汽車覆蓋件用淬硬鋼模具的銑（xǐ）削加工
2023-7-5 來源：哈爾濱理工大學（xué）機械動力工程學院 作者：劉獻禮
前言
隨著我國汽（qì）車工業的快速發展，各大汽車（chē）製造廠商為了爭奪市場，適應購買者對汽車使用性能（néng）及造型個性化等方麵的需（xū）求，不斷進（jìn）行（háng）新舊車型的更新換（huàn）代，改（gǎi）型（xíng）車（chē）和新型車的最主要的標誌就是車（chē）身外（wài）形必須改換，汽車（chē）的覆蓋件模具要重新設計製造。
圖（tú） 1 汽車覆蓋件零件分（fèn）解
圖（tú） 1 為（wéi）汽車車身（shēn）覆蓋件拆解，一輛轎車汽車覆蓋件數量高達數十件甚至百件以上，每件覆蓋件均由其（qí）成配套模具（jù）衝壓（yā）成形，這些配套模具的設計和製造時間嚴重製約汽車換改型的（de）周期。可見，新舊車型的快速升級換（huàn）代，對汽車（chē）覆蓋件模
具產生了巨大需求。
為（wéi）提高汽車大型覆蓋件淬硬鋼模具的生產效率，銑削加工技（jì）術在（zài）國內汽車模具製（zhì）造企業中（zhōng）得到程度不同的應用。對比傳統的磨削加工（gōng）工藝，銑削（xuē）加工（gōng）可以獲得理想表麵質量，同時具有加工柔性好、無汙染等特點。國內汽車覆蓋件模具加工時，一（yī）般在模具切削加工工序（xù）之後還要花（huā）大量工時進行人工磨拋，其時間一（yī）般需要 3 周以上，模具最終尺寸精度和表麵質量靠大量的鉗工（gōng）修磨研配（pèi）來保證，因此，生產效率極低。而且目前中高檔轎車的外覆蓋件模具，國內汽車模具生（shēng）產廠家還沒有生產能力。因此，開展中高檔汽車覆蓋件（jiàn）模具的高效、高精度（dù）銑削（xuē）加工技術對提高模具製造水平和促進（jìn）汽車產業的（de）發展具有重要的支撐作用。
1、汽車覆蓋件模具特（tè）征和加工難點
汽車大型覆蓋件模具是生產汽（qì）車車身的大型關鍵工藝裝備（bèi），其主要特（tè）征如圖 2 所示。
圖 2 汽（qì）車（chē）覆蓋件模具的加工特征（zhēng）
(1) 工（gōng）件材料屬（shǔ）於典（diǎn）型高硬度、高強度材料（liào）。模具材料（liào）多為 7CrSiMnMoV 和 Cr12MoV 等模具鋼，淬火後硬度達到 HRC45~65。
(2) 型麵特征複雜。存在凹曲麵、凸曲麵、傾斜麵、陡立麵、拐角（jiǎo）、溝槽等特征型麵，且為保（bǎo）證凸凹模的合模精度對模（mó）具型麵加工精度和表麵加（jiā）工質量要求高。
(3) 輪廓尺寸大。其尺寸範（fàn）圍 (0.5~2.5)m×(1.5~3.5)m，加工（gōng）型麵麵積（jī）大，切削路（lù）徑長，數控加工設備各運動軸行程（chéng）範圍大。
(4) 多硬度材料拚接結構。為滿足大型衝壓（yā）模具的加工精（jīng）確度（dù），提（tí）高加工效率，大型模具一般 用多個分塊模具拚接而成，或根（gēn）據模具不同位置所受應力的特征，采用鑲塊（kuài）式淬硬鋼與模具本體拚接而成。在製作分塊模（mó）具和淬（cuì）硬鋼鑲塊時首先單獨進（jìn）行粗加工和半精（jīng）加工，然後再拚接成整體模具後（hòu）進行（háng）精銑加工。多硬度拚接淬硬鋼材料硬度相差高達 ΔHRC5-ΔHRC20。
(5) 加工（gōng）精度（dù）和（hé）表麵加（jiā）工質量要求高。為保證覆蓋件的光順性，要求凸凹（āo）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（hé）表麵加工（gōng）質量有很高的要求。若（ruò）模具（jù）上有一處（chù）型麵輪廓精度達不到要（yào）求或存在（zài）表麵加（jiā）工缺陷，會導（dǎo）致衝壓件出現褶皺、凹陷等缺（quē）陷，則整套凸凹模具均不能（néng）再使用。
圖 3 汽車模具生產企業的一般加工流程
