汽车模具高速切削加工的工艺技术(下)

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汽车模具高速切削工艺技术研究的技术手段

一、切削加工有限元模拟技术

电脑技术的飞速发展使得利用数值模拟方法来研究切削加工过程以及各种参数之间的关系成为可能，始于上世纪70年代的金属切削加工的有限元模拟技术在电脑技术的发展中也得到了长足的进步。金属切削加工的有限元模拟考虑了材料属性、刀具的几何条件、切削加工参数（切削速度、进给量、切削深度）以及切削加工引起的切削力载荷、热载荷和残余应力等因素。在试验辅助和验证的基础上，虚拟切削加工过程中刀具和零件相对运动的作用过程，对切屑成形过程进行动态物理仿真，可以显示加工行为以及被加工零件的内部应力、应变、应变率和温度等物理量的分布情况，预测零件的加工质量和刀具磨损、破损等情况。进而，通过对工艺参数的优化，可以提高零件的加工质量，有效减少刀具的磨损程度，减少采用传统试凑法确定新工艺时所需的昂贵费用和时间。另外，金属切削加工模拟时，可以定义相关因素（加工参数、刀具几何条件以及热、力的上限）与材料的去除率之间的关系。在确保零件加工质量的前提下，通过改变切削参数提高材料的去除率，从而达到提高生产率的目的。

汽车覆盖件模具高速切削加工机理和加工参数优化技术涉及材料科学、力学、金属物理学、机械制造等多个学科，在数控加工领域一直难以解决。现有的CAM软件只能根据零件曲面特徵进行数控编程，保证刀位轨迹不碰撞、不干涉，但难以保证加工后的零件在表面质量和刀具寿命等物理目标上也是最优的，往往造成产品精度低下，刀具磨损严重，所以对高速切削加工过程进行最优化分析是一项比较困难却又相当重要的课题。从上述切削加工有限元模拟技术概述来看，走数字模拟仿真和试验研究相结合之路，是解决该实际问题的有效措施。切削工艺过程和切屑成形过程的有限元模拟为深入研究切削机理、提高切削加工质量提供了新的、更加有效的分析方法。

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二、基于实例推理的高速切削加工数据库构建技术

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基于实例的推理（CBR—Case-Based Reasoning）起源于二十世纪七十年代，是人工智能技术发展过程中出现的一种推理模式。简单地说，就是利用以前类似问题的解决方案及知识来解决新问题。基于实例推理是一种被广泛应用于各种问题求解领域的推理方法，应用这种推理方法求解问题不依赖于所求解问题领域的规则，而是依赖于以前积累的经验和成功解决的类似实例。这非常接近于人类专家解决问题的思路和方法。

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实际上，基于实例推理的技术是一种问题求解方法，可应用于众多的领域。在汽车模具高速切削加工领域，问题求解要考虑的因素非常多，解决方案的某些部分可用简单的规则来确定，但大多数情况下，则要注意到实际问题的具体情况。如选择切削刀具时，刀具类型可很简单地应用规则来确定，但像刀具尺寸、几何角度、刀片型号、尺寸、角度、加工参数等数据的确定，就很难用简单有效的规则来确定。有时，使用某些已经存在的规则甚至可能导致错误的结论。在这种情况下，应用基于规则的推理就受到了很大的局限，应用人工神经网路演算法又很难处理问题领域的非数值型数据，而应用基于实例推理的技术来解决这样的问题就很容易克服上述困难。

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另外，由于积累的经验少，高速切削加工过程中，零件与刀具材料的最优匹配及切削用量的选择、切削液的选用、机床刚性与工件刚性对加工精度和表面质量的影响及切削方法与机床的选用、刀具寿命与切削用量和加工成本之间的合理匹配、零件及加工面类型对工艺方案的影响等问题，也不能用简单的公式或规则来表示。而这些信息和经验对推广高速切削技术意义重大，因此如何收集和处理十分重要。而基于实例推理解决问题的方法正好可以利用上述经验和加工实例来解决高速切削加工过程中出现的各种问题。在目前高速切削加工领域缺乏大量系统适用的切削数据、经验和规则的情况下，应用基于实例推理技术解决问题的思想方法，可为建立高速切削数据库、推广高速切削加工技术，提供一条切实可行的途径。

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汽车模具高速切削工艺技术的技术路线

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以有限元模拟技术和基于实例推理的高速切削数据库构建技术为研究支撑技术，以理论分析和试验研究等为辅助技术，对汽车模具尤其是覆盖件模具高速切削加工工艺展开深入研究。其研究过程为：首先进行材料力学性能试验，利用试验数据构建有限元模型，探讨高速切削加工机理，优化高速切削加工参数和揭示高速切削加工规律；基于优化的加工参数源数据和高速切削加工规律，采用实例推理方法建立高速切削数据库；研究具有复杂曲面特徵的汽车覆盖件模具保持近似恒定切削载荷的高速切削加工策略，突破3＋2轴数控加工方式关键应用技术环节，开发汽车覆盖件模具3＋2轴数控加工辅助编程工具，最后将这些成果在实际高速切削加工中进行应用。图1为研究路线示意图。

 

图1 汽车模具高速切削工艺研究技术路线

 

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汽车模具高速切削工艺技术应用实例

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东风汽车模具有限公司是国内汽车模具行业规模最大、技术最先进的企业之一。从2000年开始，该公司组织技术人员进行高速切削加工技术研究，密切结合汽车模具尤其是覆盖件模具制造的实际，解决了一系列关键技术，总结了一套适合汽车覆盖件模具高速切削加工的技术方案和方法，包括：汽车覆盖件模具高速切削加工的基本概念；高速加工设备的选购标准；高速加工机床的安装与调试；高速切削刀具的使用；适合于高速切削加工的CAM软件；“3+2"轴高速切削加工技术；高速切削加工工艺及测量技术等。

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图2 在高速加工中心上进行的汽车覆盖件模具高速铣削

 

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近两年又与浙江大学、湖北汽车工业学院联合开展了汽车模具高速加工工艺参数优化及数据库系统开发与应用项目。该项目以大型汽车覆盖件模具复杂型面的高速精加工为主要研究对像，在引进国外大型高速数控加工中心设备的基础上，采用金属切削有限元模拟和实验技术相结合，研究了模具常用材料的高速切削加工机理；采用基于实例推理方法建立了具有自学习功能的汽车模具高速切削数据库；紧密结合UG CAM软件功能，开发了刀轴倾角优化工具，因而在汽车覆盖件模具复杂型面“3+2轴”加工时，达到了汽车模具的高速度、高质量、高可靠性的加工要求。经过实际应用，取得了良好的应用效果。

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