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汽車（chē）主模（mó）型（xíng）製造中數控加工中心的選型及應用（yòng）

2023-10-30 來源：東風（fēng）汽車公司技術中心作者：李慶豐楊興

隨著汽車工業（yè）不（bú）斷進步，人們對汽車（chē）的審美意識和個性化需求也越（yuè）來越高，激烈的市場競（jìng）爭推動著汽車產品的高速發展，汽車模型製作己成為新車型開發中不可缺少的關鍵環節，是汽車造型設計在效果圖的（de）基礎上構思進一步（bù）完善的（de）過程。汽車模型的製作是多工種、多技能的綜合體現 , 在模型製作階段，製（zhì）作過程選擇高效的數控（kòng）加（jiā）工（gōng）中心不僅能（néng）夠完成設計質量需求，同時能夠高效製作模型，為汽車短周期研（yán）發提（tí）供有力保障。

一、汽車主模型的（de）種類和製作特點

汽車主模型從早期的效果圖開始，經過泡沫體態模型，油泥模型，仿（fǎng）真模型（xíng），風動模型，色彩（cǎi）模（mó）型，驗證模型，驗證（zhèng）台架及空間驗證模型的（de）效果驗證，最終完成汽車造型的定義並批量生產。

1.汽車模型的主要製作類型

1）油泥模型 : 是車身設計中用油泥雕塑的汽車車身（shēn）模型。1972 年美國通用汽車公司將油泥應用到汽車設（shè）計（jì）開發模（mó）型上。對大多數世界知名（míng）車公司而言，製（zhì）作（zuò）油（yóu）泥模型是設計過程中非常重要的一個環節。油泥模型分為造型油泥模型和風洞（dòng）油泥模型（xíng），造型油泥模（mó）型完成產品定義（yì） ; 風洞油泥（ní）模型（xíng）完（wán）成車輛的風阻測試評（píng）定。

2）色彩模（mó）型:汽車造型的零件進行色彩定義，對模型的色彩設計（jì）及（jí）搭配進行評審（shěn）並做出（chū）決策，對不和諧的色（sè）彩重新設計（jì）或加以改進，使內、外飾色彩（cǎi）達到更佳的效果。

3）驗證模型 : 驗（yàn）證（zhèng）汽車實車數據的正確性、有效（xiào）性和可信性的研究與測試過程。一般包括兩個方麵 : 一是驗證所建模型即是（shì）建模者（zhě）構（gòu）想中的模型 ; 二是驗證所建模型能夠（gòu）反映真實係統的（de）行為特征 ; 有時（shí）特指前一種檢驗。

4）仿真模型（xíng） : 是指建立在汽車（chē）設計建模後，CAS 經過油泥模型（xíng）確認後，製作相對應硬質模型進行外觀確認和評審，後期（qī）根據評審意見進行相應外觀的修改和優化。典型汽（qì）車模型的（de）製（zhì）作階段和周期如圖 1 所示。

圖 1 典（diǎn）型汽車模型的製作階段和周期

2.汽（qì）車模型的（de）主要製作特點（diǎn）

（1）汽車模型材料要求製（zhì）作加工比例為 1:1，模型外表麵材料為糊狀可加工樹脂，局（jú）部部件（jiàn）可用塊狀樹脂（zhī）或 ABS，樹脂密度（dù）不得小於 0.6kg/ m3，該材料應具有 :

1）尺寸穩定（dìng），對溫度和濕度變化不敏感 ;

2）運輸過（guò）程中表麵不易損（sǔn）壞 ;

3）可獲得很好的表麵精度並可保持不變形 ;

4）模型表麵的可加工樹脂厚度（dù）須保持在（zài）30~40mm 左右 ;

（2）汽車模型（xíng）質量及精度要求

1）數控加工中加工刀具（直徑 Φ20mm 球刀）步距應（yīng）≤ 0.60mm，表麵波峰（fēng）與波穀差值應≤ 0.02mm;

2）模型加工（gōng）後，銑刀紋要保（bǎo）持（chí）連（lián）續光順、過渡平滑、色澤均勻，模型表（biǎo）麵（miàn）不允許有未加工麵 ;

3）模型銑削加工後，表麵上不得（dé）有氣孔砂眼、斑狀脫落等缺陷 ;

4）模型裝配後噴漆前（qián），模型（xíng）零部（bù）件加工尺寸應滿足設計數據（jù），尺寸公差 ±0.3mm，模型零部件裝（zhuāng）配規（guī）定的空間位置（zhì）、間隙和麵差，複位基準精度≤ 0.05mm;

