轿车曲轴锻模型腔数控加工策略

刘伟02711022

在数控加工中，工艺路线安排、加工策略与刀具的选择等，对加工效率、加工质量和加工成本影响很大。这几年我们一直致力于这方面的研究、试验，在提高加工效率、降低刀具成本等方面取得了一定的成果。下面以轿车曲轴类锻模和PowerMILL为编程软件为例，对其数控加工策略及刀具选择进行一些探讨。
结构分析与加工工艺
' j( S# B' c5 a5 S) W6 Y4 @7 z9 R1. 结构分析
$ [9 s9 y# d6 p轿车曲轴锻模型腔（见图1）的结构特点是曲柄部位深、窄，凹圆角小，曲柄深度为58mm左右，曲柄宽度一般均小于16mm，最小拔模斜度1°，型腔凹圆角大部分为R3，部分曲轴的连杆径与曲柄过渡部位圆角为R2，中间主轴径两边有环形槽。这类模具（机锻模）外形尺寸约为600mm×330mm×160mm，模具材料为H11，模具硬度为dB=2.9～3.1，型槽尺寸精度±0.10mm，表面粗糙度Ra1.6。

5 K* o+ K7 g0 }5 L. [( A4 z图1 轿车曲轴锻模型腔结构示意图2. 加工工艺分析
3 y, {, N. X: y$ j$ T  x1 t模具加工工艺为外形加工－孔加工－型腔数控粗加工－热处理－外形精加工－型腔数控精加工－钳工抛光。目前的刀具技术已完全能够加工淬硬模具钢。这里的型腔分粗、精加工，主要是从节省刀具成本方面来考虑，热处理前去除大部分余量，热处理后再进行精加工，可降低刀具消耗。
在型腔数控加工工序中应分粗加工、半精加工和精加工，以获得较好的表面质量和尺寸精度。在精加工前，进行半精加工，先把余量尤其是角部的余量去除掉，给精加工留0.1mm左右的余量，且余量均匀，使精加工切削平稳，提高刀具寿命，保证尺寸精度及表面粗糙度。
加工策略分析
! _1 y, [0 \9 {1 C, J4 r7 ^1. 粗加工策略及刀具选用
( I" j& W- ]1 n0 h1 w0 ^8 u' E针对轿车曲轴类锻模型腔的结构特点，可选两把刀分别用偏置区域清除策略和等高加工策略完成型腔粗加工。
, P. n, _! g' u% B: d5 Z: Z! ^" Q第一把刀选择偏置区域清除策略，刀具从型槽的最上层轮廓，一个切面一个切面地按指定的下切步距逐层向下加工等高切面。在锻模加工中，第一把刀一般均选择偏置区域清除策略，这里不多论述。
2 I9 q2 r0 D1 }( c5 P0 `# g2 I5 G第二把刀具选择等高加工。这里没有选择残留加工和轮廓加工，是因为这两种加工方式提刀非常多。实际加工中，提刀次数对实际加工时间影响非常大，是模拟时间的数倍。在相同的切削参数下，等高加工提刀少，效率高。提刀情况对比如图2所示。
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( ^* ?" m$ h& i5 s; ^$ l; T( h图2 提刀情况对比粗加工刀具（见图3）的选用应从以下几个方面进行考虑：

图3 粗加工刀具一是，刀具数量不宜多，两把刀即可，可以减少手工换刀时间。这里要说明的是对于大部分锻模型腔加工，一般最多只需5～6把刀具，故我们在购买数控机床时均没有选择刀库，在降低固定资产投资费用的同时，又可减少机床故障率。因为，据有关统计表明，数控机床50%以上的故障均发生在刀库部位。
二是，尽量选用可转位镶片刀，以降低刀具使用成本。
3 J5 ]9 M: q! D5 ~0 _  _' q# l三是，刀具要能加工到型腔最深、窄处，如曲轴曲柄部位，尽可能去除型腔大部分余量，使热处理后的精加工量越少越好。
四是，刀具选择要与加工策略结合起来考虑。如第二把的加工策略是等高加工，第二把刀具直径就要大于第一把刀具半径，这样才能保证这把刀具路径覆盖上一把刀具最后加工的路径，不会在局部留有凸包，给精加工造成困难。
2. 精加工策略及刀具选用
PowerMILL软件（见图4）为精加工提供了非常丰富的加工策略。这里我们选用等高精加工和平行加工（浅滩处）策略来完成型腔的精加工。局部R2处求出边界后亦采用等高加工来完成。

