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堆焊曲軸鍛模高效加工技術
劉桂萍 彭志國 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
（內蒙一機集團瑞特工模具有限公司）
摘要：本文針對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，通過對影響因素進行理論分析和實驗研究，提出采用優化切削參數，刀具選用、合理編程等方法提高鍛模的整體加工質量，合理控制的控制成本。
關鍵詞 ：堆焊曲軸鍛模、高硬度、高硬度切削
引 言
利用報廢模體，采用增材技術對鍛模進行生產，堆焊后型腔硬度為HRC55-60。加工極其困難，生產效率低。以重車曲軸鍛模為例，其結構特點是曲柄部位深、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，型腔本身復雜、拐點多，如圖片（一）。實現模具中、高硬度的高速切削，將會是模具加工技術的一次飛躍。
圖片（一）堆焊后，加工完成汽車鍛模
一、傳統鍛模加工和高硬度、高效切削加工的區別
傳統鍛模的加工方法是在模具鋼退火狀態進行切削加工（主要是銑削加工），然后淬火，硬度≥HRC42后進行磨削加工和電火花成型加工，留量進行打磨、拋光、修型和貼配。這其中手工工序占了整個加工周期的很大一部分。整體加工的周期長，生產效率低。
高效切削加工是采用小切削量，通過刀具、程序、機床等，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量的前提下，通過對加工過程的優化，提高單位時間材料切除量來提高加工效率和設備利用率、降低生產成本的一種高性能加工技術。
通過對比，從提高單位時間材料切除量進行研究，通過固化工藝方案、優化切削路徑、參數、合理選用刀具等措施，實現高效、高硬度加工。
二、高效切削技術在銑削模具型腔工藝分析
在切削中單位時間的材料切除率取決于切寬、切深和每齒進給量等；裝夾、找正、換刀等生產輔助時間同樣是影響生產效率的重要因素。可見，高效加工涉及零件制造整個過程。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、刀具和切削參數等方面，是決定加工效率的關鍵技術。如何實現均勻的毛坯余量、方便快捷的裝夾方法、快速高效的材料切除過程是實現產品高效加工的關鍵。特別是切除過程中余量突變，切削力、機床負載都隨余量變化，直接影響整個程序段的切削速度。對整個工藝過程來說，工序之間的合理銜接，均勻控制余量，是提高整體效率的關鍵。
針對堆焊曲軸鍛模的特點，其毛坯制作、裝夾定位基本是確定的，可看作常數對待。因此堆焊曲軸鍛模高效切削加工工藝的關鍵技術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的優化，數控編程技術及刀具路徑選擇。
首先在機械加工工藝方面研究刀具、切削參數、程序路徑是我們提效的著力點，即：通過確定合理的工藝方法、合理選用刀片，優化切削參數、程序路徑。其次在熱處理工藝方面研究在保證質量的前提下改善材料切削性能，最終達到高效率加工、低刀具消耗的目的。
三、高速切削技術在銑削鍛模具型腔中的應用與分析
3.1 工藝方案確定（合理控制硬度）
通過實驗得出；堆焊曲軸鍛模硬度HRC50-HRC51時的加工效率是硬度為HRC56 -HRC58時的1.5倍，刀具消耗數量是其三分之一。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，在焊接區域平面內進行硬度測量，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合理選用切削參數及刀具：
（1）切削方式的選擇
在高效切削加工中，應盡量選用順銑加工，因為在順銑時，刀具剛切入工件產生的切屑厚度為最大，隨后逐漸減小。在逆銑時，刀具剛切入工件產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，在刀刃上產生大量熱，所以在逆銑中產生的熱量比在順銑時多很多，徑向力也大大增加，緩解了高硬度切削時切削熱對刀具的損傷。同時在逆銑中刀刃受力狀態較順銑更為惡劣，降低了刀片的使用壽命，順銑和逆銑時刀具切入工件的過程，如圖（二）所示。
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順銑 逆銑
圖（二） 刀具切入工件的過程示意
刀具選則上通過分析加工中的切削原理和實際生產情況，主要考慮以下方面：
粗銑頂平面時用牛鼻子刀，它切削強勁，具有良好的穩定性，加工中無振動，金屬去除率高，結合齒距和刀片的選擇（直徑盡量大些，如63刀），同時具備鏡平面、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。
精銑型腔時我們選用球頭銑刀，球頭銑刀因切削過程中被加工曲面與銑刀球面的公法線經過銑刀球面的球心，使干涉過切現象易于監測，切削運動軌跡易于控制，刀體尺寸應結合結構特點來考慮，盡量選擇長徑比小的刀具。長徑比最好控制在4：1以內，更適合加工曲軸鍛模型腔的結構復雜。在加工中我們考慮刀具、產品特點盡量選用大直徑刀具，但執行后一道程序的刀具的直徑要大于或等于執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，不會在局部留有凸包，保證余量均勻和良好的切削環境。
