汽車覆蓋件模具高速切削加工過程的數(shù)值模擬與關(guān)鍵工藝技術(shù)研究

湯金所

摘要：汽車覆蓋件模具是汽車生產(chǎn)中最為復(fù)雜的大型工藝裝備，為了提高汽車覆蓋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藝可以更好的保證高速切削加工的加工質(zhì)量并且可以降低加工成本。汽車覆蓋件模具高速切削加工的數(shù)值模擬和關(guān)鍵工藝技術(shù)的研究具有很重要的理論意義與實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：汽車覆蓋件模具;高速切削加工;數(shù)值模擬

引言

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外的制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)十分激烈，而汽車制造業(yè)是制造業(yè)中最為重要的一部分，所以汽車制造業(yè)的發(fā)達(dá)程度已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)實(shí)力的標(biāo)準(zhǔn)。在汽車開發(fā)制造過程中，汽車車身的設(shè)計(jì)制造是整車開發(fā)的重點(diǎn)也是開發(fā)的難點(diǎn)，因此，車身的開發(fā)制造一直是汽車制造業(yè)研究的熱點(diǎn)。隨著社會(huì)的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，人民的生活水平逐漸提高，消費(fèi)觀念開始向個(gè)性化發(fā)展，汽車已經(jīng)不僅僅是單純的交通工具，購(gòu)車者在選車時(shí)更加注重汽車的外型和輪廓是否美觀。為了滿足廣大消費(fèi)者對(duì)汽車外型的不同需求，各個(gè)汽車公司的車型也是越來越多，在研發(fā)過程中，更加注重汽車覆蓋件的種類和質(zhì)量。汽車覆蓋件主要包括汽車外部結(jié)構(gòu)的一些沖壓件，比如發(fā)動(dòng)機(jī)罩、前后翼子板、后行李箱等等。汽車覆蓋件的質(zhì)量直接影響整車的裝配質(zhì)量，并且汽車覆蓋件也與汽車的行車安全性、行車舒適性有很大關(guān)聯(lián)。汽車覆蓋件在不斷更新發(fā)展，不僅要滿足消費(fèi)者的審美要求，也要更多考慮汽車的行車動(dòng)力學(xué)特性，在保證美觀、舒適、安全的的同時(shí)，減少行車阻力，降低油耗，提高整車性價(jià)比。本文對(duì)汽車覆蓋件高速切削加工過程的數(shù)值模擬進(jìn)行了具體分析，并且對(duì)高速切削加工過程中的關(guān)鍵工藝進(jìn)行研究，通過對(duì)比確定最佳加工方式。

1.汽車覆蓋件模具高速切削加工過程的數(shù)值模擬

汽車覆蓋件模具的加工過程很復(fù)雜，涉及到摩擦學(xué)、熱力學(xué)等很對(duì)領(lǐng)域。因此很難用傳統(tǒng)的方法對(duì)汽車模具高速切削加工過程進(jìn)行準(zhǔn)確的分析研究。過去科學(xué)水平有限，常常采用的逐個(gè)實(shí)驗(yàn)法的方法對(duì)其進(jìn)行研究，不僅費(fèi)事費(fèi)力，生產(chǎn)成本也會(huì)增加，并且得出數(shù)據(jù)也只是經(jīng)驗(yàn)值，不能做到對(duì)汽車覆蓋件模具切削的定量分析。現(xiàn)在計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，可以利用有限元方法對(duì)高速切削加工過程進(jìn)行仿真加工模擬，從而得到切削加工過程中各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系。應(yīng)用計(jì)算機(jī)有限元分析能夠更為準(zhǔn)確的對(duì)高速切削加工過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，隨時(shí)調(diào)整完善加工進(jìn)給量等工藝過程，保證高速切削加工的工作效率。并且有限元方法對(duì)于切削材料在加工過程中的熱變形等行為的考慮更加準(zhǔn)確實(shí)際，對(duì)比傳統(tǒng)的逐個(gè)實(shí)驗(yàn)法獲取經(jīng)驗(yàn)值的方法，采用有限元的方法得到的數(shù)據(jù)得到的更為準(zhǔn)確可靠。現(xiàn)在數(shù)值模擬分析技術(shù)主要應(yīng)用于金屬的常規(guī)速度切削加工，對(duì)于高速切削加工領(lǐng)域應(yīng)用數(shù)值模擬還很少，所以將數(shù)值模擬應(yīng)用于汽車覆蓋件模具的高速切削加工過程中，首先要優(yōu)化其加工工藝參數(shù)，建立完善的高速切削數(shù)據(jù)庫(kù)，并且設(shè)計(jì)具有針對(duì)性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。通過數(shù)值模擬可以建立很多力學(xué)模型，例如在高速切削加工過程中，前刀面上受力不均勻，刀具行程越大，正應(yīng)力越大，基于數(shù)值模擬可以建立刀屑界面接觸應(yīng)力模型，刀屑界面摩擦力方程為：

