并以加工帶寬最大化為目標實現(xiàn)局部刀位優(yōu)化，但該方法在三軸加工中較難實現(xiàn)。朱利民建立了被加工曲面與刀具包絡面在刀觸點領域內的三階切觸關系，由單個刀位重建刀具包絡面，建立了局部三階近似曲面的數(shù)學模型。吳寶海等基于廣域空間誤差分析提出一種刀軸方位優(yōu)化方法，從宏觀的角度分析切削刃曲面到干涉區(qū)域離散點集的干涉誤差，構建了刀具的有效切削輪廓，完成了有效加工帶寬的計算。樊文剛等提出旋轉切觸刀位算法，通過刀具的后跟角和側偏角來確定最優(yōu)刀位，并對汽車頂蓋模具凸曲面多點切觸加工時不同走刀方向下的刀位誤差分布進行了分析。目前寬行加工技術的研究多是 5 軸數(shù)控加工，而對于 3 軸數(shù)控機床或者 3+2 軸數(shù)控機床，相關研究較少。針對環(huán)形刀銑削汽車模具中的小曲率面進行三軸數(shù)控加工刀具幾何切觸關系分析，對比了環(huán)形銑刀與球頭銑刀在曲面刀觸點處的切削速，并提出由刀具切入工件部分在刀觸點切平面內的投影，建立 3 軸銑削條件下有效切削帶寬與曲
面曲率、刀具、進給方向、切削深度等因素之間的數(shù)學模型。
5.2 基于切削載荷的加工工藝規(guī)劃
這方面的研究主要集中在對自由曲面的球頭銑刀三維銑削刀具路徑的優(yōu)化，基本方法是通過控制主軸轉速和進給速率來保持切削速度和切削載荷維持在穩(wěn)定的范疇之內。基于這一原則進行數(shù)控加工編程可以減少銑削加工時間，同時延長刀具的使用壽命。在粗加工和半精加工過程中該方法可以避免過大的刀具偏移量導致的加工曲面輪廓偏離理論設計曲面。
圖 19 環(huán)形銑刀加工自由曲面示意圖
恒定切削載荷為目標的加工工藝規(guī)劃研究主要從兩個方面展開。
(1) 基于體積模型的優(yōu)化研究，假設銑削力與材料的平均瞬時材料去除率成比例關系。多數(shù)研究者通過改進材料去除率的算法實現(xiàn)進給量的優(yōu)化研究。目前多數(shù)的商用 CAM 軟件的加工參數(shù)優(yōu)化模塊多采用這種方法。
(2) 基于銑削力預測模型的進給優(yōu)化研究，該方法具有更高的精度和可靠性，通過將加工過程中的銑削力限定在某一固定值/某一范圍內，將固定的進給量值重新優(yōu)化為一系列進給量，以滿足高效加工的要求。文獻提出了基于 Z-Buffer 模型預測 3軸數(shù)控加工復雜曲面的銑削力并作為約束條件，優(yōu)化了進給速度。文獻根據(jù)考慮刀具偏心和刀具變形的銑削力預測進行了進給速率的離線規(guī)劃。把球頭銑刀作為研究對象，提出了獲取銑削加工中瞬時銑削力的預測方法，按照優(yōu)化目標進行了進給速度優(yōu)化并自動修改 NC 代碼反映優(yōu)化結果。建立了球頭刀銑削力模型，并以切削力恒定為優(yōu)化目標，進行了進給速度優(yōu)化。
對汽車模具特殊型面和多硬度拼接等特征的銑削精加工刀具路徑生成算法深入研究，開發(fā)的環(huán)形刀、非圓弧刃球型刀具等新型刀具銑削不同特性曲面的路徑規(guī)劃算法；進一步研究局部干涉檢驗與刀具軌跡修正的算法；在綜合考慮機床動力學特性、銑削特征、刀具切削性能及物理因素的基礎上制定綜合加工工藝。
6 、結論
由于汽車覆蓋件模具工件材料和結構的特殊性，還需要對以下幾個方面進一步研究。
(1) 通過理論建模分析、數(shù)值模擬和試驗研究，進一步研究自由曲面硬態(tài)銑削過程切削層參數(shù)變化機制、銑削力、銑削溫度、切入切出情況、輪廓精度、表面完整性及刀具使用壽命等基礎問題，揭示自由曲面硬態(tài)銑削過程的特殊規(guī)律和現(xiàn)象；深入研究多硬度拼接過縫處的加工特性，即銑削力階躍值、銑削溫度、刀具磨損破損等隨工件材料硬度差、刀具材料和幾何參數(shù)、切削參數(shù)及加工策略的變化規(guī)律。
(2) 進行機床-刀具-汽車模具加工工藝系統(tǒng)的動力學特性定量描述研究；分析加工過程中的可控因素和過程物理量對于加工工藝系統(tǒng)動力學特性影響規(guī)律，進行加工工藝系統(tǒng)的銑削穩(wěn)定性預測與分析；揭示汽車模具的不同硬度、硬度拼接過縫處與型面誤差之間的映射關系。
(3) 面向多硬度拼接汽車大型覆蓋件淬硬鋼模具開發(fā)高效高精度加工新型專用刀具，是提高汽車模具加工效率和表面質量的一種新途徑。合理選擇刀具材料并結合涂層技術，優(yōu)選刃線形式，精準設計刀具刃口刃形和前刀面槽型等參數(shù)，并開發(fā)相關磨制工序及工藝優(yōu)化技術。
(4) 對汽車模具特殊型面和多硬度拼接等特征的銑削精加工刀具路徑生成算法深入研究，開發(fā)的環(huán)形刀、非圓弧刃球型刀具等新型刀具的路徑規(guī)劃算法；在綜合考慮機床動力學特性、削特征、刀具切削性能及物理因素的基礎上制定綜合加工工藝。
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