气缸头模具叶片电极设计加工新方法
<p> 一、摩托车发动机气缸头模具的特点</p><p> 气缸头是摩托车发动机的一个非常重要的关键零件，其作用是形成气缸的工作容积和为活塞运动导向，在高温、高压、润滑不良、交变载荷和腐蚀等条件下工作。为增加冷却面积，保证散热充分，在其外表面铸有许多散热片，并有大量的支撑筋。叶片、筋等在模具上就形成小的深而复杂凹槽，无法用刀具切削加工，必须制作电极用电火花加工来成型。因此，电火花加工在气缸头模具制造中有重要的作用。</p>
<p> 散热叶片特点是环绕气缸头四周(参见图1、图2)、量大(5～14片不等)、厚度较小(3mm左右)、片间距较小(10～12mm)。模具结构采取三向抽芯(见图3)。每个模具型芯有大量的深槽(见图4)。三向抽芯的主要部分采取数控机床或线切割加工出基本形状，而刀具加工不到的位置采取电火花最终成形。我们采取CAD/CAM/NC加工集成技术，用UG软件作为产品和模具设计、数控编程的平台，以HV45加工中心作为主要的加工手段加工模具型面和叶片电极，采用北京阿奇电火花机床加工叶片沟槽。下面介绍散热叶片电极设计与加工方法。</p>
<p> 二、叶片电极传统的设计加工方法</p>
<p> 我们以XX90气缸头为例。为保证散热充分，该气缸头共有6片散热叶片，片间隔12mm，其外边缘厚度为2mm，为脱模方便，必须加上拔模角。而各叶片外边缘距离中心远近不同，因此，叶片型面为变拔模角的曲面模型，拔模角从1°到3°不等。</p>
<p> 模具采取三侧抽芯的分型结构，三侧抽芯均需电极。如果每个抽芯采用整体电极的话，只能用直径5mm以下而长度达100mm的细长刀具，根本无法切削。因此，通常采用单片电极组合的方法。图5是第一个叶片的模具和电极模型。图中标号为1、2和3处是三个方向的抽芯，标号为11、22和33处为相对应的电极(右图为左抽芯的电极11的三维几何模型)。每一个叶片需要三个电极，6个散热叶片的XX90气缸头(见图2)模具就需要18块电极，同理，有12个散热叶片的XX250的气缸头(见图1)需要36块电极。</p>
<p> 制造时为加工方便，通常采取同样形状大小的毛坯。先锻造18个相同的长方体毛坯，铣削毛坯六面，保证厚度12mm，每个毛坯钻铰两个直径相等位置一致的定位安装孔。然后在UG中编制数控加工程序，在数控机床上分别加工每个叶片，最终将三个方向的各六片电极通过定位孔装夹形成三个电极组合，在电加工机床上分别加工不同的三个抽芯。设计编程时，XX90气缸头需要建立18个三维几何模型和18个毛坯模型，XX250气缸头需要36个三维几何模型和36个毛坯模型。每块叶片电极需要3个程序，仅XX90气缸头就有54个程序，数控编制和数控加工时间长，而且烦琐易出错。因此叶片电极的设计加工极大地影响了模具的加工周期和成本。</p>
<p> 三、改进的叶片电极设计和加工方法</p>
<p> 1.叶片电极设计</p>
<p> 基于气缸头的特点，我们将每一层的三个电极改进成图6所示的一个整体叶片电极。图中矩形轮廓为12mm厚的毛坯，在其中间部分制作一个圆台并钻铰4个直径相等的定位夹紧孔，孔心线分别与抽芯方向平行或垂直。每个型面加工完成后通过定位夹紧孔形成一个完整的组合电极，如图7所示。当电加工左抽芯时，用与抽芯方向垂直的2个定位孔来定位夹紧。加工结束，旋转90°加工下抽芯，最后旋转90°加工右抽芯。</p>
<p> 为什么可以这样呢？首先气缸头叶片的中间部分为气缸头基体，在模具上是空腔，实际并不需电极成型，只有叶片电极四周部分才起作用；再者，叶片四周环绕，三个方向的抽芯各利用整体电极的一部分，在分型线处相连，各部分互不干涉。电加工时，相互并不发生干涉和电腐蚀，即使在分型线附近有少量腐蚀，由于这个区域的模具叶片槽是开放的，也可以采取钳工方法来弥补，实践证明腐蚀量非常小。</p>
<p> 这样，对于6个散热叶片的XX90气缸头模具需要6块电极，而有12个散热叶片的XX250的气缸头仅需要12块电极。在电加工时只要注意电极的正确定位，用这个整体组合叶片电极分别加工三个抽芯是完全可以的。电极材料大大减少，而且电极三维模型的设计建模工作量大大减轻。</p>
