高速切削技术在汽车制造中的应用

    郝波涛 蔺国民

    摘 要：高速切削技术因其加工效率、精度和质量高而广泛应用于汽车模具加工。本文基于高速加工技术的特点和优势，以高速加工时切削速度与切削温度的变化为研究对象，分析了高速加工技术在汽车零件、覆盖件、缸体和汽车轮毂等模具制造中的应用。

    关键词：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

    在现代工业制造中，模具制造已经成为汽车生产的一个重要方式，但由于模具内表面精度要求高，且制造周期较长，从而影响产品的开发，导致企业利润下降。高速加工技术的出现，使汽车模具制造的工艺简化，生产周期缩短使企业能够快速适应多变的竞争环境，从而提升企业活力。相对于传统机械加工方式高速加工技术是切削加工得到巨大提升，相同时间内金属的切削量比传统加工提升40%～50%，并且由于高速加工时主轴转速快使切屑带着大量热，能够使工件的热变形变小，提高产品质量[1]。因此，高速加工技术是汽车模具制造中十分重要的生产方式。

    1 高速加工技术的现状

    1.1 国外现状

    在二十世纪三十年代由德国科学家首先提出高速加工概念并进行实验研究，1970年，美国Lockheeed Missiles and Space公司将高速加工技术用于实际生产。随后，各工业大国都加强对高速加工技术的研发，使得高速主轴、快速进给系统、超硬超耐磨材料和数控系统方面取得较大进展。国外各大汽车公司现在普遍使用高速加工技术来制造汽车，以德国大众汽车为例，大众汽车的缸体，内饰模具以及中控台模具等大平面加工都使用到了高速加工技术，极大的提升了大众汽车的生产率和合格率，降低了成本，节约了能耗。瑞士Miccoli公司研发的五轴联动高速加工中心，采用了重量高的大理石材料作为高速加工中心的机身，可以很大程度上降低生产时产生的振动，提高所加工零件的质量。德国Siemens公司也研发出整体结构呈O型的5轴高速加工中心，使高速加工出的零件的质量进一步得到提升。高速加工技术的应用，极大地促进了高速加工技术的发展，其中以美国Cincinnati Milacron所制造的Hyper Mach五轴加工中心为突出，其高速加工的主轴转速已经可以达到60000r/min，最大进给速度能达到100m/min，主轴的功率高达80kW。

    1.2 国内现状

    国内高速加工技术起步较晚，大部分企业都是依靠国外进口，并且后期投入资金较少，高速加工技术发展增长缓慢，和国外有着较大的差距[2]。我国高速加工技术有着基础研究不足，加工工艺差等缺点，随着二十世纪末引进国外先进高速加工中心，高速加工技术得到了快速的发展，使机械加工周期大大减少。但国内刀具企业一直使用标准化的刀具，没有对刀具进行创新研究，虽然一直在引进一些国外先进的设备，但设备总量不够，大部分用于生产通用的刀具生产线，因此成都工具研究所以及上海工具研究等所加强对高速加工技术的投入，对高速加工技术所需的刀具材料以及加工工艺有了较大的进展，并且已经为航空航天提供产品。高速加工技术现已经成为各大高校研究所的重要课题之一。

    2 高速加工技术分析

    2.1 高速加工技术的特点

    高速切削加工作为模具制造中最为重要的一项先进制造技术，是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术。在常规切削加工中备受困扰的一系列问题，通过高速切削加工的应用得到了解决。其切削速度、进给速度相对于传统的切削加工有较大的提升，主要有以下特点：

    （1）加工效率高。相比传统机加工而言，高速加工技术对材料的切除率提高30%～50%，使模具生产效率提升510倍，提高了产品生产率[3]。

    （2）切削力较低，切削热量少。在进行高速加工时，随着速度增大，切削力在降低；由于高速切削时切屑会带着90%以上的热量，因此温度会在达到峰值后会降低，当温度降低到一定程度时温度保持当前不变，能够使工件加工的热变形减少，适用于精密部件的加工。以软铝为例，当切削速度达到240m/min时，铝的切削温度达到峰值，继续加大切削速度，铝的切削温度反而会降低，到切削速度增大到一定程度时，铝的切削温度降低到最低，如图1所示。

