摘 要：为了克服连杆模具制造采用传统的电火花加工(EDM)会出现微小裂纹、表面质量差和生产效率低的不足,基于功能强大的UGCAM软件系统平台,使用高速加工(HSM)技术制造连杆型腔模具,提出了相应的加工策略,并介绍了连杆模具的高速加工方法,从而缩短了加工时间,提高了模具精度。
连杆是发动机的重要运动部件之一。在传统的连杆模具制造中,为了提高模具的加工性能和使用寿命,一般都采用高强度的耐磨材料制造,这些材料经过热处理后硬度更高,很难采用常规的机械加工方法进行加工。过去都是采用电火花加工(EDM)技术来完成模具型腔的制造,但这种靠放电烧蚀的/微切削0的加工过程非常缓慢,生产效率极低,并且还会在型腔表面产生微小裂纹,粗糙度往往也达不到模具的具体要求,因此在电加工后还要进行费时的手工研磨和抛光处理。
高速切削(HSM)是采用高转速、快进给、小切深和小步距来提高加工效率的一种加工方式,对淬硬模具材料、薄壁零件和三维自由曲面的加工具有显著的优势 [2] 。高速切削加工的技术优势:(1)能直接对淬硬模具材料进行精加工,可省略传统模具加工中的电火花加工;(2)加工精度高,不再需要手工抛光,缩短了加工时间;(3)高速切削加工的每次切除量很小,切削力低,热变形小,可以采用小直径刀具直接加工复杂型腔和薄壳零件。
UG是一套功能强大的CAD/CAM软件,从产品的概念设计直到产品建模、分析和制造过程,都可以与高速切削技术紧密地结合起来,从而形成高速加工CAD /CAM/HSM集成系统。UGCAM系统具有较高的编程效率,便于快速编程和调试程序;具有自动防过切和刀柄干涉检查功能;可以优化刀具路径和实现特殊的加工策略;具有直接输出样条曲线(NURBS)插补功能,可快速加工出复杂而极其光滑的曲面。
本文以UGNX6.0为二次开发平台实现连杆模具的高速加工制造。
图1 连杆模具凹模型腔
1 连杆模具的高速加工策略
图1所示是某发动机连杆模具凹模型腔。它采用高速切削技术直接加工该零件的模具钢材料,可以获得较高的表面质量,并可达到一定的尺寸和形位精度。因此,可以省略常规模具加工的电火花加工和大量手工修磨等工序,缩短了工艺流程,极大地提高了加工生产效率。
1.1保持切削载荷的恒定和轻便
在高速切削过程中保持恒定的切削载荷非常重要。为了使刀路轨迹光滑,在加工过程中应注意以下几点:(1)采用小步距和浅切削深度(刀具直径的10%左右) 进行加工;(2)使用圆弧或螺旋线方式实现进退刀具;(3)大量采用等高分层加工代替仿形加工;(4)切除率尽量保持为常数;(5)在粗加工时,不但要求刀具以圆弧或螺旋线方式进入工件材料,而且使进给率和机床转速之比达到最佳,从而避免急剧变化的刀具运动以及在外形轮廓上直接进刀和退刀。
图2 高速加工刀路光顺示意图
图2所示为连杆模具高速加工刀路光顺示意图。在高速加工过程中,一般要求刀具平滑地切入与切出工件,并通过缓慢调节可以保持连续的切削载荷,并达到保护刀具的目的。在切入工件时一般采用螺旋线方式进刀,切出工件时使刀具沿圆弧方向切出。
另外,为了保证在拐角处具有平滑的走刀轨迹,刀具路径可以采用圆角或圆弧走刀,并相应地减慢进给速度,这样在拐角处便能获得光滑的刀具轨迹,并保持连续的高进给速度以及加工过程的平稳性。现将UGCAM软件中/角和进给率控制0对话框中的/圆角0选项设定为/ALLPasses0来光滑拐角和步距,从而保持刀具负荷稳定。
1.2使用非均匀有理B样条(NURBS)插补
