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高速切削加工是汽車模具製造的發展趨勢
高 速切削加工技術是21世紀的一種先進製造技術，有著強大的生命力和廣闊的應用前景。通過高速切削加工技術可以解決在汽車模具常規切削加工中備受困擾的一系 列問題。近幾年來，在美國、德國、日本等工業發達國家高速切削加工技術在大部分的模具公司都得到了廣泛應用，85%左右的模具電火花成形加工工序已被高速 加工所替代。高速加工技術集高效、優質、低耗於一身，已成為國際模具製造工藝中的主流。
通過國內外汽車模具製造行業的高速切削加工技術實踐應用，高速切削加工技術具有如下優勢：
一、高速切削加工提高了加工速度
高速切削加工以高於常規切削10倍左右的切削速度對汽車模具進行高速切削加工。由於高速機床主軸激振頻率遠遠超過“機床—刀具—工件”系統的固有頻率範圍，汽車模具加工過程平穩且無衝擊。
二、高速切削加工生產效率高
用高速加工中心或高速銑床加工模具，可以在工件一次裝夾中完成型面的粗、精加工和汽車模具其他部位的機械加工，即所謂“一次過”技術（One Pass Machining）。高速切削加工技術的應用大大提高了汽車模具的開發速度。
三、高速切削加工可獲得高質量的加工表面
由於採取了極小的步距和切深，高速切削加工可獲得很高的表面質量，甚至可以省去鉗工修光的工序。
四、簡化加工工序
常 規銑削加工只能在淬火之前進行，淬火造成的變形必須要經手工修整或採用電加工最終成形。現在則可以通過高速切削加工來完成，而且不會出現電加工所導致的表 面硬化。另外，由於切削量減少，高速加工可使用更小直徑的刀具對更小的圓角半徑及模具細節進行加工，節省了部分機械加工或手工修整工序，從而縮短了生產周 期。
五、高速切削加工使汽車模具修復過程變得更加方便
汽車模具在使用過程中往往需要多次修復以延長使用壽命，如果採用高速切削加工就可以更快地完成該工作，取得以銑代磨的加工效果，而且可使用原NC程序，無需重新編程，且能做到精確無誤。
六、高速切削加工可加工形狀複雜的硬質汽車模具
由高速切削機理可知：高速切削時，切削力大為減少，切削過程變得比較輕鬆，高速切削加工在切削高強度和高硬度材料方面具有較大優勢，可以加工具有複雜型面、硬度比較高的汽車模具。
開展汽車模具高速切削工藝技術研究的意義
高 速切削加工技術在國內外汽車模具製造行業得到了廣泛的應用，並且已取得了巨大的效益，但是高速切削加工的機理和相關理論至今仍不完善，針對汽車模具的高速 切削數據庫尚未建立。國內外企業選擇高速切削刀具參數和高速切削加工參數的方式仍以傳統的“試切”法和“經驗”法為主，在加工某一新型材料時，往往需要使 用多種刀具進行重複切削試驗，研究分析刀具的磨損、破損方式及其原因，從中找出一組最佳的刀具材料和加工參數，如此反覆多次，盲目性大，並且浪費大量的人 力、財力和資源。而針對特種材料如合金鑄鐵、高強度合金鋼、超級合金（如鈦合金）等材料的高速切削加工，如何根據材料特性選擇合適的切削刀具，如何設計合 理的切削參數，目前仍在研究和發展中。
關於高速切削數據庫的建立和使用，國內外至今很少有關的文獻報道。這主要是因為高速切削加工技術起步晚，目前可用於生產的實用高速切削數據還十分缺乏。
我 國有關汽車模具高速切削加工技術的研究起步較晚。近年來，眾多模具企業相繼從美國、德國、法國、日本等國家購買了大量高速加工設備及切削刀具，並在實踐中 摸索汽車模具高速切削加工的工藝技術，取得了一些成功經驗。但是，一方面，引進設備不等於引進技術。高速切削尤其是大型汽車覆蓋件模具的高速切削方面，沒 有成功的經驗可供借鑒，怎樣使引進的設備盡快發揮出應有的作用是擺在企業管理者和工程技術人員面前的一大課題；另一方面，技術人員在工作中邊學習邊應用， 摸索、積累了一定的高速切削加工實例、工藝參數和工作經驗，怎樣將這些寶貴的經驗和教訓總結保存供其他技術人員借鑒、避免多走彎路也是一項難題。
