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堆焊曲軸鍛模高效加工技術(shù)
劉桂萍 彭志國(guó) 陳鈞 張虎亮 郭毅 孟雪芬 龔太彥 王勇 楊俊仁 盧軍
孫靖 朱劍利 楊海軍 王義良 尹偉 胡志勇
（內(nèi)蒙一機(jī)集團(tuán)瑞特工模具有限公司）
摘要：本文針對(duì)堆焊鍛模型腔硬度高，高硬度切削困難，加工成本提高。以汽車曲軸鍛模為例，通過(guò)對(duì)影響因素進(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，提出采用優(yōu)化切削參數(shù)，刀具選用、合理編程等方法提高鍛模的整體加工質(zhì)量，合理控制的控制成本。
關(guān)鍵詞 ：堆焊曲軸鍛模、高硬度、高硬度切削
引 言
利用報(bào)廢模體，采用增材技術(shù)對(duì)鍛模進(jìn)行生產(chǎn)，堆焊后型腔硬度為HRC55-60。加工極其困難，生產(chǎn)效率低。以重車曲軸鍛模為例，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是曲柄部位深、窄、凹圓角小。曲柄深度為65mm左右，曲柄寬度為35mm左右，最小拔模斜度1度。型腔凹圓角小，型腔凹圓角大部分為R3，型腔本身復(fù)雜、拐點(diǎn)多，如圖片（一）。實(shí)現(xiàn)模具中、高硬度的高速切削，將會(huì)是模具加工技術(shù)的一次飛躍。
圖片（一）堆焊后，加工完成汽車鍛模
一、傳統(tǒng)鍛模加工和高硬度、高效切削加工的區(qū)別
傳統(tǒng)鍛模的加工方法是在模具鋼退火狀態(tài)進(jìn)行切削加工（主要是銑削加工），然后淬火，硬度≥HRC42后進(jìn)行磨削加工和電火花成型加工，留量進(jìn)行打磨、拋光、修型和貼配。這其中手工工序占了整個(gè)加工周期的很大一部分。整體加工的周期長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低。
高效切削加工是采用小切削量，通過(guò)刀具、程序、機(jī)床等，使切削性能的改善和切削力降低，保證效率。在保證零件精度和質(zhì)量的前提下，通過(guò)對(duì)加工過(guò)程的優(yōu)化，提高單位時(shí)間材料切除量來(lái)提高加工效率和設(shè)備利用率、降低生產(chǎn)成本的一種高性能加工技術(shù)。
通過(guò)對(duì)比，從提高單位時(shí)間材料切除量進(jìn)行研究，通過(guò)固化工藝方案、優(yōu)化切削路徑、參數(shù)、合理選用刀具等措施，實(shí)現(xiàn)高效、高硬度加工。
二、高效切削技術(shù)在銑削模具型腔工藝分析
在切削中單位時(shí)間的材料切除率取決于切寬、切深和每齒進(jìn)給量等；裝夾、找正、換刀等生產(chǎn)輔助時(shí)間同樣是影響生產(chǎn)效率的重要因素?？梢?jiàn)，高效加工涉及零件制造整個(gè)過(guò)程。加工工藝涉及毛坯制作、工藝路線制訂、工藝方法選取以及裝夾定位、刀具和切削參數(shù)等方面，是決定加工效率的關(guān)鍵技術(shù)。如何實(shí)現(xiàn)均勻的毛坯余量、方便快捷的裝夾方法、快速高效的材料切除過(guò)程是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品高效加工的關(guān)鍵。特別是切除過(guò)程中余量突變，切削力、機(jī)床負(fù)載都隨余量變化，直接影響整個(gè)程序段的切削速度。對(duì)整個(gè)工藝過(guò)程來(lái)說(shuō)，工序之間的合理銜接，均勻控制余量，是提高整體效率的關(guān)鍵。
針對(duì)堆焊曲軸鍛模的特點(diǎn)，其毛坯制作、裝夾定位基本是確定的，可看作常數(shù)對(duì)待。因此堆焊曲軸鍛模高效切削加工工藝的關(guān)鍵技術(shù)主要包括工藝方案確定（合理控制硬度）、切削方法和切削參數(shù)的優(yōu)化，數(shù)控編程技術(shù)及刀具路徑選擇。
首先在機(jī)械加工工藝方面研究刀具、切削參數(shù)、程序路徑是我們提效的著力點(diǎn)，即：通過(guò)確定合理的工藝方法、合理選用刀片，優(yōu)化切削參數(shù)、程序路徑。其次在熱處理工藝方面研究在保證質(zhì)量的前提下改善材料切削性能，最終達(dá)到高效率加工、低刀具消耗的目的。
