汽车覆盖件用淬硬钢模具的铣削加工.pdf
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1、S专题报道PECIALREPORTS汽车覆盖件用淬硬钢模具的铣削加工文哈尔滨理工大学机械动力工程学院完刘献礼前言随着我国汽车工业的快速发展,各大汽车制造厂商为了争夺市场,适应购买者对汽车使用性能及造型个性化等方面的需求,不断进行新旧车型的更新换代,改型车和新型车的最主要的标志就是车身外形必须改换,汽车的覆盖件模具要重新设计制造。行人工磨抛,其时间一般需要3 周以上,模具最终尺寸精度和表面质量靠大量的钳工修磨研配来保证,因此,生产效率极低。而且目前中高档轿车的外覆盖件模具,国内汽车模具生产厂家还没有生产能力。因此,开展中高档汽车覆盖件模具的高效、高精度铣削加工技术对提高模具制造水平和促进汽车产业
2、的发展具有重要的支撑作用。1.汽车覆盖件模具特征和加工难点汽车大型覆盖件模具是生产汽车车身的大型关键工艺装备,其主要特征如图2 所示。滚硬钢拼接滚硬钢拼接小曲率凸曲镶块镶块面图1 汽车覆盖件零件分解图1 为汽车车身覆盖件拆解,一辆轿车汽车覆盖件数量高达数十件甚至百件以上,每件覆盖件均由其成配套模具冲压成形,这些配套模具的设计和制造时间严重制约汽车换改型的周期。可见,新旧车型的快速升级换代,对汽车覆盖件模具产生了巨大需求。为提高汽车大型覆盖件硬钢模具的生产效率,铣削加工技术在国内汽车模具制造企业中得到程度不同的应用。对比传统的磨削加工工艺,铣削加工可以获得理想表面质量,同时具有加工柔性好、无污染
3、等特点。国内汽车覆盖件模具加工时,一般在模具切削加工工序之后还要花大量工时进多硬度硬钢拼接缝处多硬度淬硬钢拼接缝处图2 汽车覆盖件模具的加工特征(1)工件材料属于典型高硬度、高强度材料。模具材料多为7 CrSiMnMoV和Cr12MoV等模具钢,淬火后硬度达到HRC4565。(2)型面特征复杂。存在凹曲面、凸曲面、倾斜面、陡立面、拐角、沟槽等特征型面,且为保证凸凹模的合模精度对模具型面加工精度和表面加工质量要求高。陡立面型面立体拐角型面 22 第0 6 期娄数控机床市场专题报道SPECIALREPORTS(3)轮廓尺寸大。其尺寸范围(0.5 2.5)m(1.53.5)m,加工型面面积大,切削路
4、径长,数控加工设备各运动轴行程范围大。(4)多硬度材料拼接结构。为满足大型冲压模具的加工精确度,提高加工效率,大型模具一般用多个分块模具拼接而成,或根据模具不同位置所受应力的特征,采用镶块式淬硬钢与模具本体拼接而成。在制作分块模具和淬硬钢镶块时首先单独进行粗加工和半精加工,然后再拼接成整体模具后进行精铣加工。多硬度拼接淬硬钢材料硬度相差高达HRC5-H R C 2 0。(5)加工精度和表面加工质量要求高。为保证覆盖件的光顺性,要求凸凹模具有较高的合模精度,因此凸凹模具各自铣削加工时对加工精度和表面加工质量有很高的要求。若模具上有一处型面轮廓精度达不到要求或存在表面加工缺陷,会导致冲压件出现褶皱
5、、凹陷等缺陷,则整套凸凹模具均不能再使用。模具设计工件泽火前分火前分淬火毛坏加工分块块粗加工块精加工模具型面清角泽火后整泽火后整检测清根体精加工凸凹模具生产冲压样件研合打磨样件检测图3汽车模具生产企业的一般加工流程国内汽车模具生产企业的一般加工流程如图3所示,模具最终表面加工质量和型面精度要靠钳工大量的打磨研合来保证,工件淬火后的加工精度直接影响后期抛光研磨的工作量。目前对于型面特征复杂而表面加工质量和型面位置精度要求不高的汽车内覆盖件模具的加工技术问题已经基本解决了,然而在加工精度要求高的汽车外覆盖件模具制造方面,仍普遍存在着生产效率较低、刀具使用寿命不足、已加工表面质量差等突出问题,导致模
