CN104907890B - 一种多硬度拼接淬硬钢凹曲面试件及凹模型面加工工艺 - Google Patents

一种多硬度拼接淬硬钢凹曲面试件及凹模型面加工工艺 Download PDF

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Abstract

一种多硬度拼接淬硬钢凹曲面试件及凹模型面加工工艺，它涉及一种铣刀试件及铣刀凹模型面加工工艺。本发明的目的是为了解决现有汽车内板覆盖件凹模高速铣削工艺设计方案不合理，导致高速球头铣刀切削性能下降，无法满足凹模型面加工质量要求问题。本发明包括第一零件、第二零件、第三零件、第四零件、第五零件和第六零件，第一零件、第二零件、第三零件、第四零件和第五零件的上表面组合成方形加工区域，加工区域凹曲面，加工区域的上表面上设有一个“凸”字形凹槽、一个脊形凹槽和一个梯形凹槽。本发明能够获取多种测试结果，高速铣削工艺设计的依据，切削效果更佳。

Description

一种多硬度拼接淬硬钢凹曲面试件及凹模型面加工工艺
技术领域
本发明涉及一种铣刀试件及铣刀凹模型面加工工艺，具体涉及一种多硬度拼接淬硬钢凹曲面试件及凹模型面加工工艺，属于凹模型面加工技术领域。
背景技术
汽车内板覆盖件凹模型面上存在大量凹陷、沟槽、转角，多采用镶块式淬硬钢拼接而成，其切削加工区域存在大比例的多种高硬度表面；受加工表面硬度和曲率变化引起的切削冲击作用，铣刀振动明显，直接影响模具型面的加工表面质量。
此类模具型面轮廓尺寸大，精加工工序余量小，为了避免对模具型面造成损伤，不能直接在淬硬钢模具型面上进行高速铣刀切削性能测试，无法预知高速球头铣刀切削此类模具时的振动状态及其对加工表面质量的影响；已有的工艺是采用与凸模相同的加工方法进行切削，其加工表面粗糙度值高于Ra1.6μm，无法满足与凸模研合适配的要求；同时，由于其型面上存在大量凹陷，后续修研困难。
发明内容
本发明的目的是为了解决汽车内板覆盖件凹模高速铣削工艺不能直接在淬硬钢模具型面上进行高速铣刀切削性能测试，铣削工艺设计方案不合理，导致高速球头铣刀振动和加工表面粗糙度值过高，无法满足凹模型面加工质量要求的问题。
本发明的技术方案是：一种多硬度拼接淬硬钢凹曲面试件，所述试件为长方体结构，其长度为400mm，宽度为300mm，所述多硬度拼接淬硬钢凹曲面试件包括第一零件、第二零件、第三零件、第四零件、第五零件和第六零件，第四零件和第五零件上下平行的安装在第六零件的上端面上，第一零件、第二零件和第三零件依次沿排列安装在由第四零件、第五零件和第六零件构成的凹槽内，所述第一零件、第二零件、第三零件、第四零件和第五零件的上表面组合成方形加工区域，所述加工区域为凹曲面，加工区域的上表面上设有一个“凸”字形凹槽、一个脊形凹槽和一个梯形凹槽，所述第六零件为长方体结构，第六零件的长度大于加工区域的长度，第六零件的宽度与加工区域的宽度相同。
所述脊形凹槽和梯形凹槽设在“凸”字形凹槽内，脊形凹槽和梯形凹槽呈与“凸”字形凹槽配合的T字形排布，所述梯形凹槽靠近脊形凹槽侧为短底边，远离脊形凹槽侧为长底边。
所述“凸”字形凹槽的底面为平面，“凸”字形凹槽的底面与侧面的接合处为圆角过渡棱，“凸”字形凹槽的相邻两侧面接合处为圆角过渡棱，“凸”字形凹槽底面轮廓小于其上表面轮廓。
