高速切削技術在連桿鍛模制造中的研究和應用

時間：2024-05-21 18:03:49 模具設計

　　1 連桿鍛模的發展現狀和趨勢

高速切削技術在連桿鍛模制造中的研究和應用

　　在現代工業飛速發展的今天，連桿鍛造企業在激烈的市場競爭中能否占得優勢，除產品種類、質量、生產規模外，新產品開發及其開發周期尤為關鍵，而模具又在新產品的開發中占有舉足輕重的作用。現代工業中，模具領先、模具設計與制造工藝先進、開發周期短，成為了新產品占領市場的關鍵因素。在汽車工業中，過去新車型的更新換代周期一般為5～10年，現在則縮短為1～3年，這一切都得益于模具設計與制造水平的提高。連桿鍛模作為連桿生產的模具，其質量、交貨期和價格成為新品連桿開發成敗的關鍵因素。我國連桿鍛模的發展主要經歷了3個過程：靠模加工、電火花加工、高速加工技術。

　　1.1靠模加工

　　回顧以前，在加工連桿模具時，必須繪制詳盡的藍圖和具有按照鍛件精確尺寸制造的主模型。按照一定比例制成的模型稱為靠模，常被用作仿形加工中的母型，或作為顯示床加工軌跡的輔助模型。成形床上的靠模指沿靠模輪廓形狀移動，刀則按照靠模指的移動對模具材料進行削加工，仿出所需的模具型腔。靠模加工具有以下特點與優勢：

　　(1)需制造靠模，生產周期長，精度不高，且同批次模具尺寸不一致;

　　(2)直觀，制造一個靠模可加工多個模塊。靠模加工發展到現在，已經發生了根本的變化，通過數字化一個實物模型的NC程序，只需要在模型上掃描，所得到的點集云將在所有附加的計算中被使用，通過閱讀由數字化生成的點集云，進行削仿形加工。

　　1.2電火花加工

　　電火花(EDM)是加工連桿模具的另一種主要方法，其工藝流程為：加工連桿電極(石墨或紫銅)-電火花成形及放電加工-手工或電動對模具型腔進行拋磨-形成連桿模具。

　　電火花成形機放電加工是目前普遍使用的連桿模具加工方法，不難看出，其工藝過程較為復雜，電火花加工效率較低，模具加工周期相對較長，但可加工淬火后的模坯。

　　1.3高速加工技術

　　近幾年，隨著加工設備件能的提高，以及加工設備所使用刀具性能指標的迅速改善，使高速加工這一新技術變得日益成熟，大大提高了模具加工中的切削速度，縮短了模具的生產周期。這項新技術的應用，也減少了加工模具的工序，使加工模具的工藝過程變得更加合理，縮短甚至避免了模具的拋光過程，解決了連桿鍛造模具制造所面臨的部分難題。

　　2 高速加工技術

　　高速加工技術是指采用超硬材料的刃具，通過極大地提高切削速度和進給速度來提高材料切除率、加工精度和加工質量的現代加工技術。由于不同的加工工序、不同的工件材料有不同的切削速度范圍，因而很難就高速切削的速度范圍給定某一確定的數值。

　　高速切削(High Speed Chtting，HSC)與普通切削的主要區別在于切削速度、加速度及主軸的轉速等。通常情況下，高速切削時切削進給速度比普通切削高5～15倍，可達到15～70 m·min-1;加速度高5～10倍;主軸轉速高5～10倍，可達到15000～70000 r·min-1。

　　3 高速數控加工技術在連桿模具中的應用

　　3.1 高速加工連桿模具的優點

　　高速加工技術的應用可簡化工藝流程和改善工件質量。在加工模具時，采用高速切削，可以提高加工進給速度，降低加工時間而減少制造費用。如果保持切削時間不變，可減少進刀量，增加切削次數，降低切削力，從而提高表面光潔度，使通過手工拋光的部分全部省去或減少到最低的工作量。

　　(1)提高連桿模具加工的速度。高速加工技術的采用，使刀具在很高的轉速下(一般超過15000 r·min-1)工作，同時使機床具有高的進給速度和加速度，大大提高金屬切除率。在中、精加工時，盡管高速加工采取了非常小的進給量與切削深度，但從材料去除速度上相比較，高速加工比普通加工快2～4倍，仍然提高了生產率和降低了生產周期;同時，高速加工可以進行硬切削，根據其加工特性，可獲得很高的表面質量及形狀精度，比放電加工(EDM)提高效率50%以上，減少了模具在手工修磨與拋光上耗費的時間。

　　(2)可獲得高質量的加工表面。高速切削可以減小切削力，降低切削振動，提高加工質量;提高切削速度和進給速度以減少進給量，進而改善工件的形狀精度和表面粗糙度，可獲得Ra≤10μm的加工表面粗糙度。高速切削熱大部分由切屑帶走，工件發熱少，形狀精度可達5μm。

　　(3)可直接加工高硬度的連桿模具材料。如加工硬度達60 HRC的模塊，對電火花成形加工方法提出了挑戰。

　　(4)延長連桿模具壽命。避免EDM加工產生的表面損傷，提高模具壽命20%～50%。

　　(5)連桿模具修復過程更加方便。在鍛造過程中，若模具型腔局部破損，需要進行多次修復，以延長模具的使用壽命。在過去，所采用的手段主要是靠放電加工來完成。而現在，使用高速加工技術，用原NC程序，無需重新編制，且能做到精確無誤地將模具型腔迅速修復。

