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摘要：对于车型种类繁多的我国汽车市场来说，车型的不断更新直接关系著汽车企业的市场竞争力，这就使得汽车企业对高速铣削加工技术存在较高需求。基于此，本文将简单分析汽车大型覆盖件淬硬钢模具铣削加工常见问题，并深入探讨汽车大型覆盖件淬硬钢模具高速铣削加工技术要点，希望研究内容能够给相关从业人员以启发。
关键词：汽车大型覆盖件;淬硬钢模具;高速硬态铣削加工技术
中图分类号：TG506 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）09-0125-02
0 引言
对比传统磨削加工技术和本文研究的高速硬态铣削加工技术可以发现，后者具备无污染、加工柔性好、生产效率高等优势，这使得该技术近年来在我国汽车模具制造业广泛应用。为更好提升汽车模具制造水平，正是本文围绕高速硬态铣削加工技术开展具体研究的原因所在。
1 汽车大型覆盖件淬硬钢模具铣削加工常见问题
1.1 基本问题
基于传统磨削加工技术的汽车大型覆盖件淬硬钢模具铣削加工存在一定问题，主要可概括为五个方面：第一，表面损伤和尺寸误差。拼接后的镶块式淬硬钢模件精加工多基于整体铣削加工进行，铣削加工在多硬度拼接过渡区很容易出现载荷突变，导致明显的刀具振动，曲率不断变化的工件曲面也会导致切削层参数不断变化，加工过程中极不稳定的刀具载荷会最终导致模具型面的表面损伤和尺寸误差出现;第二，模具铣削过程颤振。对于型面复杂且硬度高的淬硬钢模具来说，颤振问题很容易在加工过程出现。由于不了解加工工艺系统（工件-刀具-机床）的动态性能，无法准确获得动态特性参数也会导致颤振难以有效控制，质量恶化的加工表面将出现麻点、凹坑，粗糙度不均等问题也会出现在模具型面表面;第三，刀具严重磨损和破损。为保证覆盖件成形质量和模具型面的完整性，需要使用同一把刀具和同一台机床完成不同硬度的加工区域，汽车模具间存在的硬度差和较大的硬度往往会导致刀具磨损加剧。此外，复杂多变的曲面使得交变切削载荷频繁出现于刃口部位，因此引发的磨损破损问题也需要得到重视。对于接近零度的加工倾角，直接接触的复杂曲面加工铣刀刀尖与工件可能导致刀片微裂纹扩展，断裂问题的出现几率会大幅提升。刀具频繁的进给速度和线速度矢量变化会导致提前磨损、破损，这与切削载荷突变存在直接关联;第四，专用刀具缺失。在粗加工时，国内部分汽车模具企业通过环形铣刀和圆角铣刀替代球头铣刀，增大数倍的步距使得加工时间缩短，加工效率得以提升，同时球头铣刀用于半精加工及精加工，点接触窄行加工的球头铣刀存在为零的顶点处线速度，恶劣的切削条件会降低切削效率，这与专用刀具缺乏存在直接关联，模具加工表面质量及效率受到的影响必须得到重视;第五，加工效率和精确度存在问题。受过大的模具硬度影响，加工过程中的让刀、振动、刀具变形、磨损破损等问题均会影响加工精确度，后期的人工打磨抛光工作量也会增加，这对加工效率及质量造成的负面影响必须得到重视。此外，无法有效结合加工条件和复杂加工曲面特征进行刀具路径规划也很容易引发同类问题[1]。
1.2 原因分析
结合上述问题开展深入分析可以发现，低档轿车覆盖件模具属于现阶段我国汽车模具厂家汽车覆盖件模具加工主流，这类模具存在要求不高的加工形面精度要求，同时存在大量人工抛磨作业，大量钳工修磨抛光方可保证模具的加工表面质量和尺寸精度。优化刀具选择、引进先进的数控加工设备、优化数控编程等属于国内相关企业的关注焦点，高速切削加工参数选择多采用“经验”法和“试切”法，切削工艺参数在不同数控加工设备上相差不大的情况较为常见，很多先进设备受此影响无法充分发挥自身性能。总的来说，汽车大型覆盖件淬硬钢模具铣削加工问题可细分为加工效率问题、刀具使用寿命问题、切削过程振动问题、表面加工质量问题，这类问题与刀具、机床动态特性、工件特征、切削过程存在直接关联，这类问题的解决可从综合工艺优化、切削刀具研究、切削动力学研究、切削机理研究等方面入手[2]。
2 汽车大型覆盖件淬硬钢模具高速铣削加工技术要点
2.1 切削刀具技术
