汽车覆盖件模具高速切削加工优化研究

陈芳

（西安航空职业技术学院 陕西 西安 710089）

引言

高速切削技术应用于制造过程中，整体的切削速度相较于常规切削，其进给率比常规切削加工提高5~10倍之多，如今随着此项技术不断创新和研发，该项技术具备了更高的切削速率。在完成切削工艺技术过程中[1]，能够行之有效地对刀具、机床主轴、工件等切削负荷有所减少，因此被较为广泛地应用于各类工业制造过程中。近些年在通过将新型结构及新型材料完成加工过程中，通常需要依据不同的刀具，完成多次切削加工实验，得出最为恰当的刀具切削参数。在选择切削参数的过程中，通常需要针对切削参数优化设计，以其大量的实际简化作为切削工艺的前提，完成相应的结果优化[2]。由此本次研究针对汽车覆盖件模具高速切削加工优化展开，期待本次研究成果能够为汽车覆盖件模具，在完成高速切削加工过程中为其提供可参考依据。

1 汽车覆盖件模具高速切削加工技术对机床的要求

1.1 高速机床控制系统

通常由于汽车的整体覆盖件模具结构尺寸较大，形状较为复杂，并且对其表面的整体要求相对较高，因此在完成高速切削加工过程中，必然也对机床的预处理能力有所要求。那么现阶段机床的CNC控制系统中，具备了较大的容量内存，并且有着有效的ETH-ERNET通信技术，再者NURBS曲线插补，更是为汽车覆盖件模具的复杂曲面提供了相应的短程序段以及光滑插补的相应解决方法，确保了切削的精度需求。

1.2 高速机床的高转速及大功率

高速切削技术在应用过程中，其主要的核心部件就是高速机床的主轴，它直接影响了高速切削工艺的整体切削速度、切削精度、切削品质以及切削的具体应用范围[3]。现阶段高速切削加工机床，通常采用的主轴转速往往是超出10 000 r/min的，在20 000~80 000 r/min之间的主轴转速被多次使用。汽车覆盖件模具的整体形状相对较为复杂，因此在完成切削加工过程中，机床刀具会处于较长的悬伸情况，因此必然要求机床主轴具有较大功率[4]。

1.3 高速机床直线运动高加速度

高速切削加工技术在应用过程中，高速切削机床需要根据高速切削的具体特性，在实现高动态的进给驱动速度之下，基于主轴的启动再至加速，通常只是需要1~2 s的相应时间，工作台的整体加减速度则控制在1~5 s之内，确保汽车覆盖件模具的整面型大圆角半径曲面处于高速加工[5]。针对部分结构较大、形状复杂的汽车覆盖件模具，也可通过使用高速五坐标联动性加工，从而完成了大型汽车的覆盖件模具高速切削加工。

2 有限元模拟关键技术

2.1 构建有限元模型

通过依照汽车的覆盖件模具加工过程中，所使用刀具以及工件的主要特征，构建高速切削三维有限元模型如图1所示。

2.2 热耦合方程

在完成三维有限元模型构建之后，需要基于大变形-大应变的有关理论，完成对高速切削过程中，物理力学的模型构建，针对性地建立基于有限元模型的热-弹塑性本构方程：

图1 高速切削三维有限元模型

2.3 材料本构模型

材料本构模型通常针对汽车覆盖件模具，在高速切削过程中热力、机械以及力学物理现象，借助高速切削的有限元模型[6]，在现有材料结构基础之上，J-C模型能够有效根据材料的剧烈变形特征，选择适合高速切削的仿真过程，实现本构模型的方程。针对J-C模型完成了冲击压缩实验、准静态化压缩实验，具体设计过程，如图2、3所示。

图2 冲击压缩试验

图3 准静态化压缩试验

3 模拟分析及实验

通过基于如上的有限元模拟技术，汽车覆盖件模具高速切削过程，完成了有限元模拟。所加工的有关材料整体作为硬质合金，具体使用切削参数，如表1所示，最终得出有限元模拟结果，可以发现切削的最大作用力，主要产生于刀刃及后刀之上，距离刀尖愈远，那么工件的整体内部作用力就会逐步减少。

为了对如上模型中的有限元模拟具体结果是否正确进行验证，通过设计了高速切削工艺实验，针对实验中的工件材料、刀具以及具体的切削参数，完成实验发现相一致。具体的实验测试中，切削的有限元模拟数值相较实验所得数值如表2所示。

表1 有限元模拟高速切削参数

表2 高速加工切削参数

从表2中可以发现，切削力的整体模拟数值能够与实验数值一致。所出现的误差，主要是由于在完成实际的切削工艺实验过程中，发生刀具磨损、切削振动以及测试等诸多方面的误差因素，由此本次实验结果也表明，本次研究中所构建的有限元模型是正确可行的。

4 汽车覆盖件模具高速切削参数优化

传统的汽车覆盖件模具的主要加工过程中，所采用的加工方式通常为用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，在最后的加工工序则使用φ30mm以及φ25mm的球刀完成最终的精加工。

汽车的覆盖件模具在完成高速切削工艺加工过程中，通常采用的高速切削加工方式与传统的加工方式存在较大差异。例如以某车型的后车门内板作为本次切削实例，通过在完成粗加工的过程中，将大余量去除之后，为了能够有效地提升对该模具的高速切削加工效率，通过使用63R8的圆刀片完成切削加工，之后使用φ40mm、φ30mm和φ25mm的球刀完成预清根。在最后的精加工工序中，通过采用φ30mm或者φ25mm的球刀完成加工，清根完成之后，相应切削参数如表2所示，通过依照表2中相应切削参数，基于金属切削理论基础之上，零件的已加工表面整体残余作用力，更是会对所切削加工的整体质量造成较大的影响，从而成为加工质量表征的关键性因素。在本次实验研究中发现，切削的残余作用力是经由残余的具体变量而获得的。由此通过依照残余作用力的相应数值变化，从而根据不同的参数之下切削工艺过程中的有限元模拟模型，针对残余的应力进行分析最终获取，进而对比残余应力的具体参数变化情况，获取了相应的优化型切削参数。

5 结束语

在本次研究中通过提出基于有限元模拟技术的高速切削参数优化使用方法，通过完成有限元模型的构建，基于热耦合方程构建相应的材料模型，实现了不同切削参数之下的高速切削加工优化，在针对本次实验中所获得的有关模拟结果对比分析的基础之上，最终找到汽车覆盖件模具的高速切削加工优化过程中最佳参数。构建基于汽车覆盖件模具的高速切削过程有限元模型，针对性地研究了有关模拟的关键性技术。在此技术基础上，完成针对性有限元模拟分析，分析结果发现，所构建的有限元模型结果，本次研究的实验所获结果一致，因此本次研究中的有限元模型构建是正确的。本次研究发现，通过基于不同生产指标作为加工优化指标，可以获取不同的最优高速切削工艺参数。高速切削加工技术现阶段已经被广泛地应用于现代制造加工技术中，并且在未来的加工发展中，必然会有着更好的发展前景。因此本研究所实现的汽车覆盖件模具高速切削加工优化，必然会为其在实际的汽车覆盖件模具制造中应用，提供可参考依据。