　　(6)簡化了連桿模具加工工序。傳統加工連桿鍛造模具的工藝方法是在淬火之前進行金屬切削，然后進行淬火，因為淬火容易造成模具變形，這時必須要經手工修整或采用放電加工成形。有了高速機床加工技術，則可以通過高速加工來直接加工淬火以后的模具材料形成模具型腔，節省了電極材料、電極加工以及放電加工模具型腔的過程及費用，而且還可以避免放電加工所導致的表面硬化及微觀裂紋。高速加工可使用較小直徑的刀具對圓角及模具進行精細加工，省去了手工修整工藝過程，從而達到降低生產成本的目的。

　　(7)有利于更復雜連桿模具型面加工。成形表面采用硬切削加工，表面質量及形狀精度都有很大的提高，而且還可獲得較低的粗糙度值和較高表面光潔度，加工復雜表面更具有優勢;結合CAD/CAM快速加工技術，高速加工特別適合形狀復雜模具的加工。

　　3.2連桿模具高速加工機床

　　目前，國外生產高速加工機床的廠家很多，國內也有若干合資或合作生產廠家。小管是哪款高速機床，首先足要有高的速度，即高的主軸轉速;另一方面，又應有高的進給速度，機床還要具有快速移動、快速換刀、高的主軸加速度和進給加速度，只有達到了上述標準，才能稱之為高速加上機床。

　　此外，要做到真正的高速加工，機床的結構和普通的加工中心也不同，要做到加工不同規格的模具(承量從幾公斤至若干噸)，其動態特性必須保持良好，若采用普通加工中心的結構，在加工模具時，其傳動部件由于頻繁的啟動與制動，啟動力及制動力過大，會降低傳動部件的壽命。

　　圖1所示是典型高速加工機床的結構，金字塔式結構，具有寬的導軌和低的工作中心;工作臺固定不動，運動單元的慣性是常數;在很短的時間內，可加速到很高的速度(在0.1s內，坐標軸的運動速度從0增加到30 m·min-1

　　3.3 連桿模具CAD/CAM

　　計算機輔助沒計(CAD)和計算機輔助制造(CAM)，簡稱CAD/CAM，是指計算機作為主要技術手段，生成和運用各種數字信息與圖形信息，進行產品的設計和制造。

　　CAD/CAM技術特別適合于數量少、品種多的產品開發，模具正是這樣一個典型產品。因此，鍛模CAD/CAM是一個企業所不可缺少的。

　　鍛模CAD/CAM一體化是將CAD與CAM有機的聯系起來，利用鍛模CAD的三維信息自動生成NC加工程序，實現鍛模的無圖化加工。

　　3.5連桿模具高速加工工藝技術

　　連桿模j}粗加工主要是指在盡量短的時間內將材料去除，形成模具的大致型腔，并為中精加T準備工件的幾何輪廓。

　　連桿模具中精加工主要是指對工件輪廓形狀進一步加工，在模具表面形成均勻的余量，為精加工做準備。中精加工在模具制造環節非常重要，因為精加工時刀具切削過程的穩定性及精加下表面質量直接受中精加工切削余量均勻性的影響。余量不均勻，會導致刀具承受的載倚發牛變化，刀具受沖擊使切削過程不穩定，造成刀具磨損不均勻，導致加工表面質量下降。在切削過程中由于切削層金屬面積發生變化，也會造成切削過程不穩定。目前，開發的許多CAM軟件通過計算，獲得恒定的切削層面積和材料去除率，使切削載荷與刀具磨損速率保持恒定的切削條件，從而提高刀具壽命和獲得良好的加工質量。

　　連桿模具精加工取決于刀具與工件的接觸點，在模具的高速精加工中，在每次切入、切出工件時，進給方向的改變應盡量采用圓弧或曲線轉接，避免采用直線轉接，以保持切削過程的平穩性，以獲得最佳加工表面質量。

　　基于以上連桿模具從粗加工、中精加工至精加工階段不同的加工特性，其最佳的高速加工工藝流程為：連桿模具材料淬火前，進行粗加工，去除大量的金屬材料，形成大致的幾何輪廓;然后對模塊進行淬火，對淬火后的模塊進行中精加工然后再精加工。這樣可以減少刀具磨損、降低使用刀具成本，縮短模具生產周期。

　　4 結語

　　我國連桿鍛模從起步到飛躍發展，歷經了幾十年的時間，尤其是近幾年來，我國連桿鍛模技術有了突飛猛進的發展。不僅連桿鍛模產量大幅提高，而且制造水平上了一個新臺階，逐步與世界發達國家接軌，模具的精密度、復雜性、高效益和長壽命有了較大提高。

　　高速切削加工技術是一項全新的、正在發展之中的先進實用技術，在工業發達國家已得到廣泛的應用，取得了巨大的經濟和社會效益。在我國高速切削加工技術的開發和應用還處于初步階段，還有大量研究、開發工作需要進行。模具市場對高速加工有強烈需求，國內已進口了大批高速加工設備，也開發了多種高速機床和加工中心，但目前就國內的總體狀況來看，技術同發達國家相比存在起步晚，基礎較差，整體技術水平不高等問題。這需要各個方面協調發展，加大產學研結合，綜合利用各個方面力量推動高速切削在模具制造中的應用。大力發展和推廣應用模具高速加工技術，對我國模具制造業整體技術水平和經濟效益的提高具有重要意義。

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