所述脊形凹槽的横切面和纵切面均为上底边与下底边平行的梯形，脊形凹槽的底面和侧面的接合处为圆角过渡棱。
所述梯形凹槽的横切面和纵切面均为下底边为弧形的梯形，梯形凹槽的底面和侧面的接合处为圆角过渡棱。
所述第三零件的洛氏硬度值大于第一零件的洛氏硬度值大于第二零件的洛氏硬度值大于第四零件的洛氏硬度值等于第五零件的洛氏硬度值。
基于所述的一种多硬度拼接淬硬钢凹曲面试件的凹模型面加工工艺，包括以下步骤：
步骤一，沿所述试件长度400mm方向的平行铣刀切削路径划分出五种加工表面曲率和硬度变化的切削区域，沿试件宽度300mm方向的平行铣刀切削路径划分出六种加工表面曲率和硬度变化的切削区域，沿三个凹槽周边的铣刀切削路径划分出四种加工表面曲率和硬度变化的切削区域；
步骤二，利用两把相同的铣刀以不同的转速和进给速度分别切削步骤一所述任意切削路径划分的切削区域，进行高速球头铣刀切削力测试；
步骤三，根据步骤二获得铣刀瞬时切削层面积、单位切削力工件硬度影响系数，建立高速球头铣刀瞬时切削力模型；
步骤四，通过汽车内覆盖件淬硬钢凹模高速铣削工艺实验，验证高速铣削多硬度拼接淬硬钢凹曲面的工艺效果。
步骤二所述加工表面形貌测试实验具体包括：
在加工表面区域上设置若干采样点，提取各采样点沿铣刀进给和铣削宽度方向上曲率半径和硬度，并计算各个采样点的铣刀轴线与加工表面法线方向所夹的加工倾角和单位切削力；
记录铣刀在不同的铣削宽度方向和进给方向下的振动变化，铣刀在不同转速下加工表面粗糙度的变化；
所述步骤三具体包括：
利用铣刀瞬时切削层面积和单位切削力，求解高速球头铣刀瞬时切削力模型；
Fc(θ)＝AD(θ)·pc(θ) (1)
式中：θ为铣刀切触角，AD(θ)为铣刀瞬时切削层面积，pc(θ)为面积切削力，Fc(θ)为铣刀瞬时切削力；
利用球头铣刀瞬时平均切削层厚度、工件硬度、切削速度及铣刀有效切削直径建立高速球头铣刀切削多硬度试件的单位切削力模型；
pc(θ)＝pc1.1/haV(θ)＝(p0c1.1+k·HRC)/haV(θ) (2)
式中：haV(θ)为铣刀瞬时平均切削层厚度，HRC为加工表面硬度，poc1.1为切削层公称厚度和宽度各为1mm时切削层单位面积切削力；k为工件硬度影响系数；
利用式(1)和式(2)获得单位切削层面积切削力及工件硬度影响系数k；
通过实验有：当HRC<50时，k＝93.75，当HRC≥50时，k＝107.14；
poc1.1＝7982.4·(v/df)-0.21477 (3)
式中：v为切削速度，df为铣刀有效切削直径；
利用式(1)～式(3)，建立高速铣削多硬度拼接淬硬钢瞬态切削力模型：
式中：u为指数，表示haV对单位面积切削力的影响程度；
本发明与现有技术相比具有以下效果：本发明提供一种带有三个多边型凹模的多硬度拼接淬硬钢凹曲面试件和测试高速铣刀的方法；利用多硬度拼接淬硬钢凹曲面试件高速铣削实验结果，设计的汽车内覆盖件淬硬钢凹模高速铣削新工艺，尽管在加工效率上低于原工艺，但在加工表面质量、消耗的铣刀数量上分别优于原有的两种工艺，可满足车内覆盖件淬硬钢凹模的加工要求。