國內汽車模具生產企（qǐ）業的一（yī）般加工流程如圖3 所示，模具最終表麵加（jiā）工質量和型麵精度（dù）要靠鉗工（gōng）大量的打磨研（yán）合來保證，工（gōng）件淬火（huǒ）後的加工（gōng）精度直接影響後期拋（pāo）光研磨的工作量。目前對（duì）於型（xíng）麵特征複雜而表麵加（jiā）工質量和型麵位置精度要求不高（gāo）的汽車內覆蓋（gài）件模具的加工技術問題已經（jīng）基本解（jiě）決（jué）了，然而在加工（gōng）精度要求高的汽車外覆蓋件模具製（zhì）造方麵，仍普遍（biàn）存在著生產效率較低、刀具使（shǐ）用壽命不足、已加工表麵質量差等突出（chū）問題，導致模具整體合模精度低，覆蓋件衝壓成品光順性較差。嚴（yán）重影響汽車模具成形（xíng）精度、使用壽命和生產效率。
汽車大型覆蓋件模具銑（xǐ）削加工中的難點。
(1) 汽車模具銑削條件惡劣，出現型麵誤（wù）差和表麵加工（gōng）缺陷。淬火後高硬度材料銑削時刀（dāo）具切入困難（nán），與（yǔ）工件之（zhī）間出現滑擦現象（xiàng） ; 型麵加工特征多變及多硬度拚接特征銑削載荷變化頻繁，易引起刀具變形、振動、磨損、破損（sǔn） ; 材（cái）料拚接處由硬度差導致的加工輪廓不一致。這些現象導致型麵誤差和表（biǎo）麵加工缺陷。
(2) 汽車（chē）模（mó）具銑削（xuē）過程易產生顫振。汽車模具銑削過程動態銑削（xuē）力大（dà），且加工工藝係（xì）統動態性能了（le）解不清，無法有效的控製顫（chàn）振，導致加工表麵惡化。一些（xiē）企業為了避免切削顫振發生，通常（cháng）以犧牲加工效率為代價，選擇保守（shǒu）的切削參數，導致數控加工設備（bèi）性能得不（bú）到充分發（fā）揮。
(3) 刀具性能不滿足銑削要求。為保證模具型麵的完（wán）整性及覆蓋件成形質量，精加工時要求刀具遍曆整個汽車（chē）模具加工表麵，中（zhōng）間（jiān）過程不能換刀，刀具使用壽命需要達到 4~12 h; 不（bú）同硬度工件（jiàn）材料拚（pīn）接過渡（dù）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（duì）刀具性能提出了更高要求。
(4) 汽車（chē）模具（jù）複雜型麵數控（kòng）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（mó）具拋光（guāng）、打磨等工（gōng）序的（de）任務量（liàng） ;模具型麵變曲率特征、拐角特征等易產（chǎn）生刀具局部幹涉（shè） ; 無法有效地根據特定的加工曲麵和加工條件進行刀具路徑的規劃，導致（zhì）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（jiā）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、加工工藝係統（tǒng）動力學（xué）特性與銑削（xuē）穩定性分析、汽（qì）車覆蓋件（jiàn）淬硬鋼模具銑削加工用刀具研製、模具複雜曲麵數控編程技術及工藝規劃研究等方麵進行係統深入的研究，本文（wén）針對這幾方麵的研（yán）究現狀進行歸納和總（zǒng）結。
2 、淬硬鋼模具銑削過程建模與分析（xī）
2.1 淬硬鋼模具銑削的理論建模
2.1.1 球（qiú）頭刀銑削力建模
汽車覆蓋件淬硬鋼模具銑削過程（chéng）中產生較大銑削力，直接影響模（mó）具的（de）切削加工性、刀具磨損（sǔn）、刀具變形、機床振動、加工（gōng）精度（dù）及表麵完整性等。目前，汽車模具的（de）銑削加工多采用球頭銑（xǐ）刀，而球頭銑刀銑削力模型應用最（zuì）普遍的是球頭銑刀瞬時剛（gāng）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麵（miàn）積和切削刃（rèn）接觸長度的函數。
