陳芳

（西安航空職業(yè)技術(shù)學院 陜西 西安 710089）

引言

高速切削技術(shù)應(yīng)用于制造過程中，整體的切削速度相較于常規(guī)切削，其進給率比常規(guī)切削加工提高5~10倍之多，如今隨著此項技術(shù)不斷創(chuàng)新和研發(fā)，該項技術(shù)具備了更高的切削速率。在完成切削工藝技術(shù)過程中[1]，能夠行之有效地對刀具、機床主軸、工件等切削負荷有所減少，因此被較為廣泛地應(yīng)用于各類工業(yè)制造過程中。近些年在通過將新型結(jié)構(gòu)及新型材料完成加工過程中，通常需要依據(jù)不同的刀具，完成多次切削加工實驗，得出最為恰當?shù)牡毒咔邢鲄?shù)。在選擇切削參數(shù)的過程中，通常需要針對切削參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，以其大量的實際簡化作為切削工藝的前提，完成相應(yīng)的結(jié)果優(yōu)化[2]。由此本次研究針對汽車覆蓋件模具高速切削加工優(yōu)化展開，期待本次研究成果能夠為汽車覆蓋件模具，在完成高速切削加工過程中為其提供可參考依據(jù)。

1 汽車覆蓋件模具高速切削加工技術(shù)對機床的要求

1.1 高速機床控制系統(tǒng)

通常由于汽車的整體覆蓋件模具結(jié)構(gòu)尺寸較大，形狀較為復(fù)雜，并且對其表面的整體要求相對較高，因此在完成高速切削加工過程中，必然也對機床的預(yù)處理能力有所要求。那么現(xiàn)階段機床的CNC控制系統(tǒng)中，具備了較大的容量內(nèi)存，并且有著有效的ETH-ERNET通信技術(shù)，再者NURBS曲線插補，更是為汽車覆蓋件模具的復(fù)雜曲面提供了相應(yīng)的短程序段以及光滑插補的相應(yīng)解決方法，確保了切削的精度需求。

1.2 高速機床的高轉(zhuǎn)速及大功率

高速切削技術(shù)在應(yīng)用過程中，其主要的核心部件就是高速機床的主軸，它直接影響了高速切削工藝的整體切削速度、切削精度、切削品質(zhì)以及切削的具體應(yīng)用范圍[3]?，F(xiàn)階段高速切削加工機床，通常采用的主軸轉(zhuǎn)速往往是超出10 000 r/min的，在20 000~80 000 r/min之間的主軸轉(zhuǎn)速被多次使用。汽車覆蓋件模具的整體形狀相對較為復(fù)雜，因此在完成切削加工過程中，機床刀具會處于較長的懸伸情況，因此必然要求機床主軸具有較大功率[4]。

1.3 高速機床直線運動高加速度

高速切削加工技術(shù)在應(yīng)用過程中，高速切削機床需要根據(jù)高速切削的具體特性，在實現(xiàn)高動態(tài)的進給驅(qū)動速度之下，基于主軸的啟動再至加速，通常只是需要1~2 s的相應(yīng)時間，工作臺的整體加減速度則控制在1~5 s之內(nèi)，確保汽車覆蓋件模具的整面型大圓角半徑曲面處于高速加工[5]。針對部分結(jié)構(gòu)較大、形狀復(fù)雜的汽車覆蓋件模具，也可通過使用高速五坐標聯(lián)動性加工，從而完成了大型汽車的覆蓋件模具高速切削加工。

2 有限元模擬關(guān)鍵技術(shù)

2.1 構(gòu)建有限元模型

通過依照汽車的覆蓋件模具加工過程中，所使用刀具以及工件的主要特征，構(gòu)建高速切削三維有限元模型如圖1所示。

2.2 熱耦合方程

在完成三維有限元模型構(gòu)建之后，需要基于大變形-大應(yīng)變的有關(guān)理論，完成對高速切削過程中，物理力學的模型構(gòu)建，針對性地建立基于有限元模型的熱-彈塑性本構(gòu)方程：

圖1 高速切削三維有限元模型

2.3 材料本構(gòu)模型

材料本構(gòu)模型通常針對汽車覆蓋件模具，在高速切削過程中熱力、機械以及力學物理現(xiàn)象，借助高速切削的有限元模型[6]，在現(xiàn)有材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上，J-C模型能夠有效根據(jù)材料的劇烈變形特征，選擇適合高速切削的仿真過程，實現(xiàn)本構(gòu)模型的方程。針對J-C模型完成了沖擊壓縮實驗、準靜態(tài)化壓縮實驗，具體設(shè)計過程，如圖2、3所示。