汽 車模具企業不僅要建立一套高速加工切削數據庫，而且應是針對汽車覆蓋件模具加工特徵的“特色”切削數據庫，即所建立的切削數據庫不但能夠存儲高速切削參 數，而且能夠存儲優秀的高速切削加工實例和決策知識，因此這是能夠“自動增長知識”的數據庫；在數據和經驗基礎之上，還需要對高速加工數控編程工作任務進 行有效管理。建立這樣一個針對模具公司獨特情況的數據庫，已遠遠超出一般切削數據庫的範疇，但這種“特色”數據庫的建立和應用必定會提高汽車模具高速加工 的質量和效率，並為企業帶來可觀的經濟效益。
汽車模具高速切削工藝技術研究的內容
一、高速切削加工機理的研究
高速切削加工技術在 國內外發展的時間短，切削機理方面還有很多內容仍需要進一步的研究和完善，主要表現在由於速度大幅提高，加工過程產生的切削力、切削熱、刀具磨損狀況以及 加工表面情況都將與傳統加工對應因素所產生的現象和造成的結果顯著不同。高速切削機理的缺乏將阻礙高速切削加工技術的深入應用，因此首先要進行高速切削加 工機理的研究以加深技術人員和操作人員對高速切削加工技術的認識，並充分利用高速切削加工技術對汽車覆蓋件模具進行高效高質量的加工。
二、高速切削加工參數的優化
實踐證明，在設備、材料、加工策略一定的情況下使用合理的加工參數將大大提高工作效率，並做到加工效率、刀具磨損和加工質量的最佳組合。因此，在汽車覆蓋件模具高速切削加工方面進行加工參數優化是提高工作效率和汽車覆蓋件模具加工質量的一個重要技術環節。
三、複雜模具曲面高速切削加工策略研究
成功進行高速切削加工的重要前提是承受近乎恆定的切削載荷，在這種條件下能夠保證良好的高速切削加工效果。針對複雜模具曲面，需要進行加工過程中去除材料體積變化小、切削載荷恆定的加工策略研究以避免刀具較快的磨損和減小讓刀誤差。
四、汽車模具高速加工切削數據庫建立
高速加工切削數據庫存儲高速切削參數等數據供技術人員和操作人員查詢和使用，在管理工藝數據和輔助技術人員進行工藝規劃方面起著重要作用。為提高技術人員和操作人員的工作效率、促進企業穩定持續發展，建立針對汽車覆蓋件模具高速加工的切削數據庫勢在必行。
汽車模具高速切削工藝技術研究的技術手段
一、切削加工有限元模擬技術
電 腦技術的飛速發展使得利用數值模擬方法來研究切削加工過程以及各種參數之間的關係成為可能，始於上世紀70年代的金屬切削加工的有限元模擬技術在電腦技術 的發展中也得到了長足的進步。金屬切削加工的有限元模擬考慮了材料屬性、刀具的幾何條件、切削加工參數（切削速度、進給量、切削深度）以及切削加工引起的 切削力載荷、熱載荷和殘餘應力等因素。在試驗輔助和驗證的基礎上，虛擬切削加工過程中刀具和零件相對運動的作用過程，對切屑成形過程進行動態物理仿真，可 以顯示加工行為以及被加工零件的內部應力、應變、應變率和溫度等物理量的分佈情況，預測零件的加工質量和刀具磨損、破損等情況。進而，通過對工藝參數的優 化，可以提高零件的加工質量，有效減少刀具的磨損程度，減少採用傳統試湊法確定新工藝時所需的昂貴費用和時間。另外，金屬切削加工模擬時，可以定義相關因 素（加工參數、刀具幾何條件以及熱、力的上限）與材料的去除率之間的關係。在確保零件加工質量的前提下，通過改變切削參數提高材料的去除率，從而達到提高 生產率的目的。
汽車覆蓋件模具高速切削加工機理和加工參數優化技術涉及材料科學、力學、金屬物理學、機械製造等多個學科，在數控加工領域一直難以 解決。現有的 CAM軟件只能根據零件曲面特徵進行數控編程，保證刀位軌跡不碰撞、不干涉，但難以保證加工後的零件在表面質量和刀具壽命等物理目標上也是最優的，往往造 成產品精度低下，刀具磨損嚴重，所以對高速切削加工過程進行最優化分析是一項比較困難卻又相當重要的課題。從上述切削加工有限元模擬技術概述來看，走數字 模擬仿真和試驗研究相結合之路，是解決該實際問題的有效措施。切削工藝過程和切屑成形過程的有限元模擬為深入研究切削機理、提高切削加工質量提供了新的、 更加有效的分析方法。
二、基於實例推理的高速切削加工數據庫構建技術