汽车大型覆盖件模具整体加工中，多个淬硬钢镶块硬度不一致，且淬硬钢镶块和模体硬度存在较大差别，导致连续往复切削过程中模具型面硬度呈周期性的离散型分布，使得切削力载荷难以控制，铣刀使用寿命低下，换刀频繁。
已有的淬硬钢试件没有反映出淬硬钢凹曲面硬度和曲率的多变性，无法揭示出铣刀振动特性，不稳定切削和加工表面质量问题突出；其切削力模型没有考虑淬硬钢加工表面曲率和硬度频繁变化对切削力载荷的影响，无法反映此类模具高速铣削加工中切削力变化特性。
本发明提供的该试件、测试高速铣刀的方法和高速球头铣刀瞬时切削力模型，可以检测出多硬度拼接淬硬钢凹曲面曲率和硬度频繁变化条件下铣刀加工倾角、单位切削力和铣刀振动的变化特性，利用实验测试结果可明显区分出两种工艺方案的优劣，并可检测出提高切削效率所引起的高速铣刀单位切削力、振动振幅和加工表面粗糙度上升程度，以及由此引起的加工表面形貌的改变。
附图说明
图1，多硬度拼接淬硬钢凹曲面试件结构示意图，图a为试件的俯视图，图b为试件沿图a中XX线的剖视图，图c为试件沿图a中YY线的剖视图；
图2，本实施方式的铣刀切削路径示意图；
图3，本实施方式铣刀切削实验采样点示意图，箭头方向为切削方向，图中1至6为采样点标号；
具体实施方式
结合附图说明本发明的具体实施方式，本发明的一种多硬度拼接淬硬钢凹曲面试件为长方体结构，轮廓尺寸400mm×300mm×138mm，如图1所示，包括第一零件A、第二零件B、第三零件C、第四零件D、第五零件E和第六零件F，所述第一零件A、第二零件B、第三零件C、第四零件D和第五零件E的下表面通过定位销和紧固螺钉与第六零件F的上表面相连接，第四零件D和第五零件E上下平行的安装在第六零件F的上端面上，所述第四零件D和第五零件E的长度相同，第一零件A、第二零件B和第三零件C依次沿排列安装在由第四零件D、第五零件E和第六零件F构成的凹槽内，第一零件A、第二零件B和第三零件C的长度和宽度相同，第一零件A、第二零件B和第三零件C的宽度和等于第四零件D或第五零件E的长度，所述第一零件A、第二零件B、第三零件C、第四零件D和第五零件E的上表面组合成300mm×300mm×56mm的高速铣削加工区域，并位于试件长度400mm方向的中间部位，所述加工区域的平坦凹曲面，其沿试件宽度300mm方向曲率半径呈800mm、200mm、800mm分布，其沿试件长度400mm方向的曲率半径呈1000mm、200mm、1000mm分布；
加工区域的上表面上设有一个“凸”字形凹槽、一个脊形凹槽和一个梯形凹槽，所述第六零件F为长方体结构，第六零件F的宽度与加工区域的宽度相同，第六零件F的长度大于加工区域的长度，第六零件F沿长度400mm方向两侧预留的各相同空间，用于试件与机床工作台连接、固定；
沿试件宽度300mm方向，第一零件A、第二零件B、第三零件C的两端分别与第四零件D、第五零件E侧面连接；
沿试件长度400mm方向，第二零件B的两侧分别与第一零件A、第三零件C的侧面连接，并与第四零件D、第五零件E两端对齐；
所述脊形凹槽和梯形凹槽设在“凸”字形凹槽底面上，脊形凹槽和梯形凹槽呈与“凸”字形凹槽配合的T字形分布，所述梯形凹槽靠近脊形凹槽侧为短底边，远离脊形凹槽侧为 长底边。