圖2 沖擊壓縮試驗

圖3 準靜態(tài)化壓縮試驗

3 模擬分析及實驗

通過基于如上的有限元模擬技術(shù)，汽車覆蓋件模具高速切削過程，完成了有限元模擬。所加工的有關(guān)材料整體作為硬質(zhì)合金，具體使用切削參數(shù)，如表1所示，最終得出有限元模擬結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)切削的最大作用力，主要產(chǎn)生于刀刃及后刀之上，距離刀尖愈遠，那么工件的整體內(nèi)部作用力就會逐步減少。

為了對如上模型中的有限元模擬具體結(jié)果是否正確進行驗證，通過設(shè)計了高速切削工藝實驗，針對實驗中的工件材料、刀具以及具體的切削參數(shù)，完成實驗發(fā)現(xiàn)相一致。具體的實驗測試中，切削的有限元模擬數(shù)值相較實驗所得數(shù)值如表2所示。

表1 有限元模擬高速切削參數(shù)

表2 高速加工切削參數(shù)

從表2中可以發(fā)現(xiàn)，切削力的整體模擬數(shù)值能夠與實驗數(shù)值一致。所出現(xiàn)的誤差，主要是由于在完成實際的切削工藝實驗過程中，發(fā)生刀具磨損、切削振動以及測試等諸多方面的誤差因素，由此本次實驗結(jié)果也表明，本次研究中所構(gòu)建的有限元模型是正確可行的。

4 汽車覆蓋件模具高速切削參數(shù)優(yōu)化

傳統(tǒng)的汽車覆蓋件模具的主要加工過程中，所采用的加工方式通常為用φ50mm球刀，以1mm的留量完成粗加工，之后使用φ30mm的球刀以及0.5mm的留量完成二次半精加工，在最后的加工工序則使用φ30mm以及φ25mm的球刀完成最終的精加工。

汽車的覆蓋件模具在完成高速切削工藝加工過程中，通常采用的高速切削加工方式與傳統(tǒng)的加工方式存在較大差異。例如以某車型的后車門內(nèi)板作為本次切削實例，通過在完成粗加工的過程中，將大余量去除之后，為了能夠有效地提升對該模具的高速切削加工效率，通過使用63R8的圓刀片完成切削加工，之后使用φ40mm、φ30mm和φ25mm的球刀完成預(yù)清根。在最后的精加工工序中，通過采用φ30mm或者φ25mm的球刀完成加工，清根完成之后，相應(yīng)切削參數(shù)如表2所示，通過依照表2中相應(yīng)切削參數(shù)，基于金屬切削理論基礎(chǔ)之上，零件的已加工表面整體殘余作用力，更是會對所切削加工的整體質(zhì)量造成較大的影響，從而成為加工質(zhì)量表征的關(guān)鍵性因素。在本次實驗研究中發(fā)現(xiàn)，切削的殘余作用力是經(jīng)由殘余的具體變量而獲得的。由此通過依照殘余作用力的相應(yīng)數(shù)值變化，從而根據(jù)不同的參數(shù)之下切削工藝過程中的有限元模擬模型，針對殘余的應(yīng)力進行分析最終獲取，進而對比殘余應(yīng)力的具體參數(shù)變化情況，獲取了相應(yīng)的優(yōu)化型切削參數(shù)。

5 結(jié)束語

在本次研究中通過提出基于有限元模擬技術(shù)的高速切削參數(shù)優(yōu)化使用方法，通過完成有限元模型的構(gòu)建，基于熱耦合方程構(gòu)建相應(yīng)的材料模型，實現(xiàn)了不同切削參數(shù)之下的高速切削加工優(yōu)化，在針對本次實驗中所獲得的有關(guān)模擬結(jié)果對比分析的基礎(chǔ)之上，最終找到汽車覆蓋件模具的高速切削加工優(yōu)化過程中最佳參數(shù)。構(gòu)建基于汽車覆蓋件模具的高速切削過程有限元模型，針對性地研究了有關(guān)模擬的關(guān)鍵性技術(shù)。在此技術(shù)基礎(chǔ)上，完成針對性有限元模擬分析，分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所構(gòu)建的有限元模型結(jié)果，本次研究的實驗所獲結(jié)果一致，因此本次研究中的有限元模型構(gòu)建是正確的。本次研究發(fā)現(xiàn)，通過基于不同生產(chǎn)指標作為加工優(yōu)化指標，可以獲取不同的最優(yōu)高速切削工藝參數(shù)。高速切削加工技術(shù)現(xiàn)階段已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代制造加工技術(shù)中，并且在未來的加工發(fā)展中，必然會有著更好的發(fā)展前景。因此本研究所實現(xiàn)的汽車覆蓋件模具高速切削加工優(yōu)化，必然會為其在實際的汽車覆蓋件模具制造中應(yīng)用，提供可參考依據(jù)。