汽車覆蓋件用淬硬鋼模具的銑削加工
2023-7-5 來源：哈爾濱理工大學(xué)機(jī)械動(dòng)力工程學(xué)院 作者：劉獻(xiàn)禮
前言
隨著我國(guó)汽車工業(yè)的快速發(fā)展，各大汽車制造廠商為了爭(zhēng)奪市場(chǎng)，適應(yīng)購買者對(duì)汽車使用性能及造型個(gè)性化等方面的需求，不斷進(jìn)行新舊車型的更新?lián)Q代，改型車和新型車的最主要的標(biāo)志就是車身外形必須改換，汽車的覆蓋件模具要重新設(shè)計(jì)制造。
圖 1 汽車覆蓋件零件分解
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(dá)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(shè)計(jì)和制造時(shí)間嚴(yán)重制約汽車換改型的周期?？梢?，新舊車型的快速升級(jí)換代，對(duì)汽車覆蓋件模
具產(chǎn)生了巨大需求。
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(shù)在國(guó)內(nèi)汽車模具制造企業(yè)中得到程度不同的應(yīng)用。對(duì)比傳統(tǒng)的磨削加工工藝，銑削加工可以獲得理想表面質(zhì)量，同時(shí)具有加工柔性好、無污染等特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)汽車覆蓋件模具加工時(shí)，一般在模具切削加工工序之后還要花大量工時(shí)進(jìn)行人工磨拋，其時(shí)間一般需要 3 周以上，模具最終尺寸精度和表面質(zhì)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(guó)內(nèi)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(shù)對(duì)提高模具制造水平和促進(jìn)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(diǎn)
汽車大型覆蓋件模具是生產(chǎn)汽車車身的大型關(guān)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(qiáng)度材料。模具材料多為 7CrSiMnMoV 和 Cr12MoV 等模具鋼，淬火后硬度達(dá)到 HRC45~65。
(2) 型面特征復(fù)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(duì)模具型面加工精度和表面加工質(zhì)量要求高。
(3) 輪廓尺寸大。其尺寸范圍 (0.5~2.5)m×(1.5~3.5)m，加工型面面積大，切削路徑長(zhǎng)，數(shù)控加工設(shè)備各運(yùn)動(dòng)軸行程范圍大。
(4) 多硬度材料拼接結(jié)構(gòu)。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 用多個(gè)分塊模具拼接而成，或根據(jù)模具不同位置所受應(yīng)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(shí)首先單獨(dú)進(jìn)行粗加工和半精加工，然后再拼接成整體模具后進(jìn)行精銑加工。多硬度拼接淬硬鋼材料硬度相差高達(dá) ΔHRC5-ΔHRC20。
(5) 加工精度和表面加工質(zhì)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(shí)對(duì)加工精度和表面加工質(zhì)量有很高的要求。若模具上有一處型面輪廓精度達(dá)不到要求或存在表面加工缺陷，會(huì)導(dǎo)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。
圖 3 汽車模具生產(chǎn)企業(yè)的一般加工流程
國(guó)內(nèi)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(zhì)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(duì)于型面特征復(fù)雜而表面加工質(zhì)量和型面位置精度要求不高的汽車內(nèi)覆蓋件模具的加工技術(shù)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(zhì)量差等突出問題，導(dǎo)致模具整體合模精度低，覆蓋件沖壓成品光順性較差。嚴(yán)重影響汽車模具成形精度、使用壽命和生產(chǎn)效率。
汽車大型覆蓋件模具銑削加工中的難點(diǎn)。
(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(shí)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(dòng)、磨損、破損 ; 材料拼接處由硬度差導(dǎo)致的加工輪廓不一致。這些現(xiàn)象導(dǎo)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(dòng)態(tài)銑削力大，且加工工藝系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能了解不清，無法有效的控制顫振，導(dǎo)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(jià)，選擇保守的切削參數(shù)，導(dǎo)致數(shù)控加工設(shè)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(zhì)量，精加工時(shí)要求刀具遍歷整個(gè)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(dá)到 4~12 h; 不同硬度工件材料拼接過渡處銑削載荷突變，導(dǎo)致刀具的磨損破損程度加劇，故汽車模具銑削加工對(duì)刀具性能提出了更高要求。
(4) 汽車模具復(fù)雜型面數(shù)控編程及刀具路徑規(guī)劃不合理。對(duì)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(wù)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(jìn)行刀具路徑的規(guī)劃，導(dǎo)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(diǎn)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(dòng)力學(xué)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(fù)雜曲面數(shù)控編程技術(shù)及工藝規(guī)劃研究等方面進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究，本文針對(duì)這幾方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行歸納和總結(jié)。