當(dāng)（滑動(dòng)摩擦區(qū)域）

當(dāng)（粘著摩擦區(qū)域）

式中—工件材料極限剪切應(yīng)力

—摩擦系數(shù)

—正應(yīng)力

2.覆蓋件模具高速切削加工過程中關(guān)鍵工藝技術(shù)

汽車覆蓋件模具對(duì)于加工工藝的要求很高，其具有曲面多、尤其參與成型凸R角硬度高等特點(diǎn)，所以汽車覆蓋件模具的加工不同于傳統(tǒng)的機(jī)械零部件加工，汽車覆蓋件的制造加工過程更為復(fù)雜。對(duì)于汽車模具高速加工運(yùn)用，對(duì)其加工工藝、編程策略的策劃，刀具系統(tǒng)、在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及設(shè)備的選型都有別于傳統(tǒng)的數(shù)控加工模式。

圖2-1陡峭斜面3+2軸加工示意圖????????圖2-2曲面3+2軸加工示意圖

隨著對(duì)模具材料的不斷開發(fā)和切削刀具的不斷更新，高速切削過程中的切削參數(shù)也有著質(zhì)的變化，并且，不同的加工機(jī)床有不同的加工工藝。目前汽車覆蓋件模具高速切削加工工藝主要有3軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工、3+2軸數(shù)控加工以及5軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工這三種加工方式。對(duì)比三種加工工藝，3+2軸數(shù)控加工相對(duì)是較優(yōu)的。因?yàn)?軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工過程中球頭刀具的軸線方向是固定的，會(huì)導(dǎo)致零切削速度點(diǎn)和刀桿撓曲變形的問題;而5軸聯(lián)動(dòng)雖然克服了3軸聯(lián)動(dòng)加工的缺點(diǎn)，但是其高速切削加工過程的數(shù)控編程過于復(fù)雜，必須要有計(jì)算能力和計(jì)算速度很高的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)才能支持5軸聯(lián)動(dòng)高速切削加工的進(jìn)行，再有就是模具型面曲面不規(guī)則，法向不斷變化，加工時(shí)五軸聯(lián)動(dòng)會(huì)對(duì)五軸數(shù)控提出較高的剛性和強(qiáng)度要求;對(duì)于3+2軸數(shù)控加工方式，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：①把新的加工坐標(biāo)設(shè)置好后，在高速切削加工過程中對(duì)其碰撞干涉模擬檢查和過切檢查步驟就很容易進(jìn)行;②可以用不同的進(jìn)給量對(duì)覆蓋件模具的不同型面區(qū)域進(jìn)行分塊加工;③在對(duì)覆蓋件模具進(jìn)行精加工時(shí)，可以根據(jù)仿真模擬模具型面區(qū)域的型腔深淺將刀具自動(dòng)替換成相應(yīng)刀長(zhǎng)的刀具（刀具取短原則），保證覆蓋件模具型面加工精度要求。④加工不同的區(qū)域有編程人員按模具型面分類編程，分類編程后程序員將所有分模塊程序處理為一個(gè)程序?qū)φ麄€(gè)模具型面數(shù)控加工，保證各個(gè)區(qū)域的加工精度滿足設(shè)計(jì)要求。

3.結(jié)語(yǔ)

本文研究的重點(diǎn)是汽車覆蓋件高速切削加工過程的數(shù)值模擬相關(guān)內(nèi)容，討論了在高速切削加工過程中對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并且建立高速切削數(shù)據(jù)庫(kù)，通過對(duì)多種加工方式的對(duì)比，確定3+2軸數(shù)控加工為最優(yōu)加工方式。本文研究所得到的結(jié)論希望能夠?yàn)橐院髮?duì)于汽車覆蓋件高速切削加工過程提供支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]周學(xué)良，阮景奎，宮愛紅，蔣德輝.基于UG的高速切削數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā).湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，19（4）：31-33

[2]宮愛紅，阮景奎，楊勇，周學(xué)良.合金鑄鐵高速切削的有限元模型.制造技術(shù)與機(jī)床，2007，（8）：36-40

[3]阮景奎，胡明茂.模糊綜合評(píng)判法在高速切削工藝設(shè)計(jì)CBR系統(tǒng)中的應(yīng)用.中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)第十次工業(yè)工程年會(huì)論文集.天津：天津大學(xué)出版社，2007：86-90