所述“凸”字形凹槽底面为平面，“凸”字形凹槽的底面与侧面的接合处为圆角过渡棱，“凸”字形凹槽的相邻两侧面接合处为圆角过渡棱，“凸”字形凹槽底面轮廓小于其上表面轮廓，本实施方式的“凸”字形凹槽的轮廓为轮廓尺寸为250mm×160mm×15mm，深15mm，横跨第一零件A、第二零件B、第三零件C，其边缘由直线和半径为20mm、30mm和200mm的圆弧连接而成，四周侧立面与竖直面之间的锐角夹角为3°斜度，其底面与侧面过渡圆角半径3mm；
所述脊形凹槽的横切面和纵切面均为上底边与下底边平行的梯形，脊形凹槽的顶面和侧面的接合处为圆角过渡棱，本实施方式的脊形凹槽高30mm脊形凹槽，横跨第一零件A、第二零件B、第三零件C，长235mm，底部宽度10mm，顶部宽度50mm；其沿试件长度方向两端侧立面呈3°斜度，其沿试件宽度方向两侧立面呈10°斜度，其底面为平面，与侧面过渡圆角半径3mm；
所述梯形凹槽的横切面和纵切面均为上底边为弧形的梯形，梯形凹槽的顶面和侧面的接合处为圆角过渡棱，本实施方式的梯形凹槽深25mm，底部宽度45mm，顶部宽度70mm，位于第二零件B中间部分，沿试件宽度方向两侧面呈3°斜度，沿试件长度方向两侧面呈10°斜度，凹槽底面为平面，与侧面过渡圆角半径3mm；
所述第三零件C的洛氏硬度值大于第一零件A的洛氏硬度值大于第二零件B的洛氏硬度值大于第四零件D的洛氏硬度值等于第五零件E的洛氏硬度值。
本实施方式的试件组成零件的材料及硬度特征为：
该试件组成零件的材料及硬度特征为：
第一零件A的材料采用Cr12MoV锻件，淬火后硬度为HRC50～55；
第二零件B的材料采用Cr12MoV锻件，淬火后硬度为HRC40～45；
第三零件C的材料采用Cr12MoV锻件，淬火后硬度为HRC60～65；
第四零件D和第五零件E的材料采用Cr12MoV锻件，淬火后硬度为HRC30～35；
第六零件F的材料采用45#钢，调质处理；
基于所述一种多硬度拼接淬硬钢凹曲面试件的凹模型面加工工艺，包括以下步骤：
步骤一，沿所述试件长度400mm方向的平行铣刀切削路径划分出五种加工表面曲率和硬度变化的切削区域，沿试件宽度300mm方向的平行铣刀切削路径划分出六种加工表面曲率和硬度变化的切削区域，沿三个凹槽周边的铣刀切削路径划分出四种加工表面曲率和硬度变化的切削区域，具体如表1所示；
表1 淬硬钢凹模试件加工表面曲率与硬度特征分布
步骤二，采用两把相同的安装有涂层硬质合金刀片的直径20mm、悬伸量90mm的两齿可转位高速球头铣刀，在五轴数控机床UCP710上，采用沿试件长度400mm方向的平行铣刀切削路径和顺逆铣交替的铣削方式，以表2所示的两种切削方案，进行切削淬硬钢凹模铣刀振动及加工表面粗糙度测试实验；
表2切削参数方案
采用的沿试件长度400mm方向的平行铣刀切削路径，及铣刀振动与加工表面粗糙度采样点如图2、图2所示；
提取加工表面各采样点沿铣刀进给和铣削宽度方向上的曲率半径、硬度，并进行铣刀轴线与加工表面法线方向所夹的加工倾角和单位切削力计算，结果如表3所示；
表3采样点加工特征及单位切削力
步骤三，根据步骤二获得铣刀瞬时切削层面积、单位切削力工件硬度影响系数，建立高速球头铣刀瞬时切削力模型；
1、针对多硬度拼接淬硬钢加工表面曲率和硬度频繁变化，利用铣刀瞬时切削层面积和单位切削力，求解高速球头铣刀瞬时切削力模型；
Fc(θ)＝AD(θ)·pc(θ) (1)
