四川省宜賓普什模具有限公司 (644007) 郭宏軍 陳 平 楊 玻

數(shù)控加工技術(shù)是汽車(chē)覆蓋件模具制造技術(shù)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，由于汽車(chē)覆蓋件結(jié)構(gòu)尺寸大，形狀復(fù)雜、表面質(zhì)量要求高，因此，數(shù)控加工技術(shù)水平的高低直接影響到汽車(chē)覆蓋件模具的加工質(zhì)量，進(jìn)而影響到零件的表面質(zhì)量。近年來(lái)，以高速、高精度加工為主要特征的高速切削加工技術(shù)發(fā)展十分迅猛，已成為先進(jìn)制造業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高速切削加工技術(shù)在汽車(chē)覆蓋件模具制造中逐漸開(kāi)始得以應(yīng)用。

1.高速切削加工與傳統(tǒng)加工相比的優(yōu)點(diǎn)

汽車(chē)覆蓋件模具具有結(jié)構(gòu)尺寸大、形狀復(fù)雜、表面質(zhì)量要求高等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的汽車(chē)覆蓋件模具加工方式不僅效率低，模具表面加工質(zhì)量也不好，導(dǎo)致最后鉗工手工研配的周期比較長(zhǎng)。在汽車(chē)覆蓋件模具制造中，采用高速切削加工與傳統(tǒng)的加工方式相比的優(yōu)點(diǎn):①生產(chǎn)效率高。②工件變形小。③加工精度高。④刀具壽命高。故此，現(xiàn)在高速切削加工技術(shù)已在汽車(chē)覆蓋件模具制造業(yè)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

2.汽車(chē)覆蓋件模具高速切削加工技術(shù)對(duì)機(jī)床的要求

由于汽車(chē)覆蓋件模具具有結(jié)構(gòu)尺寸大、形狀復(fù)雜、表面質(zhì)量要求高的特點(diǎn)，結(jié)合高速切削加工技術(shù)的特性，如果要使汽車(chē)覆蓋件模具在高速切削加工中獲得良好的應(yīng)用效果，使用高速切削機(jī)床是最基本的條件之一。

(1)高速機(jī)床控制系統(tǒng) 在高速切削加工中，由于切削速度高，機(jī)床應(yīng)具備預(yù)處理能力 (Look-ahead)的CNC控制系統(tǒng)，并且要求具有大容量?jī)?nèi)存和ETH-ERNET通信等技術(shù)。NURBS曲線(xiàn)插補(bǔ)為復(fù)雜的模具曲面提供了短程序段和光滑插補(bǔ)的解決方案，數(shù)字驅(qū)動(dòng)克服了模擬控制微量的時(shí)間滯后問(wèn)題，高分辨率反饋技術(shù)是高精度加工的保障。

(2)高速機(jī)床轉(zhuǎn)速高、功率大 高速切削機(jī)床的主軸是核心部件，它決定著高速切削加工中所能達(dá)到的切削速度、加工精度、零件的加工品質(zhì)和應(yīng)用范圍。目前，高速切削加工機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速通常都大于10000r/min，20000～80000r/min的主軸轉(zhuǎn)速也已在高速切削加工中應(yīng)用。由于汽車(chē)覆蓋件模具形狀復(fù)雜，在加工型腔時(shí)刀具懸伸較長(zhǎng)，因此要求主軸功率要大，否則將無(wú)法滿(mǎn)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(jī)床直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的高加速度 高速切削加工中，根據(jù)高速切削的特性，在高動(dòng)態(tài)的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)速度下，從主軸啟動(dòng)到加速通常只有1～2s的時(shí)間，工作臺(tái) (龍門(mén)橫梁)的加、減速度為1～5s，以此保證汽車(chē)覆蓋件模具型面中的小圓角半徑曲面的高速加工。

對(duì)于一些結(jié)構(gòu)尺寸大、形狀復(fù)雜的汽車(chē)覆蓋件模具型面，還可以采用高速五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工，如RAMBAUDI公司的 RAM—speed—H45 PLUS型高速加工中心 (見(jiàn)圖1)，該機(jī)床主要參數(shù)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(fù)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(zhuǎn)速24000r/min;主軸用氮化硅 (Si3N4)陶瓷球軸承，配以油—?dú)鉂?rùn)滑;刀庫(kù)容量為30把;立柱釆用龍門(mén)式框架結(jié)構(gòu)，剛度高，特別適合大型汽車(chē)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(chē)覆蓋件模具高速切削刀具的選擇及切削參數(shù)優(yōu)化

