汽車制造中高速切削技術(shù)的應(yīng)用范文

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摘要：高速切削技術(shù)因其加工效率、精度和質(zhì)量高而廣泛應(yīng)用于汽車模具加工。本文基于高速加工技術(shù)的特點和優(yōu)勢，以高速加工時切削速度與切削溫度的變化為研究對象，分析了高速加工技術(shù)在汽車零件、覆蓋件、缸體和汽車輪轂等模具制造中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：模具制造；高速加工；制造效率

引言

在現(xiàn)代工業(yè)制造中，模具制造已經(jīng)成為汽車生產(chǎn)的一個重要方式，但由于模具內(nèi)表面精度要求高，且制造周期較長，從而影響產(chǎn)品的開發(fā)，導(dǎo)致企業(yè)利潤下降。高速加工技術(shù)的出現(xiàn)，使汽車模具制造的工藝簡化，生產(chǎn)周期縮短使企業(yè)能夠快速適應(yīng)多變的競爭環(huán)境，從而提升企業(yè)活力。相對于傳統(tǒng)機(jī)械加工方式高速加工技術(shù)是切削加工得到巨大提升，相同時間內(nèi)金屬的切削量比傳統(tǒng)加工提升40%~50%，并且由于高速加工時主軸轉(zhuǎn)速快使切屑帶著大量熱，能夠使工件的熱變形變小，提高產(chǎn)品質(zhì)量[1]。因此，高速加工技術(shù)是汽車模具制造中十分重要的生產(chǎn)方式。

1高速加工技術(shù)的現(xiàn)狀

1.1國外現(xiàn)狀

在二十世紀(jì)三十年代由德國科學(xué)家首先提出高速加工概念并進(jìn)行實驗研究，1970年，美國Lockheeed Missiles and Space公司將高速加工技術(shù)用于實際生產(chǎn)。隨后，各工業(yè)大國都加強(qiáng)對高速加工技術(shù)的研發(fā)，使得高速主軸、快速進(jìn)給系統(tǒng)、超硬超耐磨材料和數(shù)控系統(tǒng)方面取得較大進(jìn)展。國外各大汽車公司現(xiàn)在普遍使用高速加工技術(shù)來制造汽車，以德國大眾汽車為例，大眾汽車的缸體，內(nèi)飾模具以及中控臺模具等大平面加工都使用到了高速加工技術(shù)，極大的提升了大眾汽車的生產(chǎn)率和合格率，降低了成本，節(jié)約了能耗。瑞士Miccoli公司研發(fā)的五軸聯(lián)動高速加工中心，采用了重量高的大理石材料作為高速加工中心的機(jī)身，可以很大程度上降低生產(chǎn)時產(chǎn)生的振動，提高所加工零件的質(zhì)量。德國Siemens公司也研發(fā)出整體結(jié)構(gòu)呈O型的5軸高速加工中心，使高速加工出的零件的質(zhì)量進(jìn)一步得到提升。高速加工技術(shù)的應(yīng)用，極大地促進(jìn)了高速加工技術(shù)的發(fā)展，其中以美國Cincinnati Milacron所制造的Hyper Mach五軸加工中心為突出，其高速加工的主軸轉(zhuǎn)速已經(jīng)可以達(dá)到60000r/min，最大進(jìn)給速度能達(dá)到100m/min,主軸的功率高達(dá)80kW。

1.2國內(nèi)現(xiàn)狀

國內(nèi)高速加工技術(shù)起步較晚，大部分企業(yè)都是依靠國外進(jìn)口，并且后期投入資金較少，高速加工技術(shù)發(fā)展增長緩慢，和國外有著較大的差距[2]。我國高速加工技術(shù)有著基礎(chǔ)研究不足，加工工藝差等缺點，隨著二十世紀(jì)末引進(jìn)國外先進(jìn)高速加工中心，高速加工技術(shù)得到了快速的發(fā)展，使機(jī)械加工周期大大減少。但國內(nèi)刀具企業(yè)一直使用標(biāo)準(zhǔn)化的刀具，沒有對刀具進(jìn)行創(chuàng)新研究，雖然一直在引進(jìn)一些國外先進(jìn)的設(shè)備，但設(shè)備總量不夠，大部分用于生產(chǎn)通用的刀具生產(chǎn)線，因此成都工具研究所以及上海工具研究等所加強(qiáng)對高速加工技術(shù)的投入，對高速加工技術(shù)所需的刀具材料以及加工工藝有了較大的進(jìn)展，并且已經(jīng)為航空航天提供產(chǎn)品。高速加工技術(shù)現(xiàn)已經(jīng)成為各大高校研究所的重要課題之一。

