高速銑在汽車覆蓋件模具加工中的應用

文/石磊，王林，孫剛·一汽-大眾汽車有限公司

對于大眾車型普遍采用的車身外覆蓋件銳棱工藝要求，高速銑技術更能夠體現出優勢。高精度加工保證了模具表面粗糙度、強壓區尺寸精度及銳棱成形效果，同時使模具調試周期大幅縮短，鉗工工作量明顯下降。

隨著汽車行業的迅速發展，車型市場競爭愈發激烈。國內汽車制造商為適應市場需求，需要頻繁更新車型。改臉車型需要新制覆蓋件模具約30%，換代車型需要新制覆蓋件模具接近100%。汽車覆蓋件結構尺寸大，形狀復雜，表面質量要求高，模具加工質量直接影響制件表面質量。因此，模具加工制造技術成為汽車行業的重點研究內容和發展的關鍵技術之一。目前國內的汽車模具廠家加工汽車覆蓋件模具對加工型面精度要求不高，在模具切削加工工序后還要用大量的工時進行人工拋磨，模具最終尺寸精度和加工表面質量靠大量的鉗工修磨拋光來保證，耗時耗力且無法保證尺寸精度。

應用高速銑技術加工制造模具，具有切削效率高、可明顯縮短機械加工時間、加工精度高、表面質量好等優勢。近年來，以高速、高精度加工為主要特征的高速加工技術發展十分迅速，已成為先進制造業的關鍵技術之一，高速銑在汽車覆蓋件模具加工制造中逐漸開始應用。

高速銑削在模具加工中的優勢

高速銑是20世紀90年代迅速走向實際應用的先進加工技術，合理配置切削材料、切削工藝、刀具軌跡規劃和加工刀具四大要素，能使產品制造鏈得到有效優化。高速銑采用高的銑削速度，機床主軸轉速一般為10000r/min左右，適當的進給量，小的徑向和軸向銑削深度。在模具加工中，高速銑削可加工淬火硬度大于50HRC的鋼件，因此在許多情況下可節省大量手工修磨工時，在熱處理后采用高速銑達到零件尺寸、形狀和表面粗糙度要求。

模具的機械加工主要是加工曲面形狀，模具加工一般使用數控銑床或加工中心，半精加工和精加工占據了整個機加時間的三分之二。由于銑削總會留有刀紋，最后要用很多時間手工修光。同時，由于模具大多由高硬度、耐磨損的合金材料制造，加工時難度較大，傳統加工方法加工效率較低。采用高速銑加工模具的優勢如下：

⑴工序減少，一般高速銑后僅需較少工時的手工研磨和拋光。

⑵生產效率高，實現“一次清”加工。在工件的一次裝夾中可完成型腔的粗、精加工和模具其他部位的加工，容易實現加工過程的自動化。

⑶產品質量好、加工精度高、表面質量易于保證。切屑瞬間被切離，工件表面殘余應力小；95%切削熱被切屑帶走，工件熱變形小；激振頻率高，工件表面粗糙度小(Ra0.6μm)，可用高速銑代替磨削。

⑷能加工硬質零件。高速銑可加工淬硬鋼，鋼硬度可達62HRC左右，甚至不用切削液完成硬切削和干切削。并且切削時橫向切削力很小，刀刃和工件接觸時間短，加工變形小。

大眾某車型翼子板模具實例

圖1是大眾某車型翼子板零件產品圖。該零件為典型的汽車外覆蓋件，外觀質量要求非常高，對模具的加工質量提出了很高的要求，且表面有5條棱線，機加時需按照大眾標準進行銳棱加工。

拉延凸凹模高速銑刀具選擇及切削參數

⑴翼子板模具機加方案。

圖1 翼子板零件產品造型

翼子板拉延模具高速銑加工方案由粗加工、半精加工、精加工工序組成。粗加工階段根據檢測的余量選用大直徑球頭刀去除大部分余量，型腔、轉角部分采用小直徑球頭刀進行預清根。半精加工中采用直徑為φ20mm球頭刀進行仿形銑，保證在后續高速銑工序中加工余量分布均勻。精加工中采用高速銑工藝，主軸平均轉速達到9000r/min。在高速銑加工中，刀具軌跡切入和切出采用圓弧式，避免了垂直切入和切出。

⑵機加刀具選擇及夾持方式。

圖2所示翼子板拉延模在半精加工之前已完成淬火，硬度在50～55HRC之間，淬火區域主要包括拉延筋、制件周圈以及型面凸起處。因此本次高速銑加工方案采用立方氮化硼(CBN)刀具，夾緊刀具的方式采用熱膨脹式，圖3所示為高速銑刀柄和夾頭。

