隨著汽車工業(yè)不斷進(jìn)步，人們對(duì)汽車的審美意識(shí)和個(gè)性化需求也越來越高，激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)推動(dòng)著汽車產(chǎn)品的高速發(fā)展，汽車模型制作己成為新車型開發(fā)中不可缺少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是汽車造型設(shè)計(jì)在效果圖的基礎(chǔ)上構(gòu)思進(jìn)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(xiàn) , 在模型制作階段，制作過程選擇高效的數(shù)控加工中心不僅能夠完成設(shè)計(jì)質(zhì)量需求，同時(shí)能夠高效制作模型，為汽車短周期研發(fā)提供有力保障。
一、汽車主模型的種類和制作特點(diǎn)
汽車主模型從早期的效果圖開始，經(jīng)過泡沫體態(tài)模型，油泥模型，仿真模型，風(fēng)動(dòng)模型，色彩模型，驗(yàn)證模型，驗(yàn)證臺(tái)架及空間驗(yàn)證模型的效果驗(yàn)證，最終完成汽車造型的定義并批量生產(chǎn)。
1.汽車模型的主要制作類型
1）油泥模型 : 是車身設(shè)計(jì)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(yīng)用到汽車設(shè)計(jì)開發(fā)模型上。對(duì)大多數(shù)世界知名車公司而言，制作油泥模型是設(shè)計(jì)過程中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。油泥模型分為造型油泥模型和風(fēng)洞油泥模型，造型油泥模型完成產(chǎn)品定義 ; 風(fēng)洞油泥模型完成車輛的風(fēng)阻測(cè)試評(píng)定。
2）色彩模型:汽車造型的零件進(jìn)行色彩定義，對(duì)模型的色彩設(shè)計(jì)及搭配進(jìn)行評(píng)審并做出決策，對(duì)不和諧的色彩重新設(shè)計(jì)或加以改進(jìn)，使內(nèi)、外飾色彩達(dá)到更佳的效果。
3）驗(yàn)證模型 : 驗(yàn)證汽車實(shí)車數(shù)據(jù)的正確性、有效性和可信性的研究與測(cè)試過程。一般包括兩個(gè)方面 : 一是驗(yàn)證所建模型即是建模者構(gòu)想中的模型 ; 二是驗(yàn)證所建模型能夠反映真實(shí)系統(tǒng)的行為特征 ; 有時(shí)特指前一種檢驗(yàn)。
4）仿真模型 : 是指建立在汽車設(shè)計(jì)建模后，CAS 經(jīng)過油泥模型確認(rèn)后，制作相對(duì)應(yīng)硬質(zhì)模型進(jìn)行外觀確認(rèn)和評(píng)審，后期根據(jù)評(píng)審意見進(jìn)行相應(yīng)外觀的修改和優(yōu)化。典型汽車模型的制作階段和周期如圖 1 所示。
2.汽車模型的主要制作特點(diǎn)
（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(yīng)具有 :
1）尺寸穩(wěn)定，對(duì)溫度和濕度變化不敏感 ;
2）運(yùn)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(zhì)量及精度要求
1）數(shù)控加工中加工刀具（直徑 Φ20mm 球刀）步距應(yīng)≤ 0.60mm，表面波峰與波谷差值應(yīng)≤ 0.02mm;
2）模型加工后，銑刀紋要保持連續(xù)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(yīng)滿足設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，尺寸公差 ±0.3mm，模型零部件裝配規(guī)定的空間位置、間隙和面差，復(fù)位基準(zhǔn)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(yīng)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(yàn)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(shù)控加工中心選型的主要參數(shù)
針對(duì)汽車模型加工技術(shù)特點(diǎn)和要求，對(duì)數(shù)控加工中心（見圖 2）的主要參數(shù)進(jìn)行梳理，主要數(shù)控加工中心重點(diǎn)參數(shù)為 : 數(shù)控加工中心床身結(jié)構(gòu) ; 高速電主軸參數(shù) ; 數(shù)控系統(tǒng) ; 測(cè)量系統(tǒng) ; 使用環(huán)境要求。