6、具整体合模精度低,覆盖件冲压成品光顺性较差。严重影响汽车模具成形精度、使用寿命和生产效率。汽车大型覆盖件模具铣削加工中的难点。(1)汽车模具铣削条件恶劣,出现型面误差和表面加工缺陷。淬火后高硬度材料铣削时刀具切入困难,与工件之间出现滑擦现象;型面加工特征多变及多硬度拼接特征铣削载荷变化频繁,易引起刀具变形、振动、磨损、破损;材料拼接处由硬度差导致的加工轮廓不一致。这些现象导致型面误差和表面加工缺陷。(2)汽车模具铣削过程易产生颤振。汽车模具铣削过程动态铣削力大,且加工工艺系统动态性能了解不清,无法有效的控制颤振,导致加工表面恶化。一些企业为了避免切削颤振发生,通常以牺牲加工效率为代价,选择保守
7、的切削参数,导致数控加工设备性能得不到充分发挥。(3)刀具性能不满足铣削要求。为保证模具型面的完整性及覆盖件成形质量,精加工时要求刀具遍历整个汽车模具加工表面,中间过程不能换刀,刀具使用寿命需要达到4 12 h;不同硬度工件材料拼接过渡处铣削载荷突变,导致刀具的磨损破损程度加剧,故汽车模具铣削加工对刀具性能提出了更高要求。处理(4)汽车模具复杂型面数控编程及刀具路径规划不合理。对有效加工带宽及加工行距的确定钳工体粗加工拼接是厂汽车模合格具成品否不合理,增加模具抛光、打磨等工序的任务量;模具型面变曲率特征、拐角特征等易产生刀具局部干涉;无法有效地根据特定的加工曲面和加工条件进行刀具路径的规划,导
8、致刀具失效过快,且加工效率低下。综上所述,通过汽车覆盖件模具加工中的难点分析,高效高精度铣削加工汽车覆盖件模具需要在淬硬钢模具铣削过程建模与分析、加工工艺系统动力学特性与铣削稳定性分析、汽车覆盖件淬硬钢模具铣削加工用刀具研制、模具复杂曲面数控编程技术及工艺规划研究等方面进行系统深入的研究,本文针对这几方面的研究现状进行归纳和总结。2淬硬钢模具铣削过程建模与分析2.1淬硬钢模具铣削的理论建模2.1.1球头刀铣削力建模汽车覆盖件淬硬钢模具铣削过程中产生较大铣削力,直接影响模具的切削加工性、刀具磨损、第0 6 期胡数控机床市场23S专题报道PECIALREPORTS刀具变形、机床振动、加工精度及表面
9、完整性等。目前,汽车模具的铣削加工多采用球头铣刀,而球头铣刀铣削力模型应用最普遍的是球头铣刀瞬时刚性力模型。其主要思想是将切削刃离散为切削刃微元,将微元铣削力表达成切削面积和切削刃接触长度的函数。汽车模具复杂曲面铣削加工中,刀具的铣削状态一般是不断变化的,变铣削状态主要包括刀具进给方向的变化和刀具一工件切触区域的变化。而刀具铣削状态变化在铣削力模型中主要通过未变形切屑厚度体现出来,进给方向变化通过对未变形切屑厚度计算模型的影响体现出来,刀具与工件切触区域的变化用以界定未变形切屑厚度计算模型的有效范围。球头刀铣削曲面的铣削力建模需要解决的关键问题有:球头刀刃线几何模型、刀具一工件接触区域确定、瞬
10、时未变形切屑厚度计算、铣削力系数识别、铣削力在各坐标系间的转换、被加工表面类型。2.1.2球头刀铣削表面形貌建模从理论研究的角度,球头刀铣削表面形貌建模方法主要分为两类。一类是几何实体建模法,建立刀具和工件的CAD几何实体并离散,通过布尔操作运算获得工件表面形貌模型。另一类是Z-Map法,将工件模型在XOY坐标内离散成大量分布均匀的xy网格节点,并求得每个网格节点对应Z坐标的法向残余高度值,这些网格节点就组成工件的数字化模型,用以表述已加工表面。2.2淬硬钢模具铣削过程的有限元模拟淬硬钢模具铣削机理的有限元模拟研究中主要关注分析预测铣削力、铣削温度场、切屑形成工件情况1.刀具材料刀具情况1.硬
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