三、高速切削技術(shù)在銑削鍛模具型腔中的應(yīng)用與分析
3.1 工藝方案確定（合理控制硬度）
通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出；堆焊曲軸鍛模硬度HRC50-HRC51時(shí)的加工效率是硬度為HRC56 -HRC58時(shí)的1.5倍，刀具消耗數(shù)量是其三分之一。新制造鍛模硬度在db=2.9-3.2(HRC40-47)。確定的工藝方案：完成加工平面后，在焊接區(qū)域平面內(nèi)進(jìn)行硬度測(cè)量，若硬度≥HRC51，增加回火工序，保證型腔硬度db=2.9-3.2(HRC40-47)，以改善切削性能。
3.2合理選用切削參數(shù)及刀具：
（1）切削方式的選擇
在高效切削加工中，應(yīng)盡量選用順銑加工，因?yàn)樵陧樸姇r(shí)，刀具剛切入工件產(chǎn)生的切屑厚度為最大，隨后逐漸減小。在逆銑時(shí)，刀具剛切入工件產(chǎn)生的切屑厚度為最小，隨后逐漸增厚，這樣增加了刀具與工件的摩擦，在刀刃上產(chǎn)生大量熱，所以在逆銑中產(chǎn)生的熱量比在順銑時(shí)多很多，徑向力也大大增加，緩解了高硬度切削時(shí)切削熱對(duì)刀具的損傷。同時(shí)在逆銑中刀刃受力狀態(tài)較順銑更為惡劣，降低了刀片的使用壽命，順銑和逆銑時(shí)刀具切入工件的過(guò)程，如圖（二）所示。
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順銑 逆銑
圖（二） 刀具切入工件的過(guò)程示意
刀具選則上通過(guò)分析加工中的切削原理和實(shí)際生產(chǎn)情況，主要考慮以下方面：
粗銑頂平面時(shí)用牛鼻子刀，它切削強(qiáng)勁，具有良好的穩(wěn)定性，加工中無(wú)振動(dòng)，金屬去除率高，結(jié)合齒距和刀片的選擇（直徑盡量大些，如63刀），同時(shí)具備鏡平面、陡峭面加工能力，并能保證良好的光潔度。與立銑刀相比它的側(cè)刃不易崩刀，與球頭刀相比，其步距可大，切削線速度高。
精銑型腔時(shí)我們選用球頭銑刀，球頭銑刀因切削過(guò)程中被加工曲面與銑刀球面的公法線經(jīng)過(guò)銑刀球面的球心，使干涉過(guò)切現(xiàn)象易于監(jiān)測(cè)，切削運(yùn)動(dòng)軌跡易于控制，刀體尺寸應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)考慮，盡量選擇長(zhǎng)徑比小的刀具。長(zhǎng)徑比最好控制在4：1以內(nèi)，更適合加工曲軸鍛模型腔的結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在加工中我們考慮刀具、產(chǎn)品特點(diǎn)盡量選用大直徑刀具，但執(zhí)行后一道程序的刀具的直徑要大于或等于執(zhí)行前一道程序刀具直徑的1/2，這樣才能保證這把刀具路徑覆蓋上一把刀具最后加工的路徑，不會(huì)在局部留有凸包，保證余量均勻和良好的切削環(huán)境。
局部精加工（清根），型腔凹圓角大部分為R3用φ6R3進(jìn)行精加工，可以一次把整個(gè)型腔加工完成，沒(méi)有接刀痕跡，表面粗糙度好。方法是要先求出R3刀具加工不到的邊界，再用三維偏置加工邊界里的曲面。刀具的懸伸長(zhǎng)度要60mm，刀具長(zhǎng)徑比達(dá)到了10 : 1切削穩(wěn)定性差，刀桿采用硬質(zhì)合金材料，提高刀具切削的穩(wěn)定性。在數(shù)控銑床上進(jìn)行過(guò)加工試驗(yàn)，由于主軸回轉(zhuǎn)精度高，通過(guò)控制切削參數(shù)，清根用φ6R3球頭刀在長(zhǎng)徑比達(dá)到10∶1的情況下，等高精加工6小時(shí)，刀具完好無(wú)損，一把刀可加工完成的一套塊曲軸鍛模。根據(jù)多年的加工與觀察，我們針對(duì)最小拔模角和最小圓角，選擇1°的錐度球頭銑刀，很好地滿足了加工策略的要求。
對(duì)于堆焊曲軸鍛模的加工，要提高加工效率，不能單純提高轉(zhuǎn)速與進(jìn)給。刀具長(zhǎng)徑比超過(guò)一定比例后，轉(zhuǎn)速不易太高，否則刀具擺動(dòng)加劇，磨損會(huì)更快。在選擇刀具及刀片時(shí)我們對(duì)這些因素進(jìn)行綜合考慮，取得了顯著效果。
