鍛造上心盤模具設(shè)計和制造

文/姜長明，紀(jì)洪凱·齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司

Pro/E和MasterCAM計算機兩大設(shè)計制造軟件，具有強大的設(shè)計、加工和分析能力。其打破了傳統(tǒng)的設(shè)計制造觀念，給模具設(shè)計和制造帶來了全新的理念。通過建立與實物產(chǎn)品完全相同的數(shù)字模型，利用Pro/MolDesign模具設(shè)計功能快速完成分模及模具型腔設(shè)計，然后通過MasterCAM軟件對模具型腔進行加工，減少傳統(tǒng)設(shè)計、制造過程中的失誤，提高產(chǎn)品質(zhì)量。本文以上心盤的模具設(shè)計、制造及驗證為例進行介紹。

鍛造上心盤工藝分析

零件結(jié)構(gòu)分析

鍛造上心盤為矩形盤類零件，如圖1所示，外形對稱，無尖角，厚度方向尺寸小且變化不大。因此，宜采用板坯進行模鍛。上心盤的形狀尺寸具有以下特點：

⑴鍛件的長度(寬度)與高度相差很大。

⑵鍛件的水平投影面積很大。

⑶鍛件有較大的法蘭部分。

在制定模鍛工藝及設(shè)計模膛時，應(yīng)當(dāng)考慮到這些因素的影響。

工藝流程確定

根據(jù)分析，上心盤的鍛造工藝流程為制坯→模鍛→切邊。

Pro/E模具設(shè)計

受金屬塑性變形流動的限制，根據(jù)工藝分析，鍛造上心盤的模具分為制坯、模鍛和切邊等幾套模具來完成。每套鍛造模具的上下模腔是根據(jù)相應(yīng)的鍛造工件來設(shè)計完成的，下面是鍛造上心盤的模具設(shè)計過程。

Pro/E鍛造模具設(shè)計流程

圖2是Pro/E鍛造模具設(shè)計流程圖。

圖1 鍛造上心盤

圖2 Pro/E鍛造模具設(shè)計流程圖

產(chǎn)品零件設(shè)計

由于上心盤鍛造后還需要進行加工，為了便于拔模，提高模具的使用壽命，周邊輪廓按3°～5°，型腔按1°～3°進行拔模斜度設(shè)計，設(shè)計后進行拔模斜度檢驗，見圖4。根據(jù)熱鍛模具的熱收縮率取收縮率為15‰。進行分型面設(shè)計，利用Pro/E的投影曲面功能，結(jié)合曲面的延伸、修剪及合并等功能完成模具的分模面的設(shè)計，見圖5，然后進行飛邊槽、模座、模具導(dǎo)向等結(jié)構(gòu)設(shè)計并進行上下模膛的分割、抽取和鍛造工件的提取。為了保證模具設(shè)計合理性，需要進行模具開模分析，如圖6所示。

圖3 終鍛產(chǎn)品模型圖

圖4 拔模斜度檢驗

圖5 鍛件分模面圖

圖6 模具分解圖

模具制造

MasterCAM是由美國CNC Software公司開發(fā)的基于微機的CAD/CAM軟件，由于MasterCAM在復(fù)雜外形及各種空間曲面的模具類零件的建模和造型設(shè)計方面具有很強的功能，因此在市場占有率很高。其主要特點是：

⑴提供可靠與精確的刀具路徑。

⑵可以直接在曲面及實體上加工。

⑶提供多種加工方式。

⑷提供完整的刀具庫、材料庫及加工參數(shù)資料庫。

⑸擁有車削、銑削、鉆削、線切割等多種加工模塊，允許用戶通過觀察刀具運動來圖形化地編輯和修改刀具路徑。

⑹軟件提供多種圖形文件接口，包括DXF、IGES、STL、STA、ASCII等。

MasterCAM加工程序的流程

MasterCAM加工程序的流程圖見圖7。

圖7 MasterCAM加工制造流程圖

鍛造上心盤模具制造

1.導(dǎo)入CAD模型信息。為了便于MasterCAM軟件的調(diào)用，將前面Pro/E設(shè)計的上心盤上模體存儲為iges的文件格式，作為參照模型完成加工模型的建立，如圖8所示。

圖8 上心盤加工模型和工件模型

2.參數(shù)設(shè)置。參數(shù)設(shè)置主要根據(jù)模具的形狀特征、功能及精度、粗糙度等要求進行加工工藝分析，確定加工區(qū)域、加工性質(zhì)、走刀方式、刀具、加工工藝參數(shù)等選擇。

⑴加工對象。通過對模型和加工經(jīng)濟性分析，選用機床是數(shù)控設(shè)備（數(shù)控銑或是加工中心等）還是普通設(shè)備加工，是用銑削加工還是鉆削加工。本次的上心盤模具加工為了降低成本和提高數(shù)控機床的利用率，外形輪廓的粗加工在普通設(shè)備上完成，型面和精加工在數(shù)控銑床上加工完成。