5）色彩模型和仿真（zhēn）模型車身表麵按甲方提供的造型色彩效果塗裝 ; 表麵塗裝要求（qiú） : 刀痕（hén）輕（qīng）微打（dǎ）磨，不保留（liú）加工效果，漆膜應均勻、光滑，無流掛、微粒、纖維及桔皮狀，不允許有可見的針孔沙眼。驗證模型刀痕不允許打磨，保（bǎo）留加工效果，後期（qī）模型（xíng）底灰噴塗處理。

二、汽車模型使用（yòng）數控加工中心選型的主要參數

針對汽車模型加工技術特點和要求（qiú），對（duì）數控加工中心（見圖 2）的主（zhǔ）要參數進行梳理，主要數控（kòng）加工中心重點參數為（wéi） : 數控加工中心床身結（jié）構 ; 高速電主軸參數 ; 數控（kòng）係統 ; 測量係統 ; 使用環境要求。

圖 2 典型橋式龍門（mén）結構（gòu）加工中心

1. 汽車模型數控加工中（zhōng）心的結構件（jiàn）參數選擇

汽車模型的尺寸 : 長度方向約 5000mm; 寬度方向約 1800mm; 高度（dù）方向 1600mm。采用立（lì）式工作（zuò）台固（gù）定的高架橋龍門5軸（zhóu）5聯動數控機床，可配備各種規格五軸頭，其結構（gòu）靈活性使其特別適合加工模型類零（líng）件 : 整體大型模（mó）型加工（如汽車、船舶、軌道車輛、航（háng）天）; 飛機結構件 ; 複合材料高速加工。

（1）直（zhí）線軸參數

根據汽車尺寸參數，結合數控加工的刀具行程，確定數控加工中（zhōng）心的（de）軸行程（見表 1）。

表 1 加工中（zhōng）心的行程參數

電主軸回（huí）轉（zhuǎn）中心到工作台平麵的最（zuì）小距離（lí）為250mm 帶正壓防塵光（guāng）柵尺的 X-Y-Z 軸定位精度如表 2 所示。

表 2 加工中心的定位精度和重複定位精度

（2）數控加工中心床身結構零件（jiàn）的要求

機床床（chuáng）身結構件的確（què）定 : 為了獲得直（zhí）線軸最佳的動（dòng）態性能，所有移動部件的設計（jì）計（jì）算均考慮到重量、剛性和減振等因素。結構件要預先進行有限元分析設計（見圖 3），然後（hòu）借助結構（gòu）設計的專有軟（ruǎn）件，分析各軸的頻率響應和加工模擬，進一步優化結構設計，從而實現各種（zhǒng）的（de）動態響應、精（jīng）度和剛性的最佳匹配（pèi）。

圖 3 機床結構設計有限（xiàn）元分析

（3）數控加工中心結構零件的應力處（chù）理

結構件采用電焊鋼材料。如圖 4 所示，結構件在焊接成型後，先進行去（qù）除應（yīng）力熱處理。粗加工後、精加工前，進行（háng）進一步的消（xiāo）除應（yīng）力處理，以消除結構件內部的最終殘餘應力，確保機械部件維（wéi）持穩定的幾何精度。

圖 4 機床結構應力處理現場示意（yì）圖

（4）數控加（jiā）工中心驅動軸（zhóu）的間（jiān）隙補償（cháng）和 A、C 軸結構

驅動軸可以采用直驅伺服電機和齒輪傳動（dòng）方式。直驅方式結構簡單、無磨（mó）損、噪聲低、維護方便。齒輪傳動（dòng）方式響應速度相對滯後，後期調試（shì）和維保需要對間隙進行相關補（bǔ）償工作。

1）齒輪（lún）傳動的間隙補償方式機床各軸驅動（dòng）（背隙補償）機床所有的（de）伺服軸 (X) (Y) 和 (Z) 都是通過雙電機驅動斜齒輪 -齒條傳動係（xì）統實現的。電子反向間隙補償是借助數字驅動在兩個齒輪間產生（shēng）一個（gè）機械預載（機械耦合）。係統驅動一個齒輪稍稍領（lǐng）先於另一個，由此實現預載。其優（yōu）勢就是不需要任何調（diào）整，因為一個齒（chǐ）輪始終領先於另一個，這樣就自動彌補了（le）齒輪和齒條間（jiān）產（chǎn）生（shēng）的磨損。齒輪傳動補償示意圖如圖 5 所示。

圖 5 齒輪傳動補償示意圖

2）數控加工中心 A、C 軸結構雙軸主軸頭由（yóu）兩個極坐標 A/C 構成，兩軸均由力矩（jǔ）電（diàn）機驅（qū）動，以獲得最好的動態性能。其非（fēi）對（duì）稱結構可確（què）保性能、剛性和重（chóng）量的最佳組合。主軸一側包含帶氣動夾緊係統的 A 軸電機，液壓和氣動連接，和（hé） A 軸檢測。C 軸和 A 軸都可在任何位置氣動夾緊定位。C 軸和A 軸電機由恰（qià）當匹配的冷卻係統進（jìn）行循環冷卻（què），以確保在任何運行工況，工作穩定。