本次高速銑加工在SNK龍門數控加工中心進行，為避免零點切削(圖4)，在本次機加中設置主軸傾斜30°(圖5)，保證最佳的高速切削狀態，保證表面質量。

圖2 拉延模淬火方案

圖3 高速銑刀柄與夾頭

圖4 零點切削示意圖

圖5 高速銑主軸偏置30°銑頭

⑶銳棱加工方案。

銳棱加工方案按照大眾標準進行，凹模銳棱加工所用刀具如圖6所示。由于刀具尖角圓角很小，為避免發生崩刀現象，分2次下刀，總計加工深度約0.2～0.3mm，圖7所示為凹模銳棱讓開區加工效果。按照工藝要求，銳棱區域一般為強壓區，因此需要在凹模上銳棱兩側預留0.1～0.2mm精研余量，后期調試時依靠鉗工研磨達到強壓區著色合格的目的。

加工效果評估

圖6 凹模銳棱加工刀具

圖7 凹模銳棱加工效果

拉延件的表面質量和尺寸精度取決于拉延模的加工制造精度，凸、凹模的表面質量好壞與尺寸精度高低直接影響拉延件質量。且對于汽車覆蓋件而言，拉延是后續沖壓工序的基礎，因此質量優異的拉延件是保證最終合格裝車件的前提。本次創新性的采用高速銑工藝進行拉延模具精加工，加工結束后從模具表面質量、型面精度、制造周期三方面進行評估。

⑴模具表面質量。

采用高速銑精加工，刀具步距小(0.025mm)、加工深度淺(＜0.1mm)，且高速銑中切削力要比常規銑削小，工件發熱與變形均很小，模具表面光潔度與尺寸精度有了很大提升。相比常規精加工，模具表面粗糙度由Ra1.6μm提高到小于Ra0.8μm，高速銑完成后的拉延凸模與凹模如圖8所示。

⑵型面精度。

采用常規轉速精加工后拉延模具表面預留量約0.2mm，需要鉗工花費大量工時進行研磨。鉗工的手法好壞直接決定了拉延模具型面尺寸的精度高低，還會導致大量不必要的重復工作。

圖8 高速銑精加工拉延模型面

強壓區著色情況是衡量拉延件是否滿足工藝設計要求的檢驗標準，是拉延調試的基礎工作，因此強壓區的研磨效果對模具制造至關重要。強壓區的模面高度在工藝設計階段就已考慮，根據制件減薄情況在不同區域設計不同高度的強壓區。在以往項目中，由于加工精度限制，強壓區機加后預留研磨量一般統一為0.3mm，且不會根據需求改變不同區域預留高度。強壓區的理論要求僅僅為0.1mm左右，留給鉗工0.2mm的研磨量，且強壓區與非強壓區的過渡情況也會影響制件質量，完全靠手工修磨無法保證精度，最直接的結果就是在后期出件調試中拉延模具仍需要不斷返工修磨，模具調試周期很長且制件質量一般。

翼子板拉延模面方案中，強壓區模面預留高度僅僅為0.1mm，棱線兩側強壓區寬度為20mm，且有10mm寬的過渡區域，如圖9所示。按照該方案加工完成后，凸模、凹模的ATOS掃描結果如圖10所示。高速銑加工能夠保證相當高的尺寸精度，型面尺寸偏差在±0.075mm內。高精度機加保證了較小的研修量，為后續裝配、調試工序節約了大量工時。圖11所示為制件藍油著色圖，在以凸模為基準的情況下研修凹模，制件強壓區著色在短短3周內就達到了預期目標。

⑶拉延模具制造周期。

圖9 翼子板拉延模面方案

圖10 高速銑后型面尺寸掃描

圖11 翼子板制件強壓區著色示意圖

模具制造周期對車型換代周期有著至關重要的影響，對汽車制造商而言，車型越早投放，就能越早搶占市場。因此，縮短沖壓模具制造周期是每個汽車制造商關注的重點領域。由于進給步距較大，加工去除量較大，因此相比高速銑精加工方法，常規機加方法加工拉延模具耗時較短。但較大的進給步距帶來的問題就是精加工后刀花較大，給鉗工研磨工作帶來了很大困難。在裝配工作中，鉗工需要將拉延凸模拋光，采用高速銑精加工能夠在少用兩道打磨工序的情況下就達到拋光目標，節省拋光時間40工時。在調試階段，由于強壓區加工精度更高，機加留量更少，著色區能夠在之前一半時間內達到目標，拉延模具調試節省工時450h。綜上所述，整個拉延模具的加工裝配調試周期能夠節約近40天的時間，如圖12所示。

結束語

高速銑作為一種新型高效的加工制造技術，在模具制造業開始逐漸引起重視。本項目首次嘗試在拉延模具制造中采用高速銑精加工方案，取得了較好的效果，拉延模具調試難度和周期有了明顯改善。但是汽車覆蓋件模具制造過程涉及環節眾多，拉延模具機加方案是以沖壓工藝、模面方案為基礎的。隨著精算、回彈補償、定義強壓區等模面精細化處理技術的不斷成熟與進步，結合高精密機加技術，模具開發制造周期將大大縮短，有效提高車企核心競爭力。

圖12 常規加工與高速銑加工耗費工時對比