汽車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)值模擬方法來研究切削加工過程以及各種參數(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。在試驗輔助和驗證的基礎(chǔ)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(jìn)行動態(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)測零件的加工質(zhì)量和刀具磨損、破損等情況。進(jìn)而，通過對工藝參數(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(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，所以對高速切削加工過程進(jìn)行最優(yōu)化分析是一項比較困難卻又相當(dāng)重要的課題。從上述切削加工有限元模擬技術(shù)概述來看，走數(shù)字模擬仿真和試驗研究相結(jié)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(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、基于實例推理的高速切削加工數(shù)據(jù)庫構(gòu)建技術(shù)

    基于實例的推理（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)展過程中出現(xiàn)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�；�于實例推理是一種被廣泛應(yīng)用于各種問題求解領(lǐng)域的推理方法，應(yīng)用這種推理方法求解問題不依賴于所求解問題領(lǐng)域的規(guī)則，而是依賴于以前積累的經(jīng)驗和成功解決的類似實例。這非常接近于人類專家解決問題的思路和方法。

    實際上，基于實例推理的技術(shù)是一種問題求解方法，可應(yīng)用于眾多的領(lǐng)域。在汽車模具高速切削加工領(lǐng)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(guī)則來確定，但大多數(shù)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(yīng)用規(guī)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(shù)等數(shù)據(jù)的確定，就很難用簡單有效的規(guī)則來確定。有時，使用某些已經(jīng)存在的規(guī)則甚至可能導(dǎo)致錯誤的結(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題領(lǐng)域的非數(shù)值型數(shù)據(jù)，而應(yīng)用基于實例推理的技術(shù)來解決這樣的問題就很容易克服上述困難。

    另外，由于積累的經(jīng)驗少，高速切削加工過程中，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、零件及加工面類型對工藝方案的影響等問題，也不能用簡單的公式或規(guī)則來表示。而這些信息和經(jīng)驗對推廣高速切削技術(shù)意義重大，因此如何收集和處理十分重要。而基于實例推理解決問題的方法正好可以利用上述經(jīng)驗和加工實例來解決高速切削加工過程中出現(xiàn)的各種問題。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)驗和規(guī)則的情況下，應(yīng)用基于實例推理技術(shù)解決問題的思想方法，可為建立高速切削數(shù)據(jù)庫、推廣高速切削加工技術(shù)，提供一條切實可行的途徑。

汽車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)和基于實例推理的高速切削數(shù)據(jù)庫構(gòu)建技術(shù)為研究支撐技術(shù)，以理論分析和試驗研究等為輔助技術(shù)，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(jìn)行材料力學(xué)性能試驗，利用試驗數(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，采用實例推理方法建立高速切削數(shù)據(jù)庫；研究具有復(fù)雜曲面特徵的汽車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)，開發(fā)汽車覆蓋件模具3＋2軸數(shù)控加工輔助編程工具，最后將這些成果在實際高速切削加工中進(jìn)行應(yīng)用。

汽車模具高速切削工藝技術(shù)應(yīng)用實例

    東風(fēng)汽車模具有限公司是國內(nèi)汽車模具行業(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)合汽車模具尤其是覆蓋件模具制造的實際，解決了一系列關(guān)鍵技術(shù)，總結(jié)了一套適合汽車覆蓋件模具高速切削加工的技術(shù)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(shè)備的選購標(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量技術(shù)等。

    近兩年又與浙江大學(xué)、湖北汽車工業(yè)學(xué)院聯(lián)合開展了汽車模具高速加工工藝參數(shù)優(yōu)化及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用項目。該項目以大型汽車覆蓋件模具復(fù)雜型面的高速精加工為主要研究對像，在引進(jìn)國外大型高速數(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驗技術(shù)相結(jié)合，研究了模具常用材料的高速切削加工機(jī)理；采用基于實例推理方法建立了具有自學(xué)習(xí)功能的汽車模具高速切削數(shù)據(jù)庫；緊密結(jié)合UG CAM軟件功能，開發(fā)了刀軸傾角優(yōu)化工具，因而在汽車覆蓋件模具復(fù)雜型面“3+2軸”加工時，達(dá)到了汽車模具的高速度、高質(zhì)量、高可靠性的加工要求。經(jīng)過實際應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果。