⑵刀具設(shè)置。數(shù)控刀具的種類很多，但刀具主要有3種形式，即平刀、圓鼻刀和球頭刀。平刀用于平面、外形的粗精加工；圓鼻刀主要用于模具、平面、側(cè)面的粗精加工，適合加工較硬的材料，常用刀具圓角為0.2～6mm；球頭刀主要用于曲面精加工。上心盤模具曲面較多，除外輪廓采用圓鼻刀外，大部分采用球頭刀加工。

加工工藝參數(shù)設(shè)置。在CAM軟件中與切削相關(guān)的參數(shù)主要有主軸轉(zhuǎn)速(Spindle speed)、進給速率(Cut feed)、刀具切入時的進給速率(Lead in feed rate)、步距寬度（Step-over）和切削深度（Step depth）等。

①主軸轉(zhuǎn)速的選擇與刀具的耐用度密切相關(guān)，當(dāng)工件材料、刀具材料和結(jié)構(gòu)確定后，切削速度就成為影響刀具耐用度的最主要因素，過低或過高的切削速度都會使刀具耐用度急劇下降。在模具加工，尤其是模具的精加工時，應(yīng)盡量避免中途換刀，以得到較高的加工質(zhì)量，因此，應(yīng)結(jié)合刀具耐用度，認(rèn)真選擇切削速度。

②進給速度的選擇直接影響著模具零件的加工精度和表面粗糙度，工件的硬度和強度越高，每齒進給量越小。硬質(zhì)合金銑刀比同類高速鋼銑刀每齒進給量要高，當(dāng)加工精度和表面粗糙度要求較高時，應(yīng)選擇較低的進給量。刀具切入進給速度應(yīng)小于切削進給速度。

③步距寬度的大小主要受機床、工件和刀具剛度的限制，其選擇原則是在滿足工藝要求和工藝系統(tǒng)剛度許可的條件下，盡可能大，以提高加工效率。對于加工精度和表面粗糙度要求高的工件，應(yīng)留0.2～0.5mm的精加工余量。在粗加工時，需要分層切削，即切削深度。本次模具加工采用曲面粗加工。

④切削方式設(shè)置。切削方式是指加工過程中刀具軌跡的分布形式，即加工時刀具相對工件的運動方式。在數(shù)控加工中，切削方式和走刀方式的選擇直接影響著模具零件的加工質(zhì)量和加工效率。其選擇原則是根據(jù)被加工零件表面的幾何特征，在保證加工精度的前提下，使切削時間盡可能短，切削過程中刀具受力平穩(wěn)。在模具加工中，常用的切削方式包括單向走刀、往復(fù)走刀和環(huán)切走刀三種形式。

⑤刀具的切入與切出。其中刀具垂直切入切出工件是最簡單、最常用的方式，適用于工件外部切入的凸模類工件的粗加工和精加工以及模具型腔側(cè)壁的精加工，刀具以斜線或螺旋線切入工件常用于較軟材料的粗加工。

3.刀具軌跡模擬。參數(shù)設(shè)定后，進行刀具的軌跡模擬運動，來檢查刀具路徑的正確性，及干涉檢查、刀具的起始位置檢查。

4.后處理。刀具軌跡模擬沒有問題后進行后處理操作，將NCL刀具文件轉(zhuǎn)換成支持機床運動的NC代碼。

模具驗證

根據(jù)上心盤的幾何形狀、尺寸及坯料的鍛造比，取材質(zhì)為25Mn的鋼板做為坯料，坯料尺寸為398mm×425mm×60mm(坯料重量按G坯料=G鍛件+G燒損+G料頭)，鍛造參數(shù)按模具速度69mm/min，時間步長0.01s進行試模鍛造，在鍛造過程中及時進行模腔的清理和均勻噴涂潤滑劑，試模鍛件毛坯完全充滿模膛，鍛造質(zhì)量良好，說明模具結(jié)構(gòu)和坯料尺寸設(shè)計合理。目前該鍛模已鍛造出8000多件產(chǎn)品，說明模具選材和模具表面處理得當(dāng)，可以大大提高模具壽命。

結(jié)束語

通過鍛造上心盤模具設(shè)計、制造和生產(chǎn)驗證，利用Pro/E其參數(shù)化、全相關(guān)性的特點設(shè)計模具和用MasterCAM模具制造過程，克服2D模具設(shè)計及制造的不足，同時提高了模具設(shè)計效率。利用其CAD/CAE集成功能，提高設(shè)計資源的可重復(fù)利用率，減少了設(shè)計與制造中的失誤，通過產(chǎn)品的全相關(guān)性設(shè)計與制造（CAD/CAM）來提高企業(yè)的競爭實力和經(jīng)濟效益有著重要的意義。