对于拥有大尺寸、复杂自由曲面型面的汽车大型覆盖件模具来说，表面加工质量的控制极为关键。一把刀完成一道工序属于表面加工质量的控制基础，因此相应刀具需要具备较为出色的化学稳定性和耐热性、较高硬度、以及良好的耐磨损和抗冲击特性。现阶段大直径环形铣刀和圆角铣刀在汽车大型覆盖件淬硬钢模具粗加工中的应用较为广泛，球头铣刀多用于精加工，主要选择陶瓷、PCBN、涂层硬质合金等刀具材料，不同材料具备不同的特点，如陶瓷刀具具备较为优秀的抗粘结能力，PCBN刀具具备较为出色的耐热性、耐磨性、硬度，硬质合金铣刀很容易出现切削刃塌陷问题，因此PCBN刀具更适合汽车大型覆盖件淬硬钢模具高速铣削加工。在刀具材料确定后，为更好提升刀具切削性能，还应关注刀具几何参数、刀具刃口刃形、刀具结构的优化，刀具物理场分布能够对铣刀切削性能和切削载荷特性进行直接反映，辅以切削加工模拟实验和有限元切削过程仿真，刀具几何参数、刀具刃口刃形、刀具结构的优化即可获得充足依据，新型专用刀具开发也能够由此展开，表1直观展示了切削刀具技术研究内容[3]。
2.2 综合工艺优化
近年来国内外围绕汽车大型覆盖件淬硬钢模具高速铣削加工技术开展了大量研究，这类研究主要围绕综合工艺优化开展，涉及高速铣削淬硬钢模具工艺、数控加工工艺等。以高速铣削淬硬钢模具工艺为例，相关研究主要围绕切削深度、进给量、切削速度等参数优化开展，加工成本、刀具磨损寿命、加工效率、表面粗糙度、切削力为主要优化目标，表2直观展示了高速切削工艺优化结构。 传统切削与高速切削在机理方面存在显著差异，常规銑削的相关概念及理论无法简单沿用于高速铣削淬硬钢模具中，因此现阶段相关研究多围绕算法优化、试验优化、组合优化等方面开展，设计变量多选择切削深度、进给量、切削速度等主要切削参数，以此对优化目标进行设定，仿真模型基于高速铣削试验和优化算法建立，最佳的切削参数搭配即可顺利获得，正交试验属于常用试验方法，蚁群算法、粒子群算法、遗传算法则属于常用优化算法，同时人工智能技术，即可更好优化高速铣削淬硬钢模具工艺。如通过组合正交试验方法和遗传算法，基于干铣的方式和表面粗糙度目标优化切削参数，刀具的形状也能够在这一过程中优选。而通过开展淬硬钢正交试验，优化表面粗糙度和切削力指标，最优方案可基于综合平衡法得出。刀具角度和铣削用量等参数也可基于切削力、表面粗糙度等目标开展试验，结合专家系统的模糊推理规则，分析和优化即可进一步推进，由此开发专用的硬铣削专家系统用于切削性能评价和切削参数优化，汽车大型覆盖件淬硬钢模具高速铣削加工技术的高水平应用即可更好得到保障。综合分析可以发现，基于单个或两个优化目标的淬硬钢模具参数优化现阶段较为常见，基于全目标和多个优化目标的全面综合优化探索尚存在一定不足。
对于汽车大型覆盖件淬硬钢模具高速铣削加工来说，恒定的切削载荷保持、柔顺刀具轨迹在整个切削路径上的生成极为关键。为得到恒定化的切削载荷，一般采用“小切深、大进给”方案进行汽车模具加工，选择圆弧或螺旋线的进退刀方式，仿形加工由等高分层加工替代。为得到柔顺化的刀具轨迹，近年来业界围绕相关技术开展了大量研究，插补技术便属于其中代表，不同于常规的圆弧插补和直线插补，该插补技术具备文件程序量少、表面加工质量高、速度变化小等优势，该技术的应用流程可概括为：“曲面CAD模型→规划刀具路径→拟合曲线→后置处理→NC代码→程序读取→插补→伺服系统”。
围绕刀具路径和工艺规划进行分析可以发现，受型面复杂的汽车模具影响，数控加工编程多数时候需要采用不同的刀具路径、加工工艺、工艺参数，基于不同加工特征的汽车模具针对性开发模具工艺制造模块近年来开始受到业界重视，如基于企业条件开发程序化的汽车冷冲模具加工工艺模块，以此全自动加工冷冲模具。依托软件，也可以针对性开发数控加工工艺及模板，具体开发过程需要以不同结构特征的汽车覆盖件模具为依据，汽车覆盖件模具的加工参数、工艺路线规范得以实现。
3 结论
综上所述，汽车大型覆盖件淬硬钢模具的高速铣削加工技术拥有广阔发展前景。在此基础上，本文涉及的切削刀具技术、综合工艺优化等内容，则直观展示了高速铣削加工技术优化路径。为更好服务于汽车大型覆盖件淬硬钢模具加工，多硬度拼接曲面结构的深入研究、汽车模具曲面特征的针对性分类、非线性动力学模型的优化建设同样需要得到重视。
参考文献：
[1]张海，倪高明，罗胜.淬硬钢模具型腔加工立铣刀刃形的选择[J].工具技术，2020，54（10）：75-77.