圖 6 偏置式主軸示意圖

2.高速電主軸的選型

電主軸 ELECTROSPINDLE 24000 rpm(D.02.96JF): 該型號主軸是模型（xíng）加工中特別配置的（de）高速電主軸，由專門的冷卻回路保持（chí）恒溫（wēn）。換刀時，主軸錐孔壓縮空氣吹氣保護。高速電主軸的選型參考如表 3 所示，主軸功率扭矩（jǔ）圖（tú）如圖 7所示。

表 3 高速電主軸的選型參（cān）考

圖 7 主軸功率扭矩圖

3.數控係統的選型（xíng）

五軸數控加（jiā）工係統綜合性能較好的型號是（shì） :FANUC31I; HEIDENHAIN iTNC 640; 西門子 840D。以海德漢係統（tǒng）為例（lì），海德（dé）漢（hàn） iTNC640HSCI 數控係統和同型號驅（qū）動原件能夠最大限度發揮（huī）出機床機械（xiè）和所配驅（qū）動的（de）特（tè）性。模型五軸（zhóu）加工需要數控（kòng）係統提供相（xiàng）應的功能 :

①海德漢實時操作係統（tǒng），顯示 PDF 文件。圖紙（zhǐ），工藝指令直接在數（shù）控係統中打開 ;

② iTNC 6400 中直接訪問互聯網，內置瀏覽器（qì） ;

③在 iTNC 640 中能直接打開多種文（wén）件格式且能用相應編輯（jí）器（qì）編輯，部分格（gé）式文件 ;

④文本文件（.txt，.ini）; 圖形文件（.gif，.bmp，.jpg，.png）; 表（.xls，.csv）; 網頁文（wén）件（.html）;

⑤標準化的操作係統對話框（kuàng）顯示格式 ;

⑥設（shè）置防火（huǒ）牆，提供（gòng）更高數據安全性。

4.汽車（chē）模（mó）型數控（kòng）加工中心測量係統的選型

加工中心的測量係統分為工件測（cè）量係統和刀具測量係統，為數控加工的模型質量和（hé）數控切削參數提供數（shù）據支撐。

（1）工件測（cè）量係統的選型

接觸式（shì）測頭能夠在加工過程中和加（jiā）工（gōng）結束（shù）後自動（dòng）檢測工件，從而可以更（gèng）精確（què）地控製工（gōng）件（jiàn）精度，顯著提升加工精度及生產效率。可實現以下功能 : 工件 / 夾具（jù）預定位 ; 測量監測加工去除量 ; 加工過程中檢驗 ; 加工結束後尺寸核驗。接觸（chù）式測頭采用無線傳（chuán）輸，可自動更換夾持刀柄，檢測係統管理軟件可從機床程序內（nèi）自動調（diào）加載程（chéng）序。RENISHAW RMP60 接觸式測頭HSK-A-63 刀柄包含海德漢檢測循環 (D.10.24.H)。標配探針直（zhí）徑 φ6 mm，長（zhǎng）度 50mm。

（2）刀（dāo）具（jù）測量係統的選型

激光對刀係統可以精確（què）可靠（kào）地完成以下任務 : 刀具長（zhǎng）度 ; 刀具半徑 ; 刀具破損檢測（cè）可以直接（jiē）由數控（kòng）係統加載並管理對（duì）測（cè）量值的自動補償。最小檢測長度（dù） 120mm，最大檢測直（zhí）徑 300mm。測量係統附件包含 : 激光單元固定到機（jī）床上的支架 ; 信號處理係統 ; 管（guǎn）理軟件 ; 用於修改和（hé）補償的特殊軟件循環（huán）。

5.汽車模型數控加工中心使用的環（huán）境要求

三（sān）、結束語

隨著技術和裝備的引進不斷的（de）提升，國內模型製作水平已經縮小了與國際模型先進地區的差距。作為模型製作（zuò）的核心裝備，除了在數控加工裝備選型上參數（shù）不（bú）斷細化外，必須（xū）正確定位汽車模型的加工類型和範（fàn）圍，這樣才能選定出適合企業需求的（de）設備型號。同時從技術水平上和管理水平突破（pò），使得汽車模型實現短周期、高質量、低成本的目標。東風技術中心在（zài） 2017 年使（shǐ）用高速加工中心後，累計完成模型 52 台，機床開動率保持 58%，完成 12 類車型的開發，為（wéi）東風自主品牌研發提供了有（yǒu）力的保障。

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