    （3）已加工表面质量高。由于高速加工切削力小，在对工件表面进行高速加工时已经对工件表面进行打磨，因此已加工表面质量高，不需要二次加工。

    （4）减少能耗，节约能源。高速加工技术加工比常规加工减少近一半时间，并且保持质量，减少了能源消耗。

    2.2 高速加工技术刀具材料的选择

    进行高速加工时，需要有很高的主轴转速、较大的进给量，因此，对高速加工技术所采用的刀具提出更高的要求。在加工常用模具材料时选用的刀具材料为涂层硬质合金，具有较高的性价比，因此适用的范围最广；加工洛氏硬度（HRC）小于50的模具钢时，所采用的刀具材料为陶瓷，具有的化学性质稳定、耐磨性好、切削速度高和价格低等优点，但它的硬度和韧性较低，易损耗[4]；加工淬硬模具钢、冷硬铸铁和钛合金等材料时选用立方氮化硼（CBN）和金刚石作为刀具的材料，具有硬度高，超高的耐磨性，高温时化学性能稳定和有良好的导热性，但价格较高。

    3 高速加工技术在汽车模具制造中的应用

    3.1 高速加工技術在汽车模具制造中的方法

    高速加工技术和传统加工技术相比，加工工艺有很大的不同，常规加工使用主轴转速低，进给慢，单行程；高速加工技术使用高转速主轴，进给快，多行程。由于高速加工技术要实现高效率的加工，因此需要对加工所需的参数进行调整，其中包括高速加工时所需的刀具、切削量、进给速度等[5]。在加工之前需指定好工艺路径，尤其是对加工顺序的制定，要保证加工零件的精度达到要求，选择合理的走刀路线和换刀次数。需要数控设备具有高转速，并且机床自身需要具有良好的刚性和稳定性，以满足粗加工和精加工的需求；需要精度较高的进给系统，防止刀具进给时在工件表面留下划痕，破坏零件的质量；需要对加工路径进行规划，制定合理的走刀路线，减少下刀次数，提高加工精度。因此，汽车模具生产制造中使用高速加工技术的各阶段加工方法如下：

    （1）粗加工阶段，主要目的是在短时间内去除90%～95%的材料，宜采用大进给速度和大切削用量，先加工出模具外轮廓。该阶段刀具的切入与切出需要使用圆弧轨迹，旨在防止在大切削量时碰断刀具、损坏模具。

    （2）半精加工阶段，主要目的是对模具轮廓进行调整，宜采用小进给速度和小切削用量，去除粗加工时所产生的毛刺和飞边等，同时对汽车模具的尺寸进一步调整。该阶段加工需为精加工留有余量，应在半精加工时计算好切削量，保证后续加工。

    （3）精加工阶段，主要目的是对于模具最后的尺寸以及表面进行打磨，宜采用微进给速度和微切削用量，使模具的精度和表面粗糙度到达所需的要求。该阶段加工时，要严格计算每次切削的深度，尽可能减少抬刀和落刀的次数，并且在刀具切入工件表面时使用圆弧方式切入，保证在进行切削过程中不会中断影响工件表面质量；同理在切出工件表面时也需要采用圆弧方式，避免在工件表面落下划痕，使工件的精度和光滑度受到影响，从而使工件的质量达到要求。

    以汽车内饰注塑模具高速切削加工为例，粗加工时采用的主轴转速为800r/min，进给速度为400mm/min，加工余量1mm，能在短时间去除大量的余量；半精加工时采用的主轴转速为1500r/min，进给速度为1000mm/min，加工余量0.2mm，可以对模具外观进行调整；精加工时采用的主轴转速为10000r/min以上，进给速度为6000mm/min，加工余量为0mm，使工件的表面粗糙度达到要求。