2 、淬硬鋼模具銑削過程建模與分析
2.1 淬硬鋼模具銑削的理論建模
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(jī)床振動(dòng)、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(yīng)用最普遍的是球頭銑刀瞬時(shí)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(dá)成切削面積和切削刃接觸長(zhǎng)度的函數(shù)。
汽車模具復(fù)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(jìn)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(jìn)給方向變化通過對(duì)未變形切屑厚度計(jì)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(jì)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(guān)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(shí)未變形切屑厚度計(jì)算、銑削力系數(shù)識(shí)別、銑削力在各坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換、被加工表面類型。
2.1.2 球頭刀銑削表面形貌建模
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(shí)體建模法，建立刀具和工件的 CAD 幾何實(shí)體并離散，通過布爾操作運(yùn)算獲得工件表面形貌模型。另一類是Z-Map 法，將工件模型在 XOY 坐標(biāo)內(nèi)離散成大量分布均勻的 xy 網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，并求得每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng) z 坐標(biāo)的法向殘余高度值，這些網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)就組成工件的數(shù)字化模型，用以表述已加工表面。
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(jī)理的有限元模擬研究中主要關(guān)注分析預(yù)測(cè)銑削力、銑削溫度場(chǎng)、切屑形成與流出、刀具磨損、加工變形、表面殘余應(yīng)力和加工過程中微觀結(jié)構(gòu)變化等方面，圖 4 為汽車模具有限元數(shù)值模擬實(shí)施方案。
圖 4 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(duì)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(yùn)動(dòng)軌跡非直線，刀刃與工件的接觸區(qū)域不斷變化，運(yùn)動(dòng)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(jì)算量大，不易收斂。圖 5、圖 6 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 5 凸曲面銑削有限元仿真 圖 6 拐角銑削有限元仿真
3、 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(yán)重，因此刀具應(yīng)具備高硬度、良好的耐磨耐熱性、抗沖擊和化學(xué)穩(wěn)定性等性能。汽車模具銑削用刀具主要采用硬質(zhì)合金、PCBN、陶瓷等材料，一般企業(yè)首選銑刀材料應(yīng)是硬質(zhì)合金，其特點(diǎn)是硬度高、導(dǎo)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(xué)穩(wěn)定性，涂層硬質(zhì)合金的使用越來越普遍。涂層的材料，從 TiN、Al2O3、TiC 發(fā)展為 TiCN、TiAlN、TiSiN、CrSiN 等。陶瓷刀具耐磨耐熱性好、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良，其抗黏結(jié)性比硬質(zhì)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(diǎn)是硬度高、耐磨性和耐熱性好，切削難加工材料時(shí)耐磨性約是陶瓷刀具的 25 倍，硬質(zhì)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(duì)較好。
選定刀具材料后，設(shè)計(jì)和優(yōu)選出合理的刀具結(jié)構(gòu)是實(shí)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(jié)合刀具銑削加工模擬試驗(yàn)，對(duì)比分析刀具物理場(chǎng)分布，來設(shè)計(jì)和優(yōu)選刀具結(jié)構(gòu)、刀具刃口刃形及刀具幾何參數(shù)，提高刀具切削的性能。
3.1 刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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(jiǎn)單的特點(diǎn)，在復(fù)雜曲面銑削中應(yīng)用最多。但球頭銑刀切削刃上不同位置切削速度不等，刀尖點(diǎn)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(zhì)量，且行間距較小，加工效率較低。近年來學(xué)者們逐漸發(fā)現(xiàn)非球頭銑刀在加工質(zhì)量和加工效率上的優(yōu)勢(shì)，開始注重對(duì)非球頭銑刀的設(shè)計(jì)研究，主要是環(huán)形銑刀的設(shè)計(jì)和研制。
表 1 適用于不同加工型面的汽車模具銑刀
