汽車(chē)模具高速切削工藝技術(shù)研究的技術(shù)手段

一、切削加工有限元模擬技術(shù)

    電腦技術(shù)的飛速發(fā)展使得利用數(shù)值模擬方法來(lái)研究切削加工過(guò)程以及各種參數(shù)之間的關(guān)系成為可能，始于上世紀(jì)70年代的金屬切削加工的有限元模擬技術(shù)在電腦技術(shù)的發(fā)展中也得到了長(zhǎng)足的進(jìn)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(shù)（切削速度、進(jìn)給量、切削深度）以及切削加工引起的切削力載荷、熱載荷和殘余應(yīng)力等因素。在試驗(yàn)輔助和驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，虛擬切削加工過(guò)程中刀具和零件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的作用過(guò)程，對(duì)切屑成形過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)物理仿真，可以顯示加工行為以及被加工零件的內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度等物理量的分布情況，預(yù)測(cè)零件的加工質(zhì)量和刀具磨損、破損等情況。進(jìn)而，通過(guò)對(duì)工藝參數(shù)的優(yōu)化，可以提高零件的加工質(zhì)量，有效減少刀具的磨損程度，減少采用傳統(tǒng)試湊法確定新工藝時(shí)所需的昂貴費(fèi)用和時(shí)間。另外，金屬切削加工模擬時(shí)，可以定義相關(guān)因素（加工參數(shù)、刀具幾何條件以及熱、力的上限）與材料的去除率之間的關(guān)系。在確保零件加工質(zhì)量的前提下，通過(guò)改變切削參數(shù)提高材料的去除率，從而達(dá)到提高生產(chǎn)率的目的。

    汽車(chē)覆蓋件模具高速切削加工機(jī)理和加工參數(shù)優(yōu)化技術(shù)涉及材料科學(xué)、力學(xué)、金屬物理學(xué)、機(jī)械制造等多個(gè)學(xué)科，在數(shù)控加工領(lǐng)域一直難以解決。現(xiàn)有的CAM軟件只能根據(jù)零件曲面特徵進(jìn)行數(shù)控編程，保證刀位軌跡不碰撞、不干涉，但難以保證加工后的零件在表面質(zhì)量和刀具壽命等物理目標(biāo)上也是最優(yōu)的，往往造成產(chǎn)品精度低下，刀具磨損嚴(yán)重，所以對(duì)高速切削加工過(guò)程進(jìn)行最優(yōu)化分析是一項(xiàng)比較困難卻又相當(dāng)重要的課題。從上述切削加工有限元模擬技術(shù)概述來(lái)看，走數(shù)字模擬仿真和試驗(yàn)研究相結(jié)合之路，是解決該實(shí)際問(wèn)題的有效措施。切削工藝過(guò)程和切屑成形過(guò)程的有限元模擬為深入研究切削機(jī)理、提高切削加工質(zhì)量提供了新的、更加有效的分析方法。

二、基于實(shí)例推理的高速切削加工數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建技術(shù)

    基于實(shí)例的推理（CBR—Case-Based Reasoning）起源于二十世紀(jì)七十年代，是人工智能技術(shù)發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)的一種推理模式。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是利用以前類(lèi)似問(wèn)題的解決方案及知識(shí)來(lái)解決新問(wèn)題�；�于實(shí)例推理是一種被廣泛應(yīng)用于各種問(wèn)題求解領(lǐng)域的推理方法，應(yīng)用這種推理方法求解問(wèn)題不依賴于所求解問(wèn)題領(lǐng)域的規(guī)則，而是依賴于以前積累的經(jīng)驗(yàn)和成功解決的類(lèi)似實(shí)例。這非常接近于人類(lèi)專(zhuān)家解決問(wèn)題的思路和方法。

    實(shí)際上，基于實(shí)例推理的技術(shù)是一種問(wèn)題求解方法，可應(yīng)用于眾多的領(lǐng)域。在汽車(chē)模具高速切削加工領(lǐng)域，問(wèn)題求解要考慮的因素非常多，解決方案的某些部分可用簡(jiǎn)單的規(guī)則來(lái)確定，但大多數(shù)情況下，則要注意到實(shí)際問(wèn)題的具體情況。如選擇切削刀具時(shí)，刀具類(lèi)型可很簡(jiǎn)單地應(yīng)用規(guī)則來(lái)確定，但像刀具尺寸、幾何角度、刀片型號(hào)、尺寸、角度、加工參數(shù)等數(shù)據(jù)的確定，就很難用簡(jiǎn)單有效的規(guī)則來(lái)確定。有時(shí)，使用某些已經(jīng)存在的規(guī)則甚至可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論。在這種情況下，應(yīng)用基于規(guī)則的推理就受到了很大的局限，應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)路演算法又很難處理問(wèn)題領(lǐng)域的非數(shù)值型數(shù)據(jù)，而應(yīng)用基于實(shí)例推理的技術(shù)來(lái)解決這樣的問(wèn)題就很容易克服上述困難。