汽車模具複雜曲（qǔ）麵銑（xǐ）削加工中，刀具的銑削狀態一般（bān）是不斷變化的，變銑削（xuē）狀態主（zhǔ）要包括刀具進給方向的變化和刀（dāo）具 - 工件切觸區域的變化。而刀具銑削狀態變化在銑削力（lì）模型（xíng）中主要通過未變形切屑厚（hòu）度體現出來，進給方向變化（huà）通過對未變形切屑厚（hòu）度計算（suàn）模型的影（yǐng）響體現出（chū）來，刀具與工（gōng）件切觸區域的變化用以界定未變形切屑厚度計算模型的有（yǒu）效範圍。球頭刀銑削曲麵的銑削力建模需要解決（jué）的關鍵（jiàn）問題有 : 球頭刀刃線幾何模型、刀具 - 工件接觸區域確定、瞬時未變形切屑厚（hòu）度計算、銑削力（lì）係數識別、銑削力在（zài）各坐標係間的轉換、被（bèi）加工表麵類型。
2.1.2 球頭刀銑削表麵形貌建模
從理論研（yán）究的角度（dù），球（qiú）頭刀銑削表麵形貌建模方法主要分為兩類。一類（lèi）是幾何實體建模法，建（jiàn）立刀具和工件的 CAD 幾何實（shí）體並離散（sàn），通過布爾操作運算獲得工件表麵形貌模型。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 網格節點，並求得每個網格節（jiē）點對應 z 坐標的法（fǎ）向殘餘高度值，這些網格節點就組成工（gōng）件的數字化模型，用以表述已加工表（biǎo）麵。
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（yǒu）限元模擬研究（jiū）中主要關注分（fèn）析（xī）預測銑削力、銑削溫度場、切屑（xiè）形成與流（liú）出、刀具磨損、加工變（biàn）形、表麵殘餘應力和加工過程中微觀結構變化等方麵，圖 4 為（wéi）汽車模具有限元數值模擬實施方案（àn）。
圖 4 汽車模具銑（xǐ）削仿真（zhēn）過程
絕大（dà）多（duō）數的淬硬鋼銑削過程有限元數值模擬仿真都是平麵或斜麵銑（xǐ）削加工，對於凸凹曲麵及拐角等特征型麵的研究較少，其主要難度體現在凸凹曲麵及拐角等型麵特征的銑削（xuē）過程刀具運（yùn）動軌（guǐ）跡非直線，刀刃與（yǔ）工件的接觸區域不斷變化，運動（dòng）軌跡加載難度較大 ; 凸凹曲（qǔ）麵及拐角等型麵特征的銑削過程的模擬仿真過程計算量大，不易收斂。圖 5、圖 6 分別為凸曲（qǔ）麵銑削過程有限元數值模擬（nǐ）和為拐角銑削過程有限元數值模擬。
圖 5 凸曲麵銑削有限（xiàn）元仿真 圖 6 拐角銑削有限元仿（fǎng）真（zhēn）
3、 汽車覆蓋件模具銑削刀具研製
汽車覆蓋件模（mó）具銑削（xuē）加工過程中刀具磨損破損嚴重，因此（cǐ）刀具應具備高（gāo）硬度、良好（hǎo）的耐磨耐熱性、抗衝擊和化學穩定性等性能。汽車模具銑削用刀具主要采用硬質合金、PCBN、陶瓷等材料，一般企業首選銑刀材料應是硬質合金，其特點是硬度高（gāo）、導熱性好且成本較低。為了（le）提高刀具的耐磨性、耐高溫性和化學穩定性，塗層硬質合（hé）金的使用越來越普遍。塗層的（de）材料，從 TiN、Al2O3、TiC 發展為 TiCN、TiAlN、TiSiN、CrSiN 等。陶瓷刀（dāo）具耐（nài）磨（mó）耐熱性（xìng）好、化學穩定性優良（liáng），其抗黏結性比硬質合金好，主（zhǔ）要失效形式是衝擊破損（sǔn）和切（qiē）削刃（rèn）磨平。PCBN 的主要特（tè）點是硬度高、耐磨性和耐熱性（xìng）好（hǎo），切（qiē）削難加工材料（liào）時耐磨性約是陶（táo）瓷刀具的 25 倍（bèi），硬質合金的 50 倍。在汽（qì）車覆蓋件淬硬鋼（gāng）模具銑（xǐ）削（xuē）加工中，PCBN 的性能相對較好。