環(huán)形銑刀在銑削小曲率大曲面平坦型面時(shí)能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，在銑削大曲率小曲面和陡立面等型面時(shí)易出現(xiàn)欠切和過切，因此環(huán)形銑刀銑削復(fù)雜曲面適用情況有限。非圓弧刃球型刀 ( 雙曲線回轉(zhuǎn)刃形、橢圓回轉(zhuǎn)刃形、拋物線回轉(zhuǎn)刃形等 ) 適用于仿形加工，如圖 7 所示，可用于不同曲率的復(fù)雜曲面加工。
圖 7 非圓弧刃球型刀
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(zhǎng)度更長(zhǎng)，切削過程中變形振動(dòng)減小，可以實(shí)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(shí)現(xiàn)平穩(wěn)切削。對(duì)于非圓弧刃球型刀的研制需要在刃形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化刃形參數(shù)，建立幾何結(jié)構(gòu)模型，準(zhǔn)確磨制切削刃，評(píng)價(jià)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(shù)等方面進(jìn)一步進(jìn)行研究。
3.2 銑削刀具磨制
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(zhuǎn)位球頭銑刀，這種刀具除了是點(diǎn)接觸窄行加工效率低，還易出現(xiàn)崩刃破損，導(dǎo)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(zhì)量的一種新途徑。合理選擇刀具材料并結(jié)合優(yōu)質(zhì)涂層材料和涂層技術(shù)，選用整體式磨制刀具結(jié)構(gòu)和鑲片式刀具結(jié)構(gòu)，優(yōu)選刀具刃線形式，精準(zhǔn)設(shè)計(jì)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(guān)磨制工序及工藝優(yōu)化技術(shù)。
4、 模具曲面數(shù)控編程技術(shù)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(zhì)量的前提下，提高加工效率。為保證復(fù)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(shí)現(xiàn)。
4.1 模具復(fù)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(nèi)飾件用模具多數(shù)為輪廓尺寸大、型面特征復(fù)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(guān)鍵任務(wù)，直接影響零件表面加工精度和加工效率。目前針對(duì)汽車覆蓋件模具的加工設(shè)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。
圖 8 環(huán)形銑刀加工自由曲面示意圖
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(dòng)機(jī)蓋模具、天窗模具等，球頭銑刀加工這些型面時(shí)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(shù)應(yīng)用于汽車模具加工中，可提高切削效率和表面加工質(zhì)量。圖8 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(shí)到環(huán)形銑刀寬行加工的諸多優(yōu)勢(shì)，但實(shí)際銑削過程應(yīng)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。
4.2 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(duì)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(zhuǎn)速和進(jìn)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(nèi)。基于這一原則進(jìn)行數(shù)控加工編程可以減少銑削加工時(shí)間，同時(shí)延長(zhǎng)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(dǎo)致的加工曲面輪廓偏離理論設(shè)計(jì)曲面。
恒定切削載荷為目標(biāo)的加工工藝規(guī)劃研究主要從兩個(gè)方面展開。
(1) 基于體積模型的優(yōu)化研究，假設(shè)銑削力與材料的平均 / 瞬時(shí)材料去除率成比例關(guān)系。多數(shù)研究者通過改進(jìn)材料去除率的算法實(shí)現(xiàn)進(jìn)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(yù)測(cè)模型的進(jìn)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(nèi)，將固定的進(jìn)給量值重新優(yōu)化為一系列進(jìn)給量，以滿足高效加工的要求。
5. 結(jié)論
由于汽車覆蓋件模具工件材料和結(jié)構(gòu)的特殊性，還需要對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)一步研究。
(1) 通過理論建模分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，進(jìn)一步研究自由曲面硬態(tài)銑削過程切削層參數(shù)變化機(jī)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(chǔ)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) 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(zhì)量的一種新途徑。合理選擇刀具材料并結(jié)合涂層技術(shù)，優(yōu)選刃線形式，精準(zhǔn)設(shè)計(jì)刀具刃口刃形和前刀面槽型等參數(shù)，并開發(fā)相關(guān)磨制工序及工藝優(yōu)化技術(shù)。
(3) 對(duì)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(jī)床銑削特征、刀具切削性能及物理因素的基礎(chǔ)上制定綜合加工工藝。
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