汽车覆盖件模具高速切削加工过程的数值模拟与关键工艺技术研究

汤金所

摘要：汽车覆盖件模具是汽车生产中最为复杂的大型工艺装备，为了提高汽车覆盖件模具的加工精度以及加工效率，目前通常采用高速切削的加工方式。完善全面的高速切削工艺可以更好的保证高速切削加工的加工质量并且可以降低加工成本。汽车覆盖件模具高速切削加工的数值模拟和关键工艺技术的研究具有很重要的理论意义与实用价值。

关键词：汽车覆盖件模具;高速切削加工;数值模拟

引言

现在国内外的制造业竞争十分激烈，而汽车制造业是制造业中最为重要的一部分，所以汽车制造业的发达程度已经成为衡量一个国家制造业实力的标准。在汽车开发制造过程中，汽车车身的设计制造是整车开发的重点也是开发的难点，因此，车身的开发制造一直是汽车制造业研究的热点。随着社会的发展，经济的进步，人民的生活水平逐渐提高，消费观念开始向个性化发展，汽车已经不仅仅是单纯的交通工具，购车者在选车时更加注重汽车的外型和轮廓是否美观。为了满足广大消费者对汽车外型的不同需求，各个汽车公司的车型也是越来越多，在研发过程中，更加注重汽车覆盖件的种类和质量。汽车覆盖件主要包括汽车外部结构的一些冲压件，比如发动机罩、前后翼子板、后行李箱等等。汽车覆盖件的质量直接影响整车的装配质量，并且汽车覆盖件也与汽车的行车安全性、行车舒适性有很大关联。汽车覆盖件在不断更新发展，不仅要满足消费者的审美要求，也要更多考虑汽车的行车动力学特性，在保证美观、舒适、安全的的同时，减少行车阻力，降低油耗，提高整车性价比。本文对汽车覆盖件高速切削加工过程的数值模拟进行了具体分析，并且对高速切削加工过程中的关键工艺进行研究，通过对比确定最佳加工方式。

1.汽车覆盖件模具高速切削加工过程的数值模拟

汽车覆盖件模具的加工过程很复杂，涉及到摩擦学、热力学等很对领域。因此很难用传统的方法对汽车模具高速切削加工过程进行准确的分析研究。过去科学水平有限，常常采用的逐个实验法的方法对其进行研究，不仅费事费力，生产成本也会增加，并且得出数据也只是经验值，不能做到对汽车覆盖件模具切削的定量分析。现在计算机技术发展迅速，可以利用有限元方法对高速切削加工过程进行仿真加工模拟，从而得到切削加工过程中各个参数之间的关系。应用计算机有限元分析能够更为准确的对高速切削加工过程进行实时监测，随时调整完善加工进给量等工艺过程，保证高速切削加工的工作效率。并且有限元方法对于切削材料在加工过程中的热变形等行为的考虑更加准确实际，对比传统的逐个实验法获取经验值的方法，采用有限元的方法得到的数据得到的更为准确可靠。现在数值模拟分析技术主要应用于金属的常规速度切削加工，对于高速切削加工领域应用数值模拟还很少，所以将数值模拟应用于汽车覆盖件模具的高速切削加工过程中，首先要优化其加工工艺参数，建立完善的高速切削数据库，并且设计具有针对性的系统结构。通过数值模拟可以建立很多力学模型，例如在高速切削加工过程中，前刀面上受力不均匀，刀具行程越大，正应力越大，基于数值模拟可以建立刀屑界面接触应力模型，刀屑界面摩擦力方程为：

当（滑动摩擦区域）

当（粘着摩擦区域）

式中—工件材料极限剪切应力

—摩擦系数

—正应力

2.覆盖件模具高速切削加工过程中关键工艺技术

汽车覆盖件模具对于加工工艺的要求很高，其具有曲面多、尤其参与成型凸R角硬度高等特点，所以汽车覆盖件模具的加工不同于传统的机械零部件加工，汽车覆盖件的制造加工过程更为复杂。对于汽车模具高速加工运用，对其加工工艺、编程策略的策划，刀具系统、在线监测系统以及设备的选型都有别于传统的数控加工模式。

图2-1陡峭斜面3+2轴加工示意图        图2-2曲面3+2轴加工示意图

随着对模具材料的不断开发和切削刀具的不断更新，高速切削过程中的切削参数也有着质的变化，并且，不同的加工机床有不同的加工工艺。目前汽车覆盖件模具高速切削加工工艺主要有3轴联动数控加工、3+2轴数控加工以及5轴联动数控加工这三种加工方式。对比三种加工工艺，3+2轴数控加工相对是较优的。因为3轴联动数控加工过程中球头刀具的轴线方向是固定的，会导致零切削速度点和刀杆挠曲变形的问题;而5轴联动虽然克服了3轴联动加工的缺点，但是其高速切削加工过程的数控编程过于复杂，必须要有计算能力和计算速度很高的计算机数控系统才能支持5轴联动高速切削加工的进行，再有就是模具型面曲面不规则，法向不断变化，加工时五轴联动会对五轴数控提出较高的刚性和强度要求;对于3+2轴数控加工方式，其具有以下优点：①把新的加工坐标设置好后，在高速切削加工过程中对其碰撞干涉模拟检查和过切检查步骤就很容易进行;②可以用不同的进给量对覆盖件模具的不同型面区域进行分块加工;③在对覆盖件模具进行精加工时，可以根据仿真模拟模具型面区域的型腔深浅将刀具自动替换成相应刀长的刀具（刀具取短原则），保证覆盖件模具型面加工精度要求。④加工不同的区域有编程人员按模具型面分类编程，分类编程后程序员将所有分模块程序处理为一个程序对整个模具型面数控加工，保证各个区域的加工精度满足设计要求。

3.结语

本文研究的重点是汽车覆盖件高速切削加工过程的数值模拟相关内容，讨论了在高速切削加工过程中对加工参数进行优化，并且建立高速切削数据库，通过对多种加工方式的对比，确定3+2轴数控加工为最优加工方式。本文研究所得到的结论希望能够为以后对于汽车覆盖件高速切削加工过程提供支持。

参考文献：

[1]周学良，阮景奎，宫爱红，蒋德辉.基于UG的高速切削数据库系统的设计与开发.湖北汽车工业学院学报，2005，19（4）：31-33

[2]宫爱红，阮景奎，杨勇，周学良.合金铸铁高速切削的有限元模型.制造技术与机床，2007，（8）：36-40

[3]阮景奎，胡明茂.模糊综合评判法在高速切削工艺设计CBR系统中的应用.中国机械工程学会第十次工业工程年会论文集.天津：天津大学出版社，2007：86-90