選定刀（dāo）具材料後，設計和（hé）優選出合理的刀具結構是實（shí）現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（xuē）加工模擬試驗，對比（bǐ）分析刀具物理場分布（bù），來設計和優選刀（dāo）具結構、刀具刃口刃形及刀具幾何參數，提高（gāo）刀（dāo）具（jù）切削的（de）性能。
3.1 刀具結（jié）構設計
汽車模具製造廠家的常（cháng）用刀具如表 1 所示（shì），主要有球頭銑刀和（hé）環形銑刀。球頭銑刀由於具有數控編程和避免局（jú）部幹涉簡單的特點，在複雜曲麵銑削中應用最多。但球頭銑刀切削刃上不同位置切削速度不等，刀尖點切（qiē）削（xuē）速度為零，切削狀（zhuàng）態惡劣，加劇刀具的磨損，影響表麵加工質量，且行間距（jù）較小，加工效率較低。近年來（lái）學者們逐漸發現非球頭銑刀在加工質量和加工效率上的優勢，開始注重對非球頭銑刀的設計（jì）研究，主要（yào）是環形銑刀的設計和（hé）研製。
表 1 適用於不同加工型（xíng）麵的汽車模具銑刀
環形銑刀在（zài）銑（xǐ）削小曲（qǔ）率大曲（qǔ）麵平坦型麵時能發揮其優勢，在銑削大曲率小曲（qǔ）麵和（hé）陡立麵等型麵時易出（chū）現欠切和過切，因（yīn）此環形銑（xǐ）刀銑削複雜（zá）曲麵適用情況有（yǒu）限。非圓（yuán）弧刃球型刀 ( 雙曲線回轉刃形、橢圓回轉刃形、拋物線回（huí）轉刃形等 ) 適用於仿形（xíng）加工，如圖 7 所示，可用於不同曲（qǔ）率的複雜曲麵加工。
圖 7 非圓弧刃球型刀
非圓弧刃（rèn）球型刀與相同（tóng）直徑的球頭銑刀（dāo）相（xiàng）比，參與切（qiē）削（xuē）的切削刃長度更長，切削過程中變形振（zhèn）動減小，可以實現平穩切（qiē）削，提高了刀具壽命，加工成本降低。與環形銑刀相比，非圓弧刃球型刀的切削刃（rèn）曲率光（guāng）滑漸變，可（kě）以實現平穩切削。對於非（fēi）圓（yuán）弧刃球（qiú）型刀的研製需要在刃形結構設計，優化刃形參數，建立幾何結（jié）構模（mó）型，準確磨製（zhì）切削刃，評價切削性能（néng），製定（dìng）工藝規範，數控加工刀具路徑規劃技術等方麵進一步進行研究。
3.2 銑削刀具磨製
目前（qián）還未有汽車覆蓋件淬硬鋼模具銑削加工用的專用刀具，一（yī）般製（zhì）造企業在汽車模具精加工多（duō）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，還易出現崩刃破（pò）損，導致刀具使用壽命小、加（jiā）工效率低。因此，麵向多硬度拚接汽車大型（xíng）覆蓋件淬硬鋼模具開發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（hé）表麵質量的一種新途徑。合理選擇刀（dāo）具材料並結合優質塗層材料和塗層技術，選用整體（tǐ）式磨製刀具結（jié）構和鑲片（piàn）式刀具結構，優選刀具刃線形式，精準設計刀（dāo）具刃口刃形和前刀麵槽型等幾何參數（shù），開發用於精加工的環形刀具和非圓弧刃球型刀具，並開發相關磨製工序及工藝優化技（jì）術。
4、 模具曲麵數控編程技術及工藝（yì）規劃
汽車覆蓋件模（mó）具（jù）型麵和型腔（qiāng）精加工（gōng）在保證加工質（zhì）量的前提下，提高加工效率。為保證複雜（zá）曲麵和型腔的銑削過程穩定、高效，通常通過提高刀具路徑的光順性和（hé）保證銑削載荷恒定來實現。
4.1 模具複雜曲麵自由曲麵刀具路徑規劃
汽車車身曲線（xiàn）曲麵造（zào）型是由自由曲線和自由曲麵來描述，因此，汽（qì）車覆蓋件及其內飾件用模具（jù）多數（shù）為輪廓尺寸大、型麵特征複（fù）雜的空間自由（yóu）曲麵。自由曲麵的數控加工（gōng）過程（chéng）中刀具軌跡規劃（huá）是關鍵任（rèn）務，直接影響零件表麵加工精度和加工效率。目前針對汽車覆蓋件模具的加（jiā）工設備（bèi）大（dà）多為 3 軸數控（kòng）加工中心或者 3+2 軸數控加工中心，粗加工和半精加工使用（yòng）的刀具多為環形銑刀和球頭銑刀，精加工（gōng）使用的刀具多為球頭銑刀（dāo）。