2高速加工技術(shù)分析

2.1高速加工技術(shù)的特點

高速切削加工作為模具制造中最為重要的一項先進(jìn)制造技術(shù)，是集高效、優(yōu)質(zhì)、低耗于一身的先進(jìn)制造技術(shù)。在常規(guī)切削加工中備受困擾的一系列問題，通過高速切削加工的應(yīng)用得到了解決。其切削速度、進(jìn)給速度相對于傳統(tǒng)的切削加工有較大的提升，主要有以下特點：（1）加工效率高。相比傳統(tǒng)機(jī)加工而言，高速加工技術(shù)對材料的切除率提高30%~50%，使模具生產(chǎn)效率提升510倍，提高了產(chǎn)品生產(chǎn)率[3]。（2）切削力較低，切削熱量少。在進(jìn)行高速加工時，隨著速度增大，切削力在降低；由于高速切削時切屑會帶著90%以上的熱量，因此溫度會在達(dá)到峰值后會降低，當(dāng)溫度降低到一定程度時溫度保持當(dāng)前不變，能夠使工件加工的熱變形減少，適用于精密部件的加工。以軟鋁為例，當(dāng)切削速度達(dá)到240m/min時，鋁的切削溫度達(dá)到峰值，繼續(xù)加大切削速度，鋁的切削溫度反而會降低，到切削速度增大到一定程度時，鋁的切削溫度降低到最低，如圖1所示。（3）已加工表面質(zhì)量高。由于高速加工切削力小，在對工件表面進(jìn)行高速加工時已經(jīng)對工件表面進(jìn)行打磨，因此已加工表面質(zhì)量高，不需要二次加工。（4）減少能耗，節(jié)約能源。高速加工技術(shù)加工比常規(guī)加工減少近一半時間，并且保持質(zhì)量，減少了能源消耗。  

2.2高速加工技術(shù)刀具材料的選擇

進(jìn)行高速加工時，需要有很高的主軸轉(zhuǎn)速、較大的進(jìn)給量，因此，對高速加工技術(shù)所采用的刀具提出更高的要求。在加工常用模具材料時選用的刀具材料為涂層硬質(zhì)合金，具有較高的性價比，因此適用的范圍最廣；加工洛氏硬度（HRC）小于50的模具鋼時，所采用的刀具材料為陶瓷，具有的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐磨性好、切削速度高和價格低等優(yōu)點，但它的硬度和韌性較低，易損耗[4]；加工淬硬模具鋼、冷硬鑄鐵和鈦合金等材料時選用立方氮化硼（CBN）和金剛石作為刀具的材料，具有硬度高，超高的耐磨性，高溫時化學(xué)性能穩(wěn)定和有良好的導(dǎo)熱性，但價格較高。 

3高速加工技術(shù)在汽車模具制造中的應(yīng)用

3.1高速加工技術(shù)在汽車模具制造中的方法

高速加工技術(shù)和傳統(tǒng)加工技術(shù)相比，加工工藝有很大的不同，常規(guī)加工使用主軸轉(zhuǎn)速低，進(jìn)給慢，單行程；高速加工技術(shù)使用高轉(zhuǎn)速主軸，進(jìn)給快，多行程。由于高速加工技術(shù)要實現(xiàn)高效率的加工，因此需要對加工所需的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，其中包括高速加工時所需的刀具、切削量、進(jìn)給速度等[5]。在加工之前需指定好工藝路徑，尤其是對加工順序的制定，要保證加工零件的精度達(dá)到要求，選擇合理的走刀路線和換刀次數(shù)。需要數(shù)控設(shè)備具有高轉(zhuǎn)速，并且機(jī)床自身需要具有良好的剛性和穩(wěn)定性，以滿足粗加工和精加工的需求；需要精度較高的進(jìn)給系統(tǒng)，防止刀具進(jìn)給時在工件表面留下劃痕，破壞零件的質(zhì)量；需要對加工路徑進(jìn)行規(guī)劃，制定合理的走刀路線，減少下刀次數(shù)，提高加工精度。因此，汽車模具生產(chǎn)制造中使用高速加工技術(shù)的各階段加工方法如下：（1）粗加工階段，主要目的是在短時間內(nèi)去除90%~95%的材料，宜采用大進(jìn)給速度和大切削用量，先加工出模具外輪廓。該階段刀具的切入與切出需要使用圓弧軌跡，旨在防止在大切削量時碰斷刀具、損壞模具。（2）半精加工階段，主要目的是對模具輪廓進(jìn)行調(diào)整，宜采用小進(jìn)給速度和小切削用量，去除粗加工時所產(chǎn)生的毛刺和飛邊等，同時對汽車模具的尺寸進(jìn)一步調(diào)整。該階段加工需為精加工留有余量，應(yīng)在半精加工時計算好切削量，保證后續(xù)加工。（3）精加工階段，主要目的是對于模具最后的尺寸以及表面進(jìn)行打磨，宜采用微進(jìn)給速度和微切削用量，使模具的精度和表面粗糙度到達(dá)所需的要求。該階段加工時，要嚴(yán)格計算每次切削的深度，盡可能減少抬刀和落刀的次數(shù)，并且在刀具切入工件表面時使用圓弧方式切入，保證在進(jìn)行切削過程中不會中斷影響工件表面質(zhì)量；同理在切出工件表面時也需要采用圓弧方式，避免在工件表面落下劃痕，使工件的精度和光滑度受到影響，從而使工件的質(zhì)量達(dá)到要求。以汽車內(nèi)飾注塑模具高速切削加工為例，粗加工時采用的主軸轉(zhuǎn)速為800r/min，進(jìn)給速度為400mm/min，加工余量1mm，能在短時間去除大量的余量；半精加工時采用的主軸轉(zhuǎn)速為1500r/min，進(jìn)給速度為1000mm/min，加工余量0.2mm，可以對模具外觀進(jìn)行調(diào)整；精加工時采用的主軸轉(zhuǎn)速為10000r/min以上，進(jìn)給速度為6000mm/min，加工余量為0mm，使工件的表面粗糙度達(dá)到要求。

