郝波濤 藺國民

摘 要：高速切削技術因其加工效率、精度和質(zhì)量高而廣泛應用于汽車模具加工。本文基于高速加工技術的特點和優(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在汽車零件、覆蓋件、缸體和汽車輪轂等模具制造中的應用。

關鍵詞：模具制造；高速加工；制造效率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.007

0 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)，導致企業(yè)利潤下降。高速加工技術的出現(xiàn)，使汽車模具制造的工藝簡化，生產(chǎn)周期縮短使企業(yè)能夠快速適應多變的競爭環(huán)境，從而提升企業(yè)活力。相對于傳統(tǒng)機械加工方式高速加工技術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 高速加工技術的現(xiàn)狀

1.1 國外現(xiàn)狀

在二十世紀三十年代由德國科學家首先提出高速加工概念并進行實驗研究，1970年，美國Lockheeed Missiles and Space公司將高速加工技術用于實際生產(chǎn)。隨后，各工業(yè)大國都加強對高速加工技術的研發(fā)，使得高速主軸、快速進給系統(tǒng)、超硬超耐磨材料和數(shù)控系統(tǒng)方面取得較大進展。國外各大汽車公司現(xiàn)在普遍使用高速加工技術來制造汽車，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，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)量進一步得到提升。高速加工技術的應用，極大地促進了高速加工技術的發(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)可以達到60000r/min，最大進給速度能達到100m/min，主軸的功率高達80kW。

1.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

國內(nèi)高速加工技術起步較晚，大部分企業(yè)都是依靠國外進口，并且后期投入資金較少，高速加工技術發(fā)展增長緩慢，和國外有著較大的差距[2]。我國高速加工技術有著基礎研究不足，加工工藝差等缺點，隨著二十世紀末引進國外先進高速加工中心，高速加工技術得到了快速的發(fā)展，使機械加工周期大大減少。但國內(nèi)刀具企業(yè)一直使用標準化的刀具，沒有對刀具進行創(chuàng)新研究，雖然一直在引進一些國外先進的設備，但設備總量不夠，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對高速加工技術的投入，對高速加工技術所需的刀具材料以及加工工藝有了較大的進展，并且已經(jīng)為航空航天提供產(chǎn)品。高速加工技術現(xiàn)已經(jīng)成為各大高校研究所的重要課題之一。

2 高速加工技術分析

2.1 高速加工技術的特點

高速切削加工作為模具制造中最為重要的一項先進制造技術，是集高效、優(yōu)質(zhì)、低耗于一身的先進制造技術。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用得到了解決。其切削速度、進給速度相對于傳統(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)機加工而言，高速加工技術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，因此溫度會在達到峰值后會降低，當溫度降低到一定程度時溫度保持當前不變，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，當切削速度達到240m/min時，鋁的切削溫度達到峰值，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，在對工件表面進行高速加工時已經(jīng)對工件表面進行打磨，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 高速加工技術刀具材料的選擇

進行高速加工時，需要有很高的主軸轉(zhuǎn)速、較大的進給量，因此，對高速加工技術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，高溫時化學性能穩(wěn)定和有良好的導熱性，但價格較高。

3 高速加工技術在汽車模具制造中的應用

3.1 高速加工技術在汽車模具制造中的方法

高速加工技術和傳統(tǒng)加工技術相比，加工工藝有很大的不同，常規(guī)加工使用主軸轉(zhuǎn)速低，進給慢，單行程；高速加工技術使用高轉(zhuǎn)速主軸，進給快，多行程。由于高速加工技術要實現(xiàn)高效率的加工，因此需要對加工所需的參數(shù)進行調(diào)整，其中包括高速加工時所需的刀具、切削量、進給速度等[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到要求，選擇合理的走刀路線和換刀次數(shù)。需要數(shù)控設備具有高轉(zhuǎn)速，并且機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；需要精度較高的進給系統(tǒng)，防止刀具進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行調(diào)整，宜采用小進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一步調(diào)整。該階段加工需為精加工留有余量，應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行打磨，宜采用微進給速度和微切削用量，使模具的精度和表面粗糙度到達所需的要求。該階段加工時，要嚴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，進給速度為1000mm/min，加工余量0.2mm，可以對模具外觀進行調(diào)整；精加工時采用的主軸轉(zhuǎn)速為10000r/min以上，進給速度為6000mm/min，加工余量為0mm，使工件的表面粗糙度達到要求。

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，高速加工技術將是汽車零件模具制造技術的首選。對于汽車儀表盤、中控臺和內(nèi)飾板等不規(guī)則的零件，通常采用模具進行生產(chǎn)，而這些模具的內(nèi)腔的形狀較為復雜，傳統(tǒng)加工方式難以進行加工，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??；③能夠進行快速多次切削；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。銑削量大時，能夠保證在銑削過程中不更換刀具，可以對整個曲面進行一次性加工，保證模具的精度。對汽車發(fā)動機覆蓋件模具進行加工時，由于覆蓋件模具需要具有高的抗拉、抗壓強度和高的精度，因此，在進行覆蓋件模具加工時，通常將完整的毛坯進行大量材料去除，保證模具質(zhì)量。使用高速加工技術對其進行加工，采用高速加工技術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到要求質(zhì)量得到保證；②高速的切削速度、微進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。應用高速加工技術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?，F(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)控鉆削的技術對發(fā)動機的缸體模具和缸蓋模具等進行高速加工，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）輪轂模具加工。使用高速加工技術能夠快速制造出汽車輪轂模具，可以保證模具所生產(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，高速加工技術具高效、優(yōu)質(zhì)的加工優(yōu)勢，將繼續(xù)在機械加工領域起主導作用。本文針對高速加工技術在汽車模具制造中的應用，所提出的方法與所得到的結(jié)論，特別是對復雜形狀汽車零件、覆蓋件、輪轂及缸體等模具高速加工中的應用，具有很高的價值。

參考文獻：

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[4]Gong，F(xiàn)eng，Zhao，Jun，Pan，Helin，et al.Performance of ceramic tools in high-speed cutting iron-based superalloys[J]. Machining Science and Technology，2017，21（1/2）：279-290.

[5]羅勇明.模具高速加工的工藝及策略[J].中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)， 2018（36）：220.

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作者簡介：郝波濤（1995-），男，陜西榆林人，研究生，主要研究方向：機械設計制造。