刀片材質(zhì)選擇涂層刀片應(yīng)選擇高韌性硬質(zhì)合金，這是考慮到此類牌號(hào)刀片的切削刃安全性能好，可承受高硬度切削時(shí)刀具承受的巨大的徑向切削力以及劇烈的切入、切出沖擊。（氮化鈦鋁、氮化鈦涂層刀片）。它具有的硬度高、良好的切削性能，適合高硬度切削（滿足硬度為HRC42-45加工的全部條件）。刀片形狀上看，選擇圓形的刀片，因?yàn)閳A形刀片強(qiáng)度較高，避免了垂直切削，在切削高度變化時(shí)，鑄件離開垂直面，更好改善切削力，刀刃不易發(fā)生破損，即使刀片一個(gè)方位破損后，圓形刀片可變換多個(gè)方位使用，直到整個(gè)圓周都磨損才報(bào)廢，經(jīng)濟(jì)性高。長(zhǎng)方形或接近長(zhǎng)方形的刀片切削力變化大，磨損后刀片只可變換一次，刀具成本較高。
（2） 確定合理的切削參數(shù)
確定合理的切削參數(shù)，就是在充分考慮刀具耐用度的情況下對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。
以堆焊曲軸鍛模加工均采用硬質(zhì)合金刀具涂層刀具為例，故m為常值。即
T=（C0/v）1/m= C/v4 。
由此可見(jiàn)切削速度v 對(duì)刀具耐用度T的影響程度。即切削速度v越小，刀具耐用度T越大。但切削速度v小，勞動(dòng)生產(chǎn)率低，故不能一味地通過(guò)降低切削速度v達(dá)到提高刀具耐用度T的目的。應(yīng)研究在保證一定生產(chǎn)率的前提下，謀求刀具最小消耗即提高刀具耐用度T。通過(guò)實(shí)驗(yàn)法可求出切削深度ap,進(jìn)給量f對(duì)刀具耐用度T的影響關(guān)系，其關(guān)系為：
T= CT/ (V 1/m f1/m1 ap 1/m2)
經(jīng)過(guò)試驗(yàn)我們確定了優(yōu)化的切削參數(shù)配比。即粗精加工時(shí)的切削參數(shù)情況見(jiàn)下表：
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加工硬度
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加工深度
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切削參數(shù)
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吃刀量（mm）
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切削速度（m/min）粗加工
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切削速度（m/min）精加工
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HRC45-50
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0-30
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0.3
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650-700
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1000-1400
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31-65
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0.4
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750-800
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1200-1500
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HRC50-52
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0-30