3.2汽車零件模具的高速加工

汽車零件的模具主要有儀表盤、覆蓋件、輪轂以及缸體等模具，采用高速加工技術(shù)時，其加工效果、方法以及優(yōu)點具體表現(xiàn)如下：（1）不規(guī)則零件模具加工。高速加工在對硬材料切削時有較好的效果。在進(jìn)行汽車零件模具的制造時，往往需要成百乃至上千的模具，為了使汽車零件模具的制造周期縮短，并且降低汽車模具制造成本，因此，高速加工技術(shù)將是汽車零件模具制造技術(shù)的首選。對于汽車儀表盤、中控臺和內(nèi)飾板等不規(guī)則的零件，通常采用模具進(jìn)行生產(chǎn)，而這些模具的內(nèi)腔的形狀較為復(fù)雜，傳統(tǒng)加工方式難以進(jìn)行加工，采用高速加工方法即可解決上述問題。高速加工技術(shù)在形狀不規(guī)則的零件模具加工中，充分呈現(xiàn)出以下優(yōu)點：①所加工出的汽車零件模具精度高；②在高速加工時單次的切削量小；③能夠進(jìn)行快速多次切削；④減少了二次修整，加工成品質(zhì)量高；⑤提高了加工效率。（2）覆蓋件模具加工。覆蓋件大多數(shù)是由各種各樣的曲面所構(gòu)成，使用高速加工中心能夠使生產(chǎn)出的覆蓋件模具精度等級高、使用壽命長，并且在大進(jìn)給速度時，高速加工中心可以提供高精度的定位和高精度的插補(bǔ)。銑削量大時，能夠保證在銑削過程中不更換刀具，可以對整個曲面進(jìn)行一次性加工，保證模具的精度。對汽車發(fā)動機(jī)覆蓋件模具進(jìn)行加工時，由于覆蓋件模具需要具有高的抗拉、抗壓強(qiáng)度和高的精度，因此，在進(jìn)行覆蓋件模具加工時，通常將完整的毛坯進(jìn)行大量材料去除，保證模具質(zhì)量。使用高速加工技術(shù)對其進(jìn)行加工，采用高速加工技術(shù)對覆蓋件模具的加工時具有以下優(yōu)點：①高主軸轉(zhuǎn)速以及快速多次的切削可以使模具的粗糙度達(dá)到要求質(zhì)量得到保證；②高速的切削速度、微進(jìn)給以及多次切削的精度，可以滿足覆蓋件模具生產(chǎn)的工藝要求，使模具整體加工效率得到提升。（3）缸體模具加工。應(yīng)用高速加工技術(shù)可以使缸體模具生產(chǎn)周期減少，同時提高缸體模具的質(zhì)量。現(xiàn)在，汽車制造企業(yè)都是使用高速加工中心來制造缸體模具，其中上海大眾汽車使用高速數(shù)控鉆削的技術(shù)對發(fā)動機(jī)的缸體模具和缸蓋模具等進(jìn)行高速加工，所加工的缸體模具以及缸蓋模具能夠一次成型，并且具體較高的精度，能夠使缸體模具制造的工序減少，生產(chǎn)周期縮短[6]。（4）輪轂?zāi)＞呒庸ぁＪ褂酶咚偌庸ぜ夹g(shù)能夠快速制造出汽車輪轂?zāi)＞撸梢员ＷC模具所生產(chǎn)的汽車輪轂的精度與質(zhì)量。由于汽車輪轂形狀復(fù)雜，使用傳統(tǒng)加工方式費時費力，生產(chǎn)效率低，并且所加工的汽車輪轂難以保證精度要求，因此，使用模具制造汽車輪轂是很多企業(yè)普遍采用的方式。 

4結(jié)語

高速加工在汽車制造中有著不可替代的地位，高速加工技術(shù)具高效、優(yōu)質(zhì)的加工優(yōu)勢，將繼續(xù)在機(jī)械加工領(lǐng)域起主導(dǎo)作用。本文針對高速加工技術(shù)在汽車模具制造中的應(yīng)用，所提出的方法與所得到的結(jié)論，特別是對復(fù)雜形狀汽車零件、覆蓋件、輪轂及缸體等模具高速加工中的應(yīng)用，具有很高的價值。

參考文獻(xiàn)：

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作者：郝波濤 藺國民 單位：西京學(xué)院