    另外，由于積累的經(jīng)驗(yàn)少，高速切削加工過(guò)程中，零件與刀具材料的最優(yōu)匹配及切削用量的選擇、切削液的選用、機(jī)床剛性與工件剛性對(duì)加工精度和表面質(zhì)量的影響及切削方法與機(jī)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(lèi)型對(duì)工藝方案的影響等問(wèn)題，也不能用簡(jiǎn)單的公式或規(guī)則來(lái)表示。而這些信息和經(jīng)驗(yàn)對(duì)推廣高速切削技術(shù)意義重大，因此如何收集和處理十分重要。而基于實(shí)例推理解決問(wèn)題的方法正好可以利用上述經(jīng)驗(yàn)和加工實(shí)例來(lái)解決高速切削加工過(guò)程中出現(xiàn)的各種問(wèn)題。在目前高速切削加工領(lǐng)域缺乏大量系統(tǒng)適用的切削數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)和規(guī)則的情況下，應(yīng)用基于實(shí)例推理技術(shù)解決問(wèn)題的思想方法，可為建立高速切削數(shù)據(jù)庫(kù)、推廣高速切削加工技術(shù)，提供一條切實(shí)可行的途徑。

汽車(chē)模具高速切削工藝技術(shù)的技術(shù)路線

    以有限元模擬技術(shù)和基于實(shí)例推理的高速切削數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建技術(shù)為研究支撐技術(shù)，以理論分析和試驗(yàn)研究等為輔助技術(shù)，對(duì)汽車(chē)模具尤其是覆蓋件模具高速切削加工工藝展開(kāi)深入研究。其研究過(guò)程為：首先進(jìn)行材料力學(xué)性能試驗(yàn)，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建有限元模型，探討高速切削加工機(jī)理，優(yōu)化高速切削加工參數(shù)和揭示高速切削加工規(guī)律；基于優(yōu)化的加工參數(shù)源數(shù)據(jù)和高速切削加工規(guī)律，采用實(shí)例推理方法建立高速切削數(shù)據(jù)庫(kù)；研究具有復(fù)雜曲面特徵的汽車(chē)覆蓋件模具保持近似恒定切削載荷的高速切削加工策略，突破3＋2軸數(shù)控加工方式關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)環(huán)節(jié)，開(kāi)發(fā)汽車(chē)覆蓋件模具3＋2軸數(shù)控加工輔助編程工具，最后將這些成果在實(shí)際高速切削加工中進(jìn)行應(yīng)用。

汽車(chē)模具高速切削工藝技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

    東風(fēng)汽車(chē)模具有限公司是國(guó)內(nèi)汽車(chē)模具行業(yè)規(guī)模最大、技術(shù)最先進(jìn)的企業(yè)之一。從2000年開(kāi)始，該公司組織技術(shù)人員進(jìn)行高速切削加工技術(shù)研究，密切結(jié)合汽車(chē)模具尤其是覆蓋件模具制造的實(shí)際，解決了一系列關(guān)鍵技術(shù)，總結(jié)了一套適合汽車(chē)覆蓋件模具高速切削加工的技術(shù)方案和方法，包括：汽車(chē)覆蓋件模具高速切削加工的基本概念；高速加工設(shè)備的選購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)；高速加工機(jī)床的安裝與調(diào)試；高速切削刀具的使用；適合于高速切削加工的CAM軟件；“3+2"軸高速切削加工技術(shù)；高速切削加工工藝及測(cè)量技術(shù)等。

    近兩年又與浙江大學(xué)、湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院聯(lián)合開(kāi)展了汽車(chē)模具高速加工工藝參數(shù)優(yōu)化及數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用項(xiàng)目。該項(xiàng)目以大型汽車(chē)覆蓋件模具復(fù)雜型面的高速精加工為主要研究對(duì)像，在引進(jìn)國(guó)外大型高速數(shù)控加工中心設(shè)備的基礎(chǔ)上，采用金屬切削有限元模擬和實(shí)驗(yàn)技術(shù)相結(jié)合，研究了模具常用材料的高速切削加工機(jī)理；采用基于實(shí)例推理方法建立了具有自學(xué)習(xí)功能的汽車(chē)模具高速切削數(shù)據(jù)庫(kù)；緊密結(jié)合UG CAM軟件功能，開(kāi)發(fā)了刀軸傾角優(yōu)化工具，因而在汽車(chē)覆蓋件模具復(fù)雜型面“3+2軸”加工時(shí)，達(dá)到了汽車(chē)模具的高速度、高質(zhì)量、高可靠性的加工要求。經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果。