(1)汽車(chē)覆蓋件模具高速切削加工對(duì)刀具的要求 在高速切削加工過(guò)程中，由于切削速度高，并且汽車(chē)覆蓋件模具型面關(guān)鍵部位進(jìn)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(zhì)，又有化學(xué)特性，這就要求刀具材質(zhì)具備高硬度、高強(qiáng)度、耐磨性好、抗沖擊性能強(qiáng)和熱穩(wěn)定性的特性。汽車(chē)覆蓋件模具高速切削刀具主要根據(jù)汽車(chē)覆蓋件模具的材質(zhì)、幾何形狀、機(jī)床結(jié)構(gòu)和切削參數(shù)等進(jìn)行選擇。

汽車(chē)覆蓋件模具高速切削加工的刀具類(lèi)型按材料分為高速鋼刀具、硬質(zhì)合金刀具、表面涂層刀具等。在汽車(chē)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(guò)程中產(chǎn)生的接刀差，精加工過(guò)程中應(yīng)盡量采用一顆刀片加工完成。在我公司承制的某車(chē)型頂蓋外板模具精加工中，我們采用鏡面球刀進(jìn)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(chē)覆蓋件模具高速切削加工中，由于其幾何形狀的復(fù)雜性，如果刀具的裝夾不合理，在加工中就有可能出現(xiàn)掉刀 (拉刀)現(xiàn)象，從而影響到加工質(zhì)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(yùn)轉(zhuǎn)下的安全和軸向的加工精度。隨著汽車(chē)覆蓋件模具制造向高速、高精度發(fā)展，現(xiàn)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(zhuǎn)矩也更高，保證了加工中刀具的動(dòng)平衡和刀具壽命。

圖2 某車(chē)型的機(jī)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(chē)覆蓋件模具高速切削加工參數(shù)的優(yōu)化傳統(tǒng)的汽車(chē)覆蓋件模具加工方式一般采用φ50mm球刀、留量1mm進(jìn)行粗加工，然后用φ30mm球刀、留量0.5mm進(jìn)行半精加工，最后采用 φ30mm或φ25mm球刀完成精加工。

汽車(chē)覆蓋件模具采用高速切削加工的方式和傳統(tǒng)的加工方式有很大不同，現(xiàn)以我公司承制的某車(chē)型后車(chē)門(mén)內(nèi)板 (見(jiàn)圖3)模具為例，對(duì)高速切削加工進(jìn)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(jìn)行加工，然后用φ40mm、φ30mm和φ25mm的球刀進(jìn)行預(yù)清根;在半精加工中用φ30mm球刀進(jìn)行加工，然后用φ25mm球刀進(jìn)行預(yù)清根;最后，在精加工中采用φ30mm或φ25mm球刀進(jìn)行加工，型腔、轉(zhuǎn)角部位采用小直徑球刀清根完成，具體切削參數(shù)如表1所示。

圖3 某車(chē)型的后車(chē)門(mén)內(nèi)板模型

表1 高速加工切削參數(shù)

4.汽車(chē)覆蓋件模具高速切削加工技術(shù)的工藝及程序設(shè)計(jì)

(1)汽車(chē)覆蓋件模具高速切削加工工藝方案的設(shè)計(jì) 汽車(chē)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(jìn)行余量檢測(cè)，然后根據(jù)檢測(cè)的余量情況選用φ63R8盤(pán)刀進(jìn)行大余量去除。在加工中，因?yàn)榍腥牒颓谐鰰r(shí)刀具承受的負(fù)載變化大，刀片容易崩，所以，使用φ63R8盤(pán)刀開(kāi)粗時(shí)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(xiàn)轉(zhuǎn)接，保證了切削加工的平穩(wěn)性。型腔、轉(zhuǎn)角部位采用小直徑球刀進(jìn)行預(yù)清根。