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0.3
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600
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1000-1200
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31-65
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0.4
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700-800
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1200-1500
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3.3 優(yōu)化數(shù)控編程及刀具路徑：
數(shù)控程序的編制應(yīng)盡量使刀具承受載荷均勻，避免刀具走刀方向的突然變化，避免因局部過(guò)切而造成刀具的損壞。通過(guò)數(shù)控編程程序補(bǔ)償機(jī)床CAM系統(tǒng)能根據(jù)加工瞬時(shí)余量的大小，自動(dòng)對(duì)進(jìn)給率進(jìn)行優(yōu)化處理，可減少刀具損壞。在加工方法上采用層銑深度優(yōu)先，這樣可降低抬刀次數(shù)；刀具進(jìn)刀采用斜插入，避免刀具突然承受巨大載荷而造成刀具的損壞。盡量減少刀具的急速換向，同時(shí)考慮加工不同階段采用不同程序。粗加工中的修圓和光弧連接功能都應(yīng)去掉，這樣可減少重復(fù)刀路，提高效率。對(duì)數(shù)控粗加工程序刀路及數(shù)控程序模擬效果進(jìn)行模擬分析（見(jiàn)圖三），確認(rèn)數(shù)控程序刀路的可靠性，分析得出無(wú)過(guò)切及刀具碰撞現(xiàn)象。在優(yōu)化程序時(shí)盡量考慮加工余量徑向大于軸向，主要是考慮到走刀時(shí)，如果刀具發(fā)生斷刀現(xiàn)象，徑向比軸向更容易扎刀。
圖片（三）數(shù)控程序模擬效果圖
為提高加工效率及保證刀具強(qiáng)度，粗加工時(shí)選擇的刀具直徑較大，導(dǎo)致精加工時(shí)加工余量不均勻，為了保證加工后產(chǎn)品的表面質(zhì)量，精加工時(shí)采用的程序應(yīng)充分考慮刀片的磨損及刀片自身的耐沖擊性，盡量保證清根時(shí)余量均勻。進(jìn)行了數(shù)控精加工程序參數(shù)設(shè)計(jì)及數(shù)控精加工程序刀路設(shè)計(jì)。示意圖見(jiàn)圖片（四）。
圖片（四）數(shù)控精加工程序刀路示意圖 圖片（五）清根刀路局部放大圖
在切削加工中主要選擇回路或單一路徑切削。這是因?yàn)樵趽Q向時(shí)，機(jī)床主軸速度有緩沖過(guò)程(緊急降速)然后再執(zhí)行下一步操作；機(jī)床再次運(yùn)行程序加速到正常速度需要一定時(shí)間，對(duì)表面精度、加工效率均有影響，且有可能在拐點(diǎn)處發(fā)生過(guò)切，打刀、啃刀現(xiàn)象。選擇單一路徑切削模式來(lái)進(jìn)行切削，盡可能地不中斷切削過(guò)程，盡量減少刀具的切入切出次數(shù)，以期獲得相對(duì)穩(wěn)定的切削過(guò)程。進(jìn)行局部精加工時(shí)一定要區(qū)分型面是陡峭區(qū)域還是平面區(qū)域，陡峭區(qū)域采用分層加工，這樣可有效的減小切削力，平面區(qū)域采用由外向內(nèi)環(huán)繞加工，可減小了切削力同時(shí)有效提高切削效率，避免球刀中心連續(xù)切削。如圖片（五）為局部精加工刀路局部放大圖。
四、結(jié)束語(yǔ)
在加工工藝中引進(jìn)高效加工的概念思想，可以改進(jìn)我們的模具設(shè)計(jì)、提高模具生產(chǎn)效率、降低模具整體成本有著深遠(yuǎn)的意義，為我們的模具產(chǎn)品以高質(zhì)量、高效率、高壽命、低工期、低成本的姿態(tài)走向市場(chǎng)、爭(zhēng)取了更大的空間。
參考文獻(xiàn)
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