[2]王川亮.淬硬钢模具铣削加工表面三维形貌及耐腐蚀性研究[D].沈阳建筑大学，2020.
[3]姜彦翠，崔健，刘献礼.淬硬钢模具铣削动力学和稳定性研究综述[J].哈尔滨理工大学学报，2020，25（01）：29-35.
[4]文东辉，王扬渝，计时鸣.多硬度拼接淬硬钢球头铣削加工的数值模拟[J].哈尔滨理工大学学报，2011（5）：16-20.
[5]刘安民，彭程，刘吉兆，等.高速铣削时颤振的诊断和稳定加工区域的预报[J].机械工程学报，2007（1）：164-169.
[6]杨琳.球头铣刀铣削淬硬钢模具铣削力及模具加工误差研究[D].哈尔滨理工大学，2017：1-133.
[7]陈芳.高速切削加工技术在汽车覆盖件模具制造中的应用[J].小型内燃机与车辆技术，2019（1）：81-83，89.
[8]蔡菲.汽车覆盖件模具高效铣削轨迹规划[J].小型内燃机与车辆技术，2018（3）：57-60.
基金项目：2020年高校学科（专业）拔尖人才学术资助项目（gxbjZD2020107）;2019年安徽省质量工程项目（2019dsgzs43）;2018年安徽省质量工程项目（2018jyxm0621）。
作者简介：吴亚兰（1984-），女，安徽枞阳人，实验师，硕士，主要从事数控技术应用、机械设计与制造、数字化设计与制造等方向的研究;李庆（1981-），男，山东曹县人，回族，毕业于合肥工业大学机械工程硕士，副教授，主要从事数控技术应用、机械设计与制造、数字化设计与制造等方向的研究。
关键词：汽车大型覆盖件;淬硬钢模具;高速硬态铣削加工技术
中图分类号：TG506 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）09-0125-02
0 引言
对比传统磨削加工技术和本文研究的高速硬态铣削加工技术可以发现，后者具备无污染、加工柔性好、生产效率高等优势，这使得该技术近年来在我国汽车模具制造业广泛应用。为更好提升汽车模具制造水平，正是本文围绕高速硬态铣削加工技术开展具体研究的原因所在。
1 汽车大型覆盖件淬硬钢模具铣削加工常见问题
1.1 基本问题
基于传统磨削加工技术的汽车大型覆盖件淬硬钢模具铣削加工存在一定问题，主要可概括为五个方面：第一，表面损伤和尺寸误差。拼接后的镶块式淬硬钢模件精加工多基于整体铣削加工进行，铣削加工在多硬度拼接过渡区很容易出现载荷突变，导致明显的刀具振动，曲率不断变化的工件曲面也会导致切削层参数不断变化，加工过程中极不稳定的刀具载荷会最终导致模具型面的表面损伤和尺寸误差出现;第二，模具铣削过程颤振。对于型面复杂且硬度高的淬硬钢模具来说，颤振问题很容易在加工过程出现。由于不了解加工工艺系统（工件-刀具-机床）的动态性能，无法准确获得动态特性参数也会导致颤振难以有效控制，质量恶化的加工表面将出现麻点、凹坑，粗糙度不均等问题也会出现在模具型面表面;第三，刀具严重磨损和破损。为保证覆盖件成形质量和模具型面的完整性，需要使用同一把刀具和同一台机床完成不同硬度的加工区域，汽车模具间存在的硬度差和较大的硬度往往会导致刀具磨损加剧。此外，复杂多变的曲面使得交变切削载荷频繁出现于刃口部位，因此引发的磨损破损问题也需要得到重视。对于接近零度的加工倾角，直接接触的复杂曲面加工铣刀刀尖与工件可能导致刀片微裂纹扩展，断裂问题的出现几率会大幅提升。刀具频繁的进给速度和线速度矢量变化会导致提前磨损、破损，这与切削载荷突变存在直接关联;第四，专用刀具缺失。在粗加工时，国内部分汽车模具企业通过环形铣刀和圆角铣刀替代球头铣刀，增大数倍的步距使得加工时间缩短，加工效率得以提升，同时球头铣刀用于半精加工及精加工，点接触窄行加工的球头铣刀存在为零的顶点处线速度，恶劣的切削条件会降低切削效率，这与专用刀具缺乏存在直接关联，模具加工表面质量及效率受到的影响必须得到重视;第五，加工效率和精确度存在问题。受过大的模具硬度影响，加工过程中的让刀、振动、刀具变形、磨损破损等问题均会影响加工精确度，后期的人工打磨抛光工作量也会增加，这对加工效率及质量造成的负面影响必须得到重视。此外，无法有效结合加工条件和复杂加工曲面特征进行刀具路径规划也很容易引发同类问题[1]。