式中：θ为铣刀切触角，AD(θ)为铣刀瞬时切削层面积，pc(θ)为面积切削力，Fc(θ)为铣刀瞬时切削力；
2、利用加工表面曲率对球头铣刀瞬时平均切削层厚度的影响，和工件硬度、切削速度及铣刀有效切削直径对单位切削层面积1×1mm2切削力的影响，建立高速球头铣刀切削多硬度试件的单位切削力模型；
pc(θ)＝pc1.1/haV(θ)＝(p0c1.1+k·HRC)/haV(θ) (2)
式中：haV(θ)为铣刀瞬时平均切削层厚度，HRC为加工表面硬度，poc1.1为切削层公称厚度和宽度各为1mm时切削层单位面积切削力；k为工件硬度影响系数；
3、采用表2和图2实验方案，进行切削力实验，利用式(1)和式(2)获得单位切削层面积1×1mm2切削力及工件硬度影响系数k；
通过实验获得：当HRC<50时，k＝93.75，当HRC≥50时，k＝107.14；
poc1.1＝7982.4·(v/df)-0.21477 (3)
式中：v为切削速度，df为铣刀有效切削直径；
(4)利用式(1)～式(3)，建立高速铣削多硬度拼接淬硬钢瞬态切削力模型；
采用表2的切削方案获得的铣刀振动与加工表面粗糙度实验结果，如表4和表5所示；
表4 铣刀振动实验测试结果
表5 加工表面粗糙度实验测试结果
由表3、表4和表5，受加工表面曲率和硬度频繁变化的影响，采用上述两种切削方案中的任何种一种切削方案，切削多硬度拼接淬硬钢凹曲面试件，铣刀加工倾角、单位切削力和铣刀振动振幅均处于不断变化中；尽管加工表面粗糙度变化并不频繁，但相同切削方案不同测点处的加工表面形貌明显不同；
与主轴转速2000rpm、进给速度2200mm/min的切削方案相比，采用主轴转速2200rpm、进给速度1800mm/min的切削方案，其单位切削力和铣刀振动振幅明显下降，尽管切削效率下降了18％，但其加工表面粗糙度值降低一倍；
该结果表明，采用该试件和测试高速铣刀的方法，可以检测出多硬度拼接淬硬钢凹曲面曲率和硬度频繁变化条件下铣刀加工倾角、单位切削力和铣刀振动的变化特性，利用实验测试结果可明显区分出两种工艺方案的优劣，并可检测出提高切削效率所引起的高速铣刀单位切削力、振动振幅和加工表面粗糙度上升程度，以及由此引起的加工表面形貌的改变。
步骤四，采用汽车内覆盖件淬硬钢凹模，进行高速铣削淬硬钢的工艺验证实验；实验条件及实验结果如表6所示；
表6中新工艺为采用多硬度拼接淬硬钢凹曲面试件及其工艺方案，通过高速铣削实验获得的汽车内覆盖件淬硬钢凹模高速铣削工艺；
新工艺尽管在加工效率上低于原工艺1和原工艺2，但原工艺1由于其加工表面质量无法满足模具型面设计要求，需增加一道精加工工序；原工艺2不仅消耗的铣刀数量多，而且需在后续的模具修型抛光工序上增加时间；上述两种工艺均未达到汽车内覆盖件淬硬钢凹模的加工要求；
该实验结果进一步证明多硬度拼接试件实验结果所反映的，在淬硬钢凹模高速铣削加工中，存在加工效率与加工表面质量之间的相互制约问题。
实验结果表明，依据多硬度拼接淬硬钢凹曲面试件高速铣削实验结果，设计的汽车内覆盖件淬硬钢凹模高速铣削新工艺，尽管在加工效率上低于原工艺，但在加工表面质量、消耗的铣刀数量上分别优于原有的两种工艺，可满足车内覆盖件淬硬钢凹模的加工要求。