半精加工中通常采用φ30mm球刀進(jìn)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(jìn)行加工，型腔、轉(zhuǎn)角采用小直徑球刀最后清根完成。根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)、刀具參數(shù)和模具型面的復(fù)雜程度，半精加工和精加工工序可以分為平坦區(qū)域和陡峭區(qū)域，或多個(gè)區(qū)域，平坦區(qū)域主要采用三維偏置加工，陡峭區(qū)域采用等高加工。由于汽車(chē)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(shí)現(xiàn)高速切削，程序加工的刀具軌跡必須連續(xù)，同時(shí)切入和切出過(guò)程要保證切削的平穩(wěn)性。

(2)汽車(chē)覆蓋件模具高速切削加工程序的設(shè)計(jì)高速切削加工中，由于切削速度高，機(jī)床的數(shù)據(jù)處理和預(yù)處理功能 (要求具有大容量緩沖寄存器，可預(yù)先閱讀和檢查多個(gè)程序段，以便在被加工表面形狀發(fā)生變化時(shí)，可以及時(shí)采取改變進(jìn)給速度等措施以避免過(guò)切)是高速數(shù)據(jù)處理的依據(jù)，但是在實(shí)際數(shù)控加工中，機(jī)床主軸 (或工作臺(tái)等運(yùn)動(dòng)部件)的慣性是一個(gè)不能忽略的客觀要素。為避免在高速加工過(guò)程中機(jī)床主軸 (或工作臺(tái)等運(yùn)動(dòng)部件)的慣性對(duì)汽車(chē)覆蓋件模具型面的影響，需要我們?cè)谠O(shè)計(jì)程序的工藝方案時(shí)加以考慮，并對(duì)加工程序的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

刀具軌跡連接的設(shè)計(jì):在汽車(chē)覆蓋件模具高速切削加工中，為了更好地實(shí)現(xiàn)高速切削，保證型面加工的連續(xù)性，刀具軌跡應(yīng)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(shè)計(jì):在汽車(chē)覆蓋件模具高速切削加工中，刀具軌跡切入和切出的設(shè)計(jì)不僅直接影響到最終的加工質(zhì)量，而且影響高速加工的平穩(wěn)性，所以，切入和切出應(yīng)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(chǎn)生了微小的鋸齒，從而影響零件加工的品質(zhì)。因此，為提高汽車(chē)覆蓋件模具在高速加工中的品質(zhì)，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(zhuǎn)角的設(shè)計(jì):在汽車(chē)覆蓋件模具高速切削加工中，由于切削速度高，進(jìn)給快，如果對(duì)零件的轉(zhuǎn)角不重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，加工的零件精度就會(huì)降低，如圖7所示。因此，轉(zhuǎn)角的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，具體設(shè)計(jì)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(zhuǎn)角減速處理

高速切削加工點(diǎn)銑的設(shè)計(jì):在汽車(chē)覆蓋件模具高速切削加工中，型面主要是采用球刀進(jìn)行仿形銑加工。一般采用三軸機(jī)床加工時(shí)，刀具在切削中刀尖的切削速度為零，型面的加工質(zhì)量也不理想，刀片或整體式刀具易磨損，同時(shí)切削速度也會(huì)受到影響，如圖9所示。如果傾斜主軸10°，使切削區(qū)域遠(yuǎn)離刀具中心，這樣會(huì)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(zhì)量也會(huì)提高，從而實(shí)現(xiàn)最佳高速切削狀態(tài)，如圖10所示。

圖9 點(diǎn)銑法加工時(shí)刀具切削速度

圖10 點(diǎn)銑設(shè)置

5.結(jié)語(yǔ)

高速切削加工技術(shù)已成為現(xiàn)代制造加工技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，有著非常廣闊的應(yīng)用前景。在汽車(chē)覆蓋件模具制造中，大力推廣高速切削加工技術(shù)對(duì)我國(guó)模具制造業(yè)的發(fā)展有著重要的意義。本文通過(guò)對(duì)汽車(chē)覆蓋件模具高速切削加工技術(shù)對(duì)機(jī)床的要求、刀具的選用及其切削參數(shù)的優(yōu)化、加工工藝及程序的設(shè)計(jì)等方面的研究，為汽車(chē)覆蓋件模具的高速切削加工建立了一整套技術(shù)方案，該方案經(jīng)在我公司汽車(chē)覆蓋件模具制造中實(shí)踐應(yīng)用，取得了理想的模具型面品質(zhì)效果。