1.2 原因分析
结合上述问题开展深入分析可以发现，低档轿车覆盖件模具属于现阶段我国汽车模具厂家汽车覆盖件模具加工主流，这类模具存在要求不高的加工形面精度要求，同时存在大量人工抛磨作业，大量钳工修磨抛光方可保证模具的加工表面质量和尺寸精度。优化刀具选择、引进先进的数控加工设备、优化数控编程等属于国内相关企业的关注焦点，高速切削加工参数选择多采用“经验”法和“试切”法，切削工艺参数在不同数控加工设备上相差不大的情况较为常见，很多先进设备受此影响无法充分发挥自身性能。总的来说，汽车大型覆盖件淬硬钢模具铣削加工问题可细分为加工效率问题、刀具使用寿命问题、切削过程振动问题、表面加工质量问题，这类问题与刀具、机床动态特性、工件特征、切削过程存在直接关联，这类问题的解决可从综合工艺优化、切削刀具研究、切削动力学研究、切削机理研究等方面入手[2]。
2 汽车大型覆盖件淬硬钢模具高速铣削加工技术要点
2.1 切削刀具技术
对于拥有大尺寸、复杂自由曲面型面的汽车大型覆盖件模具来说，表面加工质量的控制极为关键。一把刀完成一道工序属于表面加工质量的控制基础，因此相应刀具需要具备较为出色的化学稳定性和耐热性、较高硬度、以及良好的耐磨损和抗冲击特性。现阶段大直径环形铣刀和圆角铣刀在汽车大型覆盖件淬硬钢模具粗加工中的应用较为广泛，球头铣刀多用于精加工，主要选择陶瓷、PCBN、涂层硬质合金等刀具材料，不同材料具备不同的特点，如陶瓷刀具具备较为优秀的抗粘结能力，PCBN刀具具备较为出色的耐热性、耐磨性、硬度，硬质合金铣刀很容易出现切削刃塌陷问题，因此PCBN刀具更适合汽车大型覆盖件淬硬钢模具高速铣削加工。在刀具材料确定后，为更好提升刀具切削性能，还应关注刀具几何参数、刀具刃口刃形、刀具结构的优化，刀具物理场分布能够对铣刀切削性能和切削载荷特性进行直接反映，辅以切削加工模拟实验和有限元切削过程仿真，刀具几何参数、刀具刃口刃形、刀具结构的优化即可获得充足依据，新型专用刀具开发也能够由此展开，表1直观展示了切削刀具技术研究内容[3]。
2.2 综合工艺优化
近年来国内外围绕汽车大型覆盖件淬硬钢模具高速铣削加工技术开展了大量研究，这类研究主要围绕综合工艺优化开展，涉及高速铣削淬硬钢模具工艺、数控加工工艺等。以高速铣削淬硬钢模具工艺为例，相关研究主要围绕切削深度、进给量、切削速度等参数优化开展，加工成本、刀具磨损寿命、加工效率、表面粗糙度、切削力为主要优化目标，表2直观展示了高速切削工艺优化结构。 传统切削与高速切削在机理方面存在显著差异，常规銑削的相关概念及理论无法简单沿用于高速铣削淬硬钢模具中，因此现阶段相关研究多围绕算法优化、试验优化、组合优化等方面开展，设计变量多选择切削深度、进给量、切削速度等主要切削参数，以此对优化目标进行设定，仿真模型基于高速铣削试验和优化算法建立，最佳的切削参数搭配即可顺利获得，正交试验属于常用试验方法，蚁群算法、粒子群算法、遗传算法则属于常用优化算法，同时人工智能技术，即可更好优化高速铣削淬硬钢模具工艺。如通过组合正交试验方法和遗传算法，基于干铣的方式和表面粗糙度目标优化切削参数，刀具的形状也能够在这一过程中优选。而通过开展淬硬钢正交试验，优化表面粗糙度和切削力指标，最优方案可基于综合平衡法得出。刀具角度和铣削用量等参数也可基于切削力、表面粗糙度等目标开展试验，结合专家系统的模糊推理规则，分析和优化即可进一步推进，由此开发专用的硬铣削专家系统用于切削性能评价和切削参数优化，汽车大型覆盖件淬硬钢模具高速铣削加工技术的高水平应用即可更好得到保障。综合分析可以发现，基于单个或两个优化目标的淬硬钢模具参数优化现阶段较为常见，基于全目标和多个优化目标的全面综合优化探索尚存在一定不足。