随着高速切削加工设备的使用,一种基于NURBS理论的CNC插补控制器也随之出现,这使得CNC系统具备了能自动进行NURBS格式定义的加工域的能力。NURBS曲线使用控制点、权值、节点矢量3个参数来表达自由曲线。NURBS插补就是将这3个参数作为NC指令的一部分,由CNC系统内部计算并生成NURBS曲线,并按照NURBS曲线驱动机床进给轴运动,加工出NURBS曲线形状。选用NURBS格式进行插补不仅误差小、精度高,而且可以简化 NC代码程序(程序长度只有线性插补代码的1/10~1/100),这样既可以控制机床在沿NURBS曲线运动的同时计算NURBS曲线的曲率变化,又可以在机床加速度允许的范围内以最大速度进行加工,从而实现模具加工的高速度和高精度。
表1 高速加工工艺参数表
2 连杆模具的高速加工
2.1 高速加工机床选择
数控机床采用瑞士米克朗公司的HSM-600型高速铣削加工中心,主轴最高转速可达60000r/min,控制轴进给速度最快可达40m/min,具有DNC加工时的高速数据通信处理功能和/前馈0控制技术,支持NURBS插补格式。
2.2 模具材料和刀具选择
选择的加工材料为铸态模具钢7CrSiMnMoV,高温淬火后硬度达到55~58HRC,具有较好的强度和韧性配合。刀具选用日本黛杰机夹式高速铣刀,刀片材料为立方氮化硼(半精加工型号为JBN330,精加工型号为JBN245),切削速度可以大于100m/min,切削60HRC以上的高硬度材料时, 其刀具耐用度达到60min以上。
2.3 高速加工工艺规划
a.粗加工。 在粗加工的过程中,可以充分利用机床的主轴功率,从毛坯上尽可能高效地去除大部分余量,并使后续精加工余量均匀。由于模具型腔曲面复杂,空间狭小,直接采用<6R3球头刀具完成粗加工,主要切削工艺参数见表1。相应的粗加工刀路示意图如图3所示。
图3 <6R3铣刀粗加工刀路示意图
b.精加工。
精加工过程采用了固定轴曲面轮廓铣/FIXEDCONTOUR0加工方法,该方法能够有效地切除粗加工刀具留下的各种刀痕。采用<4R2球头铣刀精加工,按照高速加工策略光顺刀具路径,使切削载荷保持恒定。
c.清根加工。
采用<4R2球头铣刀精加工以后,在型腔底面与侧面交界处仍然会有一些多余的材料还没有被切除,需要应用更小的刀具进行清根加工。现选用<2R1球头铣刀执行清根加工/FLOWCUTMULT0,UGCAM系统自动确定切削方向与加工前后顺序,并优化清根刀路,同时使刀具尽可能保持与零件表面接触,以减少非切削运动时间。
通过3D动态仿真模拟所有刀具运动,检查刀具运动轨迹是否出现空行程和过切/欠切等干涉现象,然后按NURBS格式执行后置处理,生成数控加工程序代码。由于程序代码庞大,采用RS-232C串行接口传入数控系统,执行网络在线加工,连杆凹模加工仿真效果如图4所示。
图4 连杆模具加工仿真效果图
3 结束语
本文连杆模具的加工方法已在某集团锻造厂得到了成功的应用。连杆模具的整个加工过程只需54min(以前的电火花加工工艺从生产电极、电火花加工到抛光大约需要16h),极大地缩短了加工周期。对于形状复杂、淬火后硬度较高的模具, 利用CAD/CAM/HSM集成系统进行三维造型与数控编程,并使用高速加工技术完成模具的加工,既可以缩短模具的生产周期,又可以确保模具的表面品质和加工精度。实践证明,该方法的成功应用为连杆模具锻造厂带来了良好的综合效益,同时也为其他模具企业提供了一种行之有效的加工方法。