汽車主模型制造中數控加工中心的選型及應用
2023-10-30 來源： 東風汽車公司技術中心 作者：李慶豐 楊 興
隨著汽車工業不斷進步，人們對汽車的審美意識和個性化需求也越來越高，激烈的市場競爭推動著汽車產品的高速發展，汽車模型制作己成為新車型開發中不可缺少的關鍵環節，是汽車造型設計在效果圖的基礎上構思進一步完善的過程。汽車模型的制作是多工種、多技能的綜合體現 , 在模型制作階段，制作過程選擇高效的數控加工中心不僅能夠完成設計質量需求，同時能夠高效制作模型，為汽車短周期研發提供有力保障。
一、汽車主模型的種類和制作特點
汽車主模型從早期的效果圖開始，經過泡沫體態模型，油泥模型，仿真模型，風動模型，色彩模型，驗證模型，驗證臺架及空間驗證模型的效果驗證，最終完成汽車造型的定義并批量生產。
1.汽車模型的主要制作類型
1）油泥模型 : 是車身設計中用油泥雕塑的汽車車身模型。1972 年美國通用汽車公司將油泥應用到汽車設計開發模型上。對大多數世界知名車公司而言，制作油泥模型是設計過程中非常重要的一個環節。油泥模型分為造型油泥模型和風洞油泥模型，造型油泥模型完成產品定義 ; 風洞油泥模型完成車輛的風阻測試評定。
2）色彩模型:汽車造型的零件進行色彩定義，對模型的色彩設計及搭配進行評審并做出決策，對不和諧的色彩重新設計或加以改進，使內、外飾色彩達到更佳的效果。
3）驗證模型 : 驗證汽車實車數據的正確性、有效性和可信性的研究與測試過程。一般包括兩個方面 : 一是驗證所建模型即是建模者構想中的模型 ; 二是驗證所建模型能夠反映真實系統的行為特征 ; 有時特指前一種檢驗。
4）仿真模型 : 是指建立在汽車設計建模后，CAS 經過油泥模型確認后，制作相對應硬質模型進行外觀確認和評審，后期根據評審意見進行相應外觀的修改和優化。典型汽車模型的制作階段和周期如圖 1 所示。
圖 1 典型汽車模型的制作階段和周期
2.汽車模型的主要制作特點
（1）汽車模型材料要求制作加工比例為 1:1，模型外表面材料為糊狀可加工樹脂，局部部件可用塊狀樹脂或 ABS，樹脂密度不得小于 0.6kg/ m3，該材料應具有 :
1）尺寸穩定，對溫度和濕度變化不敏感 ;
2）運輸過程中表面不易損壞 ;
3）可獲得很好的表面精度并可保持不變形 ;
4）模型表面的可加工樹脂厚度須保持在30~40mm 左右 ;
（2）汽車模型質量及精度要求
1）數控加工中加工刀具（直徑 Φ20mm 球刀）步距應≤ 0.60mm，表面波峰與波谷差值應≤ 0.02mm;
2）模型加工后，銑刀紋要保持連續光順、過渡平滑、色澤均勻，模型表面不允許有未加工面 ;
3）模型銑削加工后，表面上不得有氣孔砂眼、斑狀脫落等缺陷 ;
4）模型裝配后噴漆前，模型零部件加工尺寸應滿足設計數據，尺寸公差 ±0.3mm，模型零部件裝配規定的空間位置、間隙和面差，復位基準精度≤ 0.05mm;
5）色彩模型和仿真模型車身表面按甲方提供的造型色彩效果涂裝 ; 表面涂裝要求 : 刀痕輕微打磨，不保留加工效果，漆膜應均勻、光滑，無流掛、微粒、纖維及桔皮狀，不允許有可見的針孔沙眼。驗證模型刀痕不允許打磨，保留加工效果，后期模型底灰噴涂處理。
二、汽車模型使用數控加工中心選型的主要參數
針對汽車模型加工技術特點和要求，對數控加工中心（見圖 2）的主要參數進行梳理，主要數控加工中心重點參數為 : 數控加工中心床身結構 ; 高速電主軸參數 ; 數控系統 ; 測量系統 ; 使用環境要求。
圖 2 典型橋式龍門結構加工中心
1. 汽車模型數控加工中心的結構件參數選擇
汽車模型的尺寸 : 長度方向約 5000mm; 寬度方向約 1800mm; 高度方向 1600mm。采用立式工作臺固定的高架橋龍門5軸5聯動數控機床，可配備各種規格五軸頭，其結構靈活性使其特別適合加工模型類零件 : 整體大型模型加工（如汽車、船舶、軌道車輛、航天）; 飛機結構件 ; 復合材料高速加工。
（1）直線軸參數
根據汽車尺寸參數，結合數控加工的刀具行程，確定數控加工中心的軸行程（見表 1）。
表 1 加工中心的行程參數
電主軸回轉中心到工作臺平面的最小距離為250mm 帶正壓防塵光柵尺的 X-Y-Z 軸定位精度如表 2 所示。
表 2 加工中心的定位精度和重復定位精度
（2）數控加工中心床身結構零件的要求
機床床身結構件的確定 : 為了獲得直線軸最佳的動態性能，所有移動部件的設計計算均考慮到重量、剛性和減振等因素。結構件要預先進行有限元分析設計（見圖 3），然后借助結構設計的專有軟件，分析各軸的頻率響應和加工模擬，進一步優化結構設計，從而實現各種的動態響應、精度和剛性的最佳匹配。
圖 3 機床結構設計有限元分析