对于汽车大型覆盖件淬硬钢模具高速铣削加工来说，恒定的切削载荷保持、柔顺刀具轨迹在整个切削路径上的生成极为关键。为得到恒定化的切削载荷，一般采用“小切深、大进给”方案进行汽车模具加工，选择圆弧或螺旋线的进退刀方式，仿形加工由等高分层加工替代。为得到柔顺化的刀具轨迹，近年来业界围绕相关技术开展了大量研究，插补技术便属于其中代表，不同于常规的圆弧插补和直线插补，该插补技术具备文件程序量少、表面加工质量高、速度变化小等优势，该技术的应用流程可概括为：“曲面CAD模型→规划刀具路径→拟合曲线→后置处理→NC代码→程序读取→插补→伺服系统”。
围绕刀具路径和工艺规划进行分析可以发现，受型面复杂的汽车模具影响，数控加工编程多数时候需要采用不同的刀具路径、加工工艺、工艺参数，基于不同加工特征的汽车模具针对性开发模具工艺制造模块近年来开始受到业界重视，如基于企业条件开发程序化的汽车冷冲模具加工工艺模块，以此全自动加工冷冲模具。依托软件，也可以针对性开发数控加工工艺及模板，具体开发过程需要以不同结构特征的汽车覆盖件模具为依据，汽车覆盖件模具的加工参数、工艺路线规范得以实现。
3 结论
综上所述，汽车大型覆盖件淬硬钢模具的高速铣削加工技术拥有广阔发展前景。在此基础上，本文涉及的切削刀具技术、综合工艺优化等内容，则直观展示了高速铣削加工技术优化路径。为更好服务于汽车大型覆盖件淬硬钢模具加工，多硬度拼接曲面结构的深入研究、汽车模具曲面特征的针对性分类、非线性动力学模型的优化建设同样需要得到重视。
参考文献：
[1]张海，倪高明，罗胜.淬硬钢模具型腔加工立铣刀刃形的选择[J].工具技术，2020，54（10）：75-77.
[2]王川亮.淬硬钢模具铣削加工表面三维形貌及耐腐蚀性研究[D].沈阳建筑大学，2020.
[3]姜彦翠，崔健，刘献礼.淬硬钢模具铣削动力学和稳定性研究综述[J].哈尔滨理工大学学报，2020，25（01）：29-35.
[4]文东辉，王扬渝，计时鸣.多硬度拼接淬硬钢球头铣削加工的数值模拟[J].哈尔滨理工大学学报，2011（5）：16-20.
[5]刘安民，彭程，刘吉兆，等.高速铣削时颤振的诊断和稳定加工区域的预报[J].机械工程学报，2007（1）：164-169.
[6]杨琳.球头铣刀铣削淬硬钢模具铣削力及模具加工误差研究[D].哈尔滨理工大学，2017：1-133.
[7]陈芳.高速切削加工技术在汽车覆盖件模具制造中的应用[J].小型内燃机与车辆技术，2019（1）：81-83，89.
[8]蔡菲.汽车覆盖件模具高效铣削轨迹规划[J].小型内燃机与车辆技术，2018（3）：57-60.
基金项目：2020年高校学科（专业）拔尖人才学术资助项目（gxbjZD2020107）;2019年安徽省质量工程项目（2019dsgzs43）;2018年安徽省质量工程项目（2018jyxm0621）。
作者简介：吴亚兰（1984-），女，安徽枞阳人，实验师，硕士，主要从事数控技术应用、机械设计与制造、数字化设计与制造等方向的研究;李庆（1981-），男，山东曹县人，回族，毕业于合肥工业大学机械工程硕士，副教授，主要从事数控技术应用、机械设计与制造、数字化设计与制造等方向的研究。