1. 汽車模型數(shù)控加工中心的結(jié)構(gòu)件參數(shù)選擇
汽車模型的尺寸 : 長(zhǎng)度方向約 5000mm; 寬度方向約 1800mm; 高度方向 1600mm。采用立式工作臺(tái)固定的高架橋龍門5軸5聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，可配備各種規(guī)格五軸頭，其結(jié)構(gòu)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(jī)結(jié)構(gòu)件 ; 復(fù)合材料高速加工。
（1）直線軸參數(shù)
根據(jù)汽車尺寸參數(shù)，結(jié)合數(shù)控加工的刀具行程，確定數(shù)控加工中心的軸行程（見表 1）。
表 1 加工中心的行程參數(shù)
電主軸回轉(zhuǎn)中心到工作臺(tái)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
（2）數(shù)控加工中心床身結(jié)構(gòu)零件的要求
機(jī)床床身結(jié)構(gòu)件的確定 : 為了獲得直線軸最佳的動(dòng)態(tài)性能，所有移動(dòng)部件的設(shè)計(jì)計(jì)算均考慮到重量、剛性和減振等因素。結(jié)構(gòu)件要預(yù)先進(jìn)行有限元分析設(shè)計(jì)（見圖 3），然后借助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的專有軟件，分析各軸的頻率響應(yīng)和加工模擬，進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)各種的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、精度和剛性的最佳匹配。
（3）數(shù)控加工中心結(jié)構(gòu)零件的應(yīng)力處理
結(jié)構(gòu)件采用電焊鋼材料。如圖 4 所示，結(jié)構(gòu)件在焊接成型后，先進(jìn)行去除應(yīng)力熱處理。粗加工后、精加工前，進(jìn)行進(jìn)一步的消除應(yīng)力處理，以消除結(jié)構(gòu)件內(nèi)部的最終殘余應(yīng)力，確保機(jī)械部件維持穩(wěn)定的幾何精度。
（4）數(shù)控加工中心驅(qū)動(dòng)軸的間隙補(bǔ)償和 A、C 軸結(jié)構(gòu)
驅(qū)動(dòng)軸可以采用直驅(qū)伺服電機(jī)和齒輪傳動(dòng)方式。直驅(qū)方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無磨損、噪聲低、維護(hù)方便。齒輪傳動(dòng)方式響應(yīng)速度相對(duì)滯后，后期調(diào)試和維保需要對(duì)間隙進(jìn)行相關(guān)補(bǔ)償工作。
1）齒輪傳動(dòng)的間隙補(bǔ)償方式機(jī)床各軸驅(qū)動(dòng)（背隙補(bǔ)償）機(jī)床所有的伺服軸 (X) (Y) 和 (Z) 都是通過雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)斜齒輪 -齒條傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。電子反向間隙補(bǔ)償是借助數(shù)字驅(qū)動(dòng)在兩個(gè)齒輪間產(chǎn)生一個(gè)機(jī)械預(yù)載（機(jī)械耦合）。系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)一個(gè)齒輪稍稍領(lǐng)先于另一個(gè)，由此實(shí)現(xiàn)預(yù)載。其優(yōu)勢(shì)就是不需要任何調(diào)整，因?yàn)橐粋€(gè)齒輪始終領(lǐng)先于另一個(gè)，這樣就自動(dòng)彌補(bǔ)了齒輪和齒條間產(chǎn)生的磨損。齒輪傳動(dòng)補(bǔ)償示意圖如圖 5 所示。
2）數(shù)控加工中心 A、C 軸結(jié)構(gòu)雙軸主軸頭 由兩個(gè)極坐標(biāo) A/C 構(gòu)成，兩軸均由力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以獲得最好的動(dòng)態(tài)性能。其非對(duì)稱結(jié)構(gòu)可確保性能、剛性和重量的最佳組合。主軸一側(cè)包含帶氣動(dòng)夾緊系統(tǒng)的 A 軸電機(jī)，液壓和氣動(dòng)連接，和 A 軸檢測(cè)。C 軸和 A 軸都可在任何位置氣動(dòng)夾緊定位。C 軸和A 軸電機(jī)由恰當(dāng)匹配的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)冷卻，以確保在任何運(yùn)行工況，工作穩(wěn)定。