<p> 2.叶片电极的加工</p>
<p> 数控加工之前，电极毛坯的预加工工艺与原来工艺一样，采取锻造→铣削6面→钻铰4个直径相等的孔。但必须注意，除厚度为12mm外，电极的大小和4个直径相等的孔及圆台的位置必须在CAD软件中准确确定。其原则为：电极最小的长和宽尺寸必须包容所有叶片的最大轮廓，圆台的直径必须在所有叶片最小工作轮廓之内，4个直径相等的孔必须在圆台范围之内。最后利用4个直径相等的孔作为安装定位基准，安装在设计的夹具上，在HV45立式加工中心上加工叶片电极型面。</p>
<p> 与原来图5右图所示的电极立式安装方式不同，改进后的叶片电极采取水平放置(见图7)，先加工一面，结束后反面安装加工另一面。由于6个叶片可以采取一样的毛坯、加工定位坐标系、编程坐标系、加工方法、加工余量、刀具和切削参数，在设计编程时，只需要用另一个叶片代替第一个叶片就可以生成新的叶片加工程序，大大减少了编程工作量和加工效率，降低了出错率。图8是在UG上进行的数控工艺规划。可以看出在生成电极PIAN-2加工程序时，只需COPY电极PIAN-1程序到PIAN-2之下，然后重新生成即可，所有叶片电极只需30个程序。</p>
<p> 我们以第一片为例说明。首先加工上表面。先用Φ20圆角半径为1mm的高速钢平底铣刀，沿电极零件外轮廓走一圈，采取平面铣PLANAR MILLING的加工方式，切削轨迹类型PROFILE方式。表面余量-0.1mm(放电间隙)，主轴转速1000r/min，进给速度100mm/min，切削深度为1mm。加工出的叶片轮廓形状如图9左图所示。然后用CAVITY MILL的等高切削方式去除叶片型面上的大量材料。用Φ20圆角半径为1mm的高速钢立铣刀加工，用常规的FOLLOW切削方式，表面余量为0mm，主轴转速1000r/min，切削深度为1mm。切削时，进给速度200mm/min，刀具轨迹模拟如图9右图所示。</p>
<p> 对于曲面精加工通常采用固定轴投影加工FIXED CONTOUR驱动方式或射线RADIAL LINE的切削方式。由于三轴连动加工走刀速度较低，切削力较大，而电极在中间采用四个螺钉装夹，夹持力较小，因此我们采取了CAVITY MILL等高切削方式中的PROFILE方式，加工轨迹见图10(为表达清楚，轨迹曲线已稀释)。用Φ20圆角半径为1mm的高速钢立铣刀加工，为满足电腐蚀工艺中要求的放电间隙0.1mm，我们把表面余量设置为-0.1mm，主轴转速2000r/min，进给速度1000mm/min，切削深度为0.03mm。虽然电极型面的拔模角最小1°，型面非常平缓，但根据铣削加工理论表面粗糙度公式，当切削深度降低，表面粗糙度减小。因此使用0.03mm的切削深度加工效果很好，最后通过少量的抛光，获得了较好的表面质量。</p>
<p> 当一面加工结束后，反面的加工与前述方法一样，由于电极轮廓前面已经到位，因此只需后两个程序。需要注意的是，由于装夹接触面进一步减小，因此切削深度应减小，所以粗加工用0.5mm，精加工0.03mm。</p>
<p> 在加工和编程中需特别注意的是由于电极只在中间采取四个螺钉装夹，夹持力较小，因此必须降低切削力。根据切削理论，降低切削深度可以有效降低切削力，而且降低切削深度可以有效降低电极的型面表面粗糙度。因此我们选择较高切削速度和较小切削深度，精加工切削深度为0.03mm。刀具材料采取高速钢，和硬质合金相比，虽然硬度低，但刀具锋利，切薄能力更强，由于工件材料为铜，硬度不成问题。实践证明，在铜电极加工中选择高速钢刀具和合理的切削用量可以得到比硬质合金刀具更好的结果。</p>
<p> 四、结束语</p>
<p> 摩托车气缸头模具大量采用电火花加工。传统的叶片电极的设计加工方法，浪费材料，加工周期长，通过改进散热叶片电极的设计加工工艺并结合先进的三维CAD/CAM技术，并采取合理的加工和安装定位，可极大地提高了模具加工效率。目前我们已在多副气缸头模具上采取这种方法，实践证明是行之有效的。</p>
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