    3.2 汽车零件模具的高速加工

    汽车零件的模具主要有仪表盘、覆盖件、轮毂以及缸体等模具，采用高速加工技术时，其加工效果、方法以及优点具体表现如下：

    （1）不规则零件模具加工。高速加工在对硬材料切削时有较好的效果。在进行汽车零件模具的制造时，往往需要成百乃至上千的模具，为了使汽车零件模具的制造周期缩短，并且降低汽车模具制造成本，因此，高速加工技术将是汽车零件模具制造技术的首选。对于汽车仪表盘、中控台和内饰板等不规则的零件，通常采用模具进行生产，而这些模具的内腔的形状较为复杂，传统加工方式难以进行加工，采用高速加工方法即可解决上述问题。高速加工技术在形状不规则的零件模具加工中，充分呈现出以下优点：①所加工出的汽车零件模具精度高；②在高速加工时单次的切削量小；③能够进行快速多次切削；④减少了二次修整，加工成品质量高；⑤提高了加工效率。

    （2）覆盖件模具加工。覆盖件大多数是由各种各样的曲面所构成，使用高速加工中心能够使生产出的覆盖件模具精度等级高、使用寿命长，并且在大进给速度时，高速加工中心可以提供高精度的定位和高精度的插补。铣削量大时，能够保证在铣削过程中不更换刀具，可以对整个曲面进行一次性加工，保证模具的精度。对汽车发动机覆盖件模具进行加工时，由于覆盖件模具需要具有高的抗拉、抗压强度和高的精度，因此，在进行覆盖件模具加工时，通常将完整的毛坯进行大量材料去除，保证模具质量。使用高速加工技术对其进行加工，采用高速加工技术对覆盖件模具的加工时具有以下优点：①高主轴转速以及快速多次的切削可以使模具的粗糙度达到要求质量得到保证；②高速的切削速度、微进给以及多次切削的精度，可以满足覆盖件模具生产的工艺要求，使模具整体加工效率得到提升。

    （3）缸体模具加工。应用高速加工技术可以使缸体模具生产周期减少，同时提高缸体模具的质量。现在，汽车制造企业都是使用高速加工中心来制造缸体模具，其中上海大众汽车使用高速数控钻削的技术对发动机的缸体模具和缸盖模具等进行高速加工，所加工的缸体模具以及缸盖模具能够一次成型，并且具体较高的精度，能够使缸体模具制造的工序减少，生产周期缩短[6]。

    （4）轮毂模具加工。使用高速加工技术能够快速制造出汽车轮毂模具，可以保证模具所生产的汽车轮毂的精度与质量。由于汽车轮毂形状复杂，使用传统加工方式费时费力，生产效率低，并且所加工的汽车轮毂难以保证精度要求，因此，使用模具制造汽車轮毂是很多企业普遍采用的方式。

    4 结语

    高速加工在汽车制造中有着不可替代的地位，高速加工技术具高效、优质的加工优势，将继续在机械加工领域起主导作用。本文针对高速加工技术在汽车模具制造中的应用，所提出的方法与所得到的结论，特别是对复杂形状汽车零件、覆盖件、轮毂及缸体等模具高速加工中的应用，具有很高的价值。

    参考文献：

    [1]徐磊，李强，王冲.高速切削加工技术[J].现代制造技术与装备， 2018（06）：143-145.

    [2]许红伍.高速加工技术在模具制造中的应用[J].江苏科技信息， 2017（26）：45-46.

    [3]HIGH CUTTING[J].F&M： Fabricating & Metalworking，2017， 16（06）：36-39.

    [4]Gong，Feng，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]罗勇明.模具高速加工的工艺及策略[J].中国战略新兴产业， 2018（36）：220.

    [6]关智，周超.发动机缸体高速加工工艺设计与研究[J].山东工业技术，2017（05）：28.

    作者简介：郝波涛（1995-），男，陕西榆林人，研究生，主要研究方向：机械设计制造。