图4 PowerMILL软件界面等高精加工是按下切步距定义的高度，将每条刀具路径水平投影到模型上进行精加工的一种加工方法。对于大部分锻模来讲，等高精加工是最好的、最安全的精加工策略。但随着型腔曲面向浅滩区域过渡，实际上刀具在曲面上的步距将逐渐增大，这样浅滩区域将不光顺，故需要求出浅滩边界，用平行加工策略来进行补充加工，使整个模具型腔的表面粗糙度达到图纸要求。最佳等高精加工就是针对上述问题的，但在实际编程中，对于曲轴这样型腔复杂的模具，计算速度太慢，我们没有采用。等高和浅滩刀路如图5所示。
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6 O  U- U! T0 X图5 等高刀路（左）和浅滩刀路（右）精加工刀具（见图6）在结构上我们选择整体硬质合金涂层铣刀，在规格上要结合型腔最小圆角、结构特点来考虑。从上面对曲轴锻模的结构分析可以看出，用φ6R3进行精加工最理想，可以一次把整个型腔加工完成，没有接刀痕迹，表面粗糙度好。但刀具的悬伸长度要60mm，刀具长径比达到了10 : 1。众所周知，在数控加工中，刀具长径比最好在4 : 1以内，超过7 : 1加工就比较困难，超过10 : 1则更加困难。我们在高速铣床上进行过加工试验，由于主轴回转精度非常高，加上合理的切削参数，φ6R3球头刀在长径比达到10∶1的情况下，等高精加工6h，刀具完好无损，一把刀可加工2块轿车曲轴锻模。但主轴是齿轮传动的数控铣则不行，刀具磨损较快，一般寿命不到2h。因此，要提高精加工刀具的刚性，要在刀具结构上加以考虑。根据多年的加工与观察，我们针对最小拔模角和最小圆角，选择1°的锥度球头铣刀，很好地满足了加工策略的要求。
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/ w+ |+ m# F! G' q+ w7 ^/ }) C图6 精加工刀具这里需要指出两个问题，一个是在普通数控铣上进行加工时，要提高加工效率，不能单纯提高转速与进给。刀具长径比超过一定比例后，转速不易太高，否则刀具摆动加剧，磨损会更快。第二个是由于刀具长径比大、刚性差，在加工型腔拐角处或余量较大处容易断刀，因此对整体硬质合金铣刀材料的要求是既要能加工较硬的材料，刀具耐用度高，又要有一定的韧性，不易折断。
) d6 X0 M, Y, e结论
5 D- J- @) n, u# X/ u4 ?实践验证，上述策略对进一步提高轿车曲轴锻模的数控加工效率十分有效。根据上述加工策略和选刀原则，我们通过对某轿车曲轴锻模（见图7）进行实际跟踪试验，用5把刀6个刀路完成了型腔粗加工、半精加工和精加工。结果表明，加工效率较以前提高30%以上，每副模具型腔加工时间不超过32h，加工精度≤±0.05mm，表面粗糙度达到Ra1.6，刀具费用减少15%。

9 c' S2 Z6 O# J/ Q. }  X3 ]3 X! Y图7 某轿车曲轴锻模为了更好地开展生产工作，在实际生产中我们还应关注以下几项内容：
& a+ j' W/ b- G4 K/ v) L' l/ [1. 等高精加工策略加工过程平稳、抬刀少、效率高，不但适用于精加工，也适合于半精加工、清根加工。因此，在实际编程过程中，要灵活应用各种加工策略。
2. 数控编程人员不但要精通编程软件，掌握机加工艺、切削原理和刀具等方面的知识，还要有丰富的现场经验。
  X5 B2 [  u5 e8 k/ J3. 数控程序不但要在计算机上反复模拟，数控编程人员还要经常下现场跟踪观察实际加工情况，对程序进行优化，提高加工精度与效率。
/ n6 ^  ~" A8 j4. 数控编程人员要与数控机床操作者进行充分的沟通，要让操作者了解编程者的思路，这样才能得到最佳的结果。
' m& e, }3 ?7 s/ S' X) ?5. 为降低模具制造成本，一般失效的模具均进行下落翻新或烧焊翻新。因此，我们编制新制模具程序时要充分考虑到翻新模具的加工，程序最好通用，既能加工新制模具，又能加工翻新模具，便于生产部门使用，也可节省编程时间。
" f$ i" t3 a" x2 l# \3 U. n6 J文章关键词： 锻模、数控加工