表6汽车内覆盖件凹模精加工实验结果及新旧工艺对比
切削参数及实验结果

Claims (3)

1.一种多硬度拼接淬硬钢凹曲面试件的凹模型面加工工艺，一种多硬度拼接淬硬钢凹曲面试件包括第一零件、第二零件、第三零件、第四零件、第五零件和第六零件，第四零件和第五零件上下平行的安装在第六零件的上端面上，第一零件、第二零件和第三零件依次沿排列安装在由第四零件、第五零件和第六零件构成的凹槽内，所述第一零件、第二零件、第三零件、第四零件和第五零件的上表面组合成方形加工区域，所述加工区域为凹曲面，加工区域的上表面上设有一个“凸”字形凹槽、一个脊形凹槽和一个梯形凹槽，所述第六零件为长方体结构，第六零件的长度大于加工区域的长度，第六零件的宽度与加工区域的宽度相同；其特征在于：凹模型面加工工艺包括以下步骤：
步骤一，沿所述试件长度方向的平行铣刀切削路径划分出五种加工表面曲率和硬度变化的切削区域，沿试件宽度方向的平行铣刀切削路径划分出六种加工表面曲率和硬度变化的切削区域，沿三个凹槽周边的铣刀切削路径划分出四种加工表面曲率和硬度变化的切削区域；
步骤二，利用两把相同的铣刀以不同的转速和进给速度分别切削步骤一所述任意切削路径划分的切削区域，进行高速球头铣刀切削力测试；
步骤三，根据步骤二获得铣刀瞬时切削层面积、单位切削力工件硬度影响系数，建立高速球头铣刀瞬时切削力模型；
步骤四，通过汽车内覆盖件淬硬钢凹模高速铣削工艺实验，验证高速铣削多硬度拼接淬硬钢凹曲面的工艺效果。
2.根据权利要求1所述凹模型面加工工艺，其特征在于：步骤二所述加工表面形貌测试实验具体为：
在加工表面区域上设置若干采样点，提取各采样点沿铣刀进给和铣削宽度方向上曲率半径和硬度，并计算各个采样点的铣刀轴线与加工表面法线方向所夹的加工倾角和单位切削力；
记录铣刀在不同的铣削宽度方向和进给方向下的振动变化，铣刀在不同转速下加工表面粗糙度的变化。
3.根据权利要求1所述凹模型面加工工艺，其特征在于：所述步骤三具体包括：
利用铣刀瞬时切削层面积和单位切削力，求解高速球头铣刀瞬时切削力模型；
Fc(θ)＝AD(θ)·pc(θ) (1)
式中：θ为铣刀切触角，AD(θ)为铣刀瞬时切削层面积，pc(θ)为面积切削力，Fc(θ)为铣削瞬时切削力；
利用球头铣刀瞬时平均切削层厚度、工件硬度、切削速度及铣刀有效切削直径建立高速球头铣刀切削多硬度试件的单位切削力模型；
pc(θ)＝pc1.1/haV(θ)＝(p0c1.1+k·HRC)/haV(θ) (2)
式中：haV(θ)为铣刀瞬时平均切削层厚度，HRC为加工表面硬度，poc1.1为切削层公称厚度和宽度各为1mm时切削层单位面积切削力；k为工件硬度影响系数；
利用式(1)和式(2)获得单位切削层面积切削力及工件硬度影响系数k；
通过实验得到：当HRC<50时，k＝93.75，当HRC≥50时，k＝107.14；
poc1.1＝7982.4·(v/df)-0.21477 (3)
式中：v为切削速度，df为铣刀有效切削直径；
利用式(1)至式(3)，建立高速铣削多硬度拼接淬硬钢瞬态切削力模型：
式中：u为指数，表示haV对单位面积切削力的影响程度。
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