2.高速電主軸的選型
電主軸 ELECTROSPINDLE 24000 rpm(D.02.96JF): 該型號(hào)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(shí)，主軸錐孔壓縮空氣吹氣保護(hù)。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
3.數(shù)控系統(tǒng)的選型
五軸數(shù)控加工系統(tǒng)綜合性能較好的型號(hào)是 :FANUC31I; HEIDENHAIN iTNC 640; 西門子 840D。以海德漢系統(tǒng)為例，海德漢 iTNC640HSCI 數(shù)控系統(tǒng)和同型號(hào)驅(qū)動(dòng)原件能夠最大限度發(fā)揮出機(jī)床機(jī)械和所配驅(qū)動(dòng)的特性。模型五軸加工需要數(shù)控系統(tǒng)提供相應(yīng)的功能 :
①海德漢實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，顯示 PDF 文件。圖紙，工藝指令直接在數(shù)控系統(tǒng)中打開 ;
② iTNC 6400 中直接訪問互聯(lián)網(wǎng)，內(nèi)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(yīng)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(wǎng) 頁文件（.html）;
⑤標(biāo)準(zhǔn)化的操作系統(tǒng)對(duì)話框顯示格式 ;
⑥設(shè)置防火墻，提供更高數(shù)據(jù)安全性。
4.汽車模型數(shù)控加工中心測(cè)量系統(tǒng)的選型
加工中心的測(cè)量系統(tǒng)分為工件測(cè)量系統(tǒng)和刀具測(cè)量系統(tǒng)，為數(shù)控加工的模型質(zhì)量和數(shù)控切削參數(shù)提供數(shù)據(jù)支撐。
（1）工件測(cè)量系統(tǒng)的選型
接觸式測(cè)頭能夠在加工過程中和加工結(jié)束后自動(dòng)檢測(cè)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(chǎn)效率。可實(shí)現(xiàn)以下功能 : 工件 / 夾具預(yù)定位 ; 測(cè)量監(jiān)測(cè)加工去除量 ; 加工過程中檢驗(yàn) ; 加工結(jié)束后尺寸核驗(yàn)。接觸式測(cè)頭采用無線傳輸，可自動(dòng)更換夾持刀柄，檢測(cè)系統(tǒng)管理軟件可從機(jī)床程序內(nèi)自動(dòng)調(diào)加載程序。RENISHAW RMP60 接觸式測(cè)頭HSK-A-63 刀柄 包含海德漢檢測(cè)循環(huán) (D.10.24.H)。標(biāo)配探針直徑 φ6 mm，長(zhǎng)度 50mm。
（2）刀具測(cè)量系統(tǒng)的選型
激光對(duì)刀系統(tǒng)可以精確可靠地完成以下任務(wù) : 刀具長(zhǎng)度 ; 刀具半徑 ; 刀具破損檢測(cè)可以直接由數(shù)控系統(tǒng)加載并管理對(duì)測(cè)量值的自動(dòng)補(bǔ)償。最小檢測(cè)長(zhǎng)度 120mm，最大檢測(cè)直徑 300mm。測(cè)量系統(tǒng)附件包含 : 激光單元固定到機(jī)床上的支架 ; 信號(hào)處理系統(tǒng) ; 管理軟件 ; 用于修改和補(bǔ)償?shù)奶厥廛浖h(huán)。
5.汽車模型數(shù)控加工中心使用的環(huán)境要求
汽車模型加工中心（代木 油泥 ）咨詢電話：13522079385
三、結(jié)束語
隨著技術(shù)和裝備的引進(jìn)不斷的提升，國內(nèi)模型制作水平已經(jīng)縮小了與國際模型先進(jìn)地區(qū)的差距。作為模型制作的核心裝備，除了在數(shù)控加工裝備選型上參數(shù)不斷細(xì)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(yè)需求的設(shè)備型號(hào)。同時(shí)從技術(shù)水平上和管理水平突破，使得汽車模型實(shí)現(xiàn)短周期、高質(zhì)量、低成本的目標(biāo)。東風(fēng)技術(shù)中心在 2017 年使用高速加工中心后，累計(jì)完成模型 52 臺(tái)，機(jī)床開動(dòng)率保持 58%，完成 12 類車型的開發(fā)，為東風(fēng)自主品牌研發(fā)提供了有力的保障。