圖 8 環形（xíng）銑刀（dāo）加工自由曲麵示意圖（tú）
汽車大型覆蓋件（jiàn）模具型麵中存在著大量的大麵積平（píng）坦麵，如發動機蓋模具、天窗模具等，球頭銑刀加工這些型麵時切削（xuē）效率低且切削速度不恒定，而將環形銑（xǐ）刀寬行加工技術應用於汽車模具加工中，可提高（gāo）切削效率和表（biǎo）麵加工質量。圖8 為環（huán）形銑刀寬行加工自由曲麵示意圖。汽車模具製造企（qǐ）業中已意識到環形銑刀寬行加工的諸多（duō）優勢，但實際銑削過程應（yīng）用存在著切削餘量（liàng）掌握（wò）不好，已出（chū）現過（guò）切和欠切，這些問題需要由寬行數控加工切觸理論和（hé）刀具軌跡（jì）規劃（huá）的研究來解決。
4.2 基於切削載荷的加工（gōng）工藝（yì）規劃
這方麵的研（yán）究主要集中在對自由曲麵的球頭銑刀三維銑削刀具路徑的優化，基本（běn）方法是通過控製主軸轉速和進給速率來保持切削速度和切削載（zǎi）荷維持在穩定的範疇之內。基於這一原則進行數控加工編程（chéng）可以減少銑削加（jiā）工時間，同（tóng）時延長刀具的使（shǐ）用壽命。在粗（cū）加工和（hé）半精加工過程中（zhōng）該方法可以避免過大的刀具偏移量導致的加工曲麵輪廓偏離理論設計曲麵（miàn）。
恒定切削載（zǎi）荷為目標的加工工藝規劃研究主要從兩個方麵展開。
(1) 基於體積模型的優化研究，假設銑削力與材料的平（píng）均（jun1） / 瞬時材料去除率成比例（lì）關係。多數研究者通（tōng）過改進材料去除（chú）率的算法（fǎ）實現進給量的優化（huà）研究。目前多數的商用 CAM 軟件的加工參數優化模塊多（duō）采用這種方法。
(2) 基於銑削力（lì）預測模（mó）型的進給優化（huà）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（lì）限（xiàn）定（dìng）在（zài）某一固定值 / 某一範圍內，將固（gù）定的進給量值重新優化為一（yī）係列進給量，以滿足高效加工的要求。
5. 結論
由於汽（qì）車覆蓋件模具工件材料和結構的特殊性，還需要對以（yǐ）下幾個方麵進一步（bù）研究。
(1) 通過理（lǐ）論建（jiàn）模分析、數值模擬和試驗研究，進一步研究自（zì）由曲麵（miàn）硬態銑削過程切削層參數變化機製、銑削力、銑削溫度、切（qiē）入切出情況、輪廓精度、表麵完整性及刀具使用壽命等基礎問題，揭示自由曲麵硬態銑削過程的特殊規律和現象 ; 深入研究多硬度拚接過縫處的加工特（tè）性，即銑削力階躍值、銑削溫度、刀具（jù）磨（mó）損破損等隨（suí）工件材料硬度差、刀（dāo）具材料和幾何參數、切削參數及加工策略的變化規律。
(2) 麵向多硬度拚接汽車大型（xíng）覆蓋件淬硬鋼模具開（kāi）發高（gāo）效高精度加工新（xīn）型專用刀具，是提高汽車模具加（jiā）工效率和表麵（miàn）質量的（de）一種新途徑。合理（lǐ）選擇刀具材料並結（jié）合塗層技術，優選刃（rèn）線形式，精準設（shè）計刀具刃（rèn）口刃形和前刀麵槽型等參數（shù），並開發相關磨（mó）製工序及工藝優化技（jì）術。
(3) 對汽（qì）車模具特（tè）殊型麵和多（duō）硬（yìng）度拚接等特征的銑削精加工刀具路徑生成算法深入研究，開發的環形刀、非圓弧刃球型刀具（jù）等新型刀具的路徑（jìng）規劃算（suàn）法 ; 在綜合考慮機床銑削特（tè）征、刀具切削性能及物理因素的基礎（chǔ）上製定（dìng）綜（zōng）合加工工藝（yì）。
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