基於實例的推理（CBR—Case-Based Reasoning）起源於二十世紀七十年代，是人工智能技術發展過程中出現的一種推理模式。簡單地說，就是利用以前類似問題的解決方案及知識來解決新問 題。基於實例推理是一種被廣泛應用於各種問題求解領域的推理方法，應用這種推理方法求解問題不依賴於所求解問題領域的規則，而是依賴於以前積累的經驗和成 功解決的類似實例。這非常接近於人類專家解決問題的思路和方法。
實際上，基於實例推理的技術是一種問題求解方法，可應用於眾多的領域。在汽車模具 高速切削加工領域，問題求解要考慮的因素非常多，解決方案的某些部分可用簡單的規則來確定，但大多數情況下，則要注意到實際問題的具體情況。如選擇切削刀 具時，刀具類型可很簡單地應用規則來確定，但像刀具尺寸、幾何角度、刀片型號、尺寸、角度、加工參數等數據的確定，就很難用簡單有效的規則來確定。有時， 使用某些已經存在的規則甚至可能導致錯誤的結論。在這種情況下，應用基於規則的推理就受到了很大的局限，應用人工神經網路演算法又很難處理問題領域的非數 值型數據，而應用基於實例推理的技術來解決這樣的問題就很容易克服上述困難。
另外，由於積累的經驗少，高速切削加工過程中，零件與刀具材料的最優 匹配及切削用量的選擇、切削液的選用、機床剛性與工件剛性對加工精度和表面質量的影響及切削方法與機床的選用、刀具壽命與切削用量和加工成本之間的合理匹 配、零件及加工面類型對工藝方案的影響等問題，也不能用簡單的公式或規則來表示。而這些信息和經驗對推廣高速切削技術意義重大，因此如何收集和處理十分重 要。而基於實例推理解決問題的方法正好可以利用上述經驗和加工實例來解決高速切削加工過程中出現的各種問題。在目前高速切削加工領域缺乏大量系統適用的切 削數據、經驗和規則的情況下，應用基於實例推理技術解決問題的思想方法，可為建立高速切削數據庫、推廣高速切削加工技術，提供一條切實可行的途徑。

圖1 汽車模具高速切削工藝研究技術路線
汽車模具高速切削工藝技術的技術路線
以 有限元模擬技術和基於實例推理的高速切削數據庫構建技術為研究支撐技術，以理論分析和試驗研究等為輔助技術，對汽車模具尤其是覆蓋件模具高速切削加工工藝 展開深入研究。其研究過程為：首先進行材料力學性能試驗，利用試驗數據構建有限元模型，探討高速切削加工機理，優化高速切削加工參數和揭示高速切削加工規 律；基於優化的加工參數源數據和高速切削加工規律，採用實例推理方法建立高速切削數據庫；研究具有複雜曲面特徵的汽車覆蓋件模具保持近似恆定切削載荷的高 速切削加工策略，突破3＋2軸數控加工方式關鍵應用技術環節，開發汽車覆蓋件模具3＋2軸數控加工輔助編程工具，最後將這些成果在實際高速切削加工中進行 應用。圖1為研究路線示意圖。

圖2 在高速加工中心上進行的汽車覆蓋件模具高速銑削
汽車模具高速切削工藝技術應用實例
東 風汽車模具有限公司是國內汽車模具行業規模最大、技術最先進的企業之一。從2000年開始，該公司組織技術人員進行高速切削加工技術研究，密切結合汽車模 具尤其是覆蓋件模具製造的實際，解決了一系列關鍵技術，總結了一套適合汽車覆蓋件模具高速切削加工的技術方案和方法，包括：汽車覆蓋件模具高速切削加工的 基本概念；高速加工設備的選購標準；高速加工機床的安裝與調試；高速切削刀具的使用；適合於高速切削加工的CAM軟件；“3+2"軸高速切削加工技術；高 速切削加工工藝及測量技術等。近兩年又與浙江大學、湖北汽車工業學院聯合開展了汽車模具高速加工工藝參數優化及數據庫系統開發與應用項目。該項目以大型汽 車覆蓋件模具複雜型面的高速精加工為主要研究對像，在引進國外大型高速數控加工中心設備的基礎上，採用金屬切削有限元模擬和實驗技術相結合，研究了模具常 用材料的高速切削加工機理；採用基於實例推理方法建立了具有自學習功能的汽車模具高速切削數據庫；緊密結合UG CAM軟件功能，開發了刀軸傾角優化工具，因而在汽車覆蓋件模具複雜型面“3+2軸”加工時，達到了汽車模具的高速度、高質量、高可靠性的加工要求。經過 實際應用，取得了良好的應用效果。
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