局部精加工（清根），型腔凹圓角大部分為R3用φ6R3進行精加工，可以一次把整個型腔加工完成，沒有接刀痕跡，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。刀具的懸伸長度要60mm，刀具長徑比達到了10 : 1切削穩定性差，刀桿采用硬質合金材料，提高刀具切削的穩定性。在數控銑床上進行過加工試驗，由于主軸回轉精度高，通過控制切削參數，清根用φ6R3球頭刀在長徑比達到10∶1的情況下，等高精加工6小時，刀具完好無損，一把刀可加工完成的一套塊曲軸鍛模。根據多年的加工與觀察，我們針對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。
對于堆焊曲軸鍛模的加工，要提高加工效率，不能單純提高轉速與進給。刀具長徑比超過一定比例后，轉速不易太高，否則刀具擺動加劇，磨損會更快。在選擇刀具及刀片時我們對這些因素進行綜合考慮，取得了顯著效果。
刀片材質選擇涂層刀片應選擇高韌性硬質合金，這是考慮到此類牌號刀片的切削刃安全性能好，可承受高硬度切削時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，因為圓形刀片強度較高，避免了垂直切削，在切削高度變化時，鑄件離開垂直面，更好改善切削力，刀刃不易發生破損，即使刀片一個方位破損后，圓形刀片可變換多個方位使用，直到整個圓周都磨損才報廢，經濟性高。長方形或接近長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
確定合理的切削參數，就是在充分考慮刀具耐用度的情況下對切削參數進行優化。
以堆焊曲軸鍛模加工均采用硬質合金刀具涂層刀具為例，故m為常值。即
T=（C0/v）1/m= C/v4 。
由此可見切削速度v 對刀具耐用度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，勞動生產率低，故不能一味地通過降低切削速度v達到提高刀具耐用度T的目的。應研究在保證一定生產率的前提下，謀求刀具最小消耗即提高刀具耐用度T。通過實驗法可求出切削深度ap,進給量f對刀具耐用度T的影響關系，其關系為：
T= CT/ (V 1/m f1/m1 ap 1/m2)
經過試驗我們確定了優化的切削參數配比。即粗精加工時的切削參數情況見下表：
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加工硬度
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加工深度
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切削參數
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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 優化數控編程及刀具路徑：
數控程序的編制應盡量使刀具承受載荷均勻，避免刀具走刀方向的突然變化，避免因局部過切而造成刀具的損壞。通過數控編程程序補償機床CAM系統能根據加工瞬時余量的大小，自動對進給率進行優化處理，可減少刀具損壞。在加工方法上采用層銑深度優先，這樣可降低抬刀次數；刀具進刀采用斜插入，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去掉，這樣可減少重復刀路，提高效率。對數控粗加工程序刀路及數控程序模擬效果進行模擬分析（見圖三），確認數控程序刀路的可靠性，分析得出無過切及刀具碰撞現象。在優化程序時盡量考慮加工余量徑向大于軸向，主要是考慮到走刀時，如果刀具發生斷刀現象，徑向比軸向更容易扎刀。
圖片（三）數控程序模擬效果圖
為提高加工效率及保證刀具強度，粗加工時選擇的刀具直徑較大，導致精加工時加工余量不均勻，為了保證加工后產品的表面質量，精加工時采用的程序應充分考慮刀片的磨損及刀片自身的耐沖擊性，盡量保證清根時余量均勻。進行了數控精加工程序參數設計及數控精加工程序刀路設計。示意圖見圖片（四）。
圖片（四）數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。這是因為在換向時，機床主軸速度有緩沖過程(緊急降速)然后再執行下一步操作；機床再次運行程序加速到正常速度需要一定時間，對表面精度、加工效率均有影響，且有可能在拐點處發生過切，打刀、啃刀現象。選擇單一路徑切削模式來進行切削，盡可能地不中斷切削過程，盡量減少刀具的切入切出次數，以期獲得相對穩定的切削過程。進行局部精加工時一定要區分型面是陡峭區域還是平面區域，陡峭區域采用分層加工，這樣可有效的減小切削力，平面區域采用由外向內環繞加工，可減小了切削力同時有效提高切削效率，避免球刀中心連續切削。如圖片（五）為局部精加工刀路局部放大圖。
四、結束語
在加工工藝中引進高效加工的概念思想，可以改進我們的模具設計、提高模具生產效率、降低模具整體成本有著深遠的意義，為我們的模具產品以高質量、高效率、高壽命、低工期、低成本的姿態走向市場、爭取了更大的空間。
參考文獻
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