（3）數控加工中心結構零件的應力處理
結構件采用電焊鋼材料。如圖 4 所示，結構件在焊接成型后，先進行去除應力熱處理。粗加工后、精加工前，進行進一步的消除應力處理，以消除結構件內部的最終殘余應力，確保機械部件維持穩定的幾何精度。
圖 4 機床結構應力處理現場示意圖
（4）數控加工中心驅動軸的間隙補償和 A、C 軸結構
驅動軸可以采用直驅伺服電機和齒輪傳動方式。直驅方式結構簡單、無磨損、噪聲低、維護方便。齒輪傳動方式響應速度相對滯后，后期調試和維保需要對間隙進行相關補償工作。
1）齒輪傳動的間隙補償方式機床各軸驅動（背隙補償）機床所有的伺服軸 (X) (Y) 和 (Z) 都是通過雙電機驅動斜齒輪 -齒條傳動系統實現的。電子反向間隙補償是借助數字驅動在兩個齒輪間產生一個機械預載（機械耦合）。系統驅動一個齒輪稍稍領先于另一個，由此實現預載。其優勢就是不需要任何調整，因為一個齒輪始終領先于另一個，這樣就自動彌補了齒輪和齒條間產生的磨損。齒輪傳動補償示意圖如圖 5 所示。
圖 5 齒輪傳動補償示意圖
2）數控加工中心 A、C 軸結構雙軸主軸頭 由兩個極坐標 A/C 構成，兩軸均由力矩電機驅動，以獲得最好的動態性能。其非對稱結構可確保性能、剛性和重量的最佳組合。主軸一側包含帶氣動夾緊系統的 A 軸電機，液壓和氣動連接，和 A 軸檢測。C 軸和 A 軸都可在任何位置氣動夾緊定位。C 軸和A 軸電機由恰當匹配的冷卻系統進行循環冷卻，以確保在任何運行工況，工作穩定。
圖 6 偏置式主軸示意圖
2.高速電主軸的選型
電主軸 ELECTROSPINDLE 24000 rpm(D.02.96JF): 該型號主軸是模型加工中特別配置的高速電主軸，由專門的冷卻回路保持恒溫。換刀時，主軸錐孔壓縮空氣吹氣保護。高速電主軸的選型參考如表 3 所示，主軸功率扭矩圖如圖 7所示。
表 3 高速電主軸的選型參考
圖 7 主軸功率扭矩圖
3.數控系統的選型
五軸數控加工系統綜合性能較好的型號是 :FANUC31I; HEIDENHAIN iTNC 640; 西門子 840D。以海德漢系統為例，海德漢 iTNC640HSCI 數控系統和同型號驅動原件能夠最大限度發揮出機床機械和所配驅動的特性。模型五軸加工需要數控系統提供相應的功能 :
①海德漢實時操作系統，顯示 PDF 文件。圖紙，工藝指令直接在數控系統中打開 ;
② iTNC 6400 中直接訪問互聯網，內置瀏覽器 ;
③在 iTNC 640 中能直接打開多種文件格式且能用相應編輯器編輯，部分格式文件 ;
④文本文件（.txt，.ini）; 圖形文件（.gif，.bmp，.jpg，.png）; 表（.xls，.csv）; 網 頁文件（.html）;
⑤標準化的操作系統對話框顯示格式 ;
⑥設置防火墻，提供更高數據安全性。
4.汽車模型數控加工中心測量系統的選型
加工中心的測量系統分為工件測量系統和刀具測量系統，為數控加工的模型質量和數控切削參數提供數據支撐。
（1）工件測量系統的選型
接觸式測頭能夠在加工過程中和加工結束后自動檢測工件，從而可以更精確地控制工件精度，顯著提升加工精度及生產效率。可實現以下功能 : 工件 / 夾具預定位 ; 測量監測加工去除量 ; 加工過程中檢驗 ; 加工結束后尺寸核驗。接觸式測頭采用無線傳輸，可自動更換夾持刀柄，檢測系統管理軟件可從機床程序內自動調加載程序。RENISHAW RMP60 接觸式測頭HSK-A-63 刀柄 包含海德漢檢測循環 (D.10.24.H)。標配探針直徑 φ6 mm，長度 50mm。
（2）刀具測量系統的選型
激光對刀系統可以精確可靠地完成以下任務 : 刀具長度 ; 刀具半徑 ; 刀具破損檢測可以直接由數控系統加載并管理對測量值的自動補償。最小檢測長度 120mm，最大檢測直徑 300mm。測量系統附件包含 : 激光單元固定到機床上的支架 ; 信號處理系統 ; 管理軟件 ; 用于修改和補償的特殊軟件循環。
5.汽車模型數控加工中心使用的環境要求
三、結束語
隨著技術和裝備的引進不斷的提升，國內模型制作水平已經縮小了與國際模型先進地區的差距。作為模型制作的核心裝備，除了在數控加工裝備選型上參數不斷細化外，必須正確定位汽車模型的加工類型和范圍，這樣才能選定出適合企業需求的設備型號。同時從技術水平上和管理水平突破，使得汽車模型實現短周期、高質量、低成本的目標。東風技術中心在 2017 年使用高速加工中心后，累計完成模型 52 臺，機床開動率保持 58%，完成 12 類車型的開發，為東風自主品牌研發提供了有力的保障。
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