發(fā)動(dòng)機(jī)搖臂軸支架壓鑄模制造工藝分析

易友瓊 莊錚

摘要：本文旨在介紹發(fā)動(dòng)機(jī)搖臂軸支架模具制造工藝過(guò)程分析，包括加工過(guò)程安排、CAD模型準(zhǔn)備、刀具選擇、數(shù)控程序編寫(xiě)、加工路徑、加工參數(shù)、及設(shè)計(jì)加工電極,采用電火花成型加工中應(yīng)當(dāng)注意的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：模具制造工藝、數(shù)控銑加工、電火花成型加工

Die Manufacturing Process Planning of Engine Suppott

Yi Youqiong，Zhuang Zheng

Abstract: This paper aims to introduce the die manufacturing process planning of engine bracket, including process arrangement, CAD model preparation, tool selection, NC programming, machining path and parameters, design and machining of electrode, and the attention should be paid to the electric spark machine-shaping.

Keywords: mold manufacturing process planning、 NC milling machining、 electric spark machine-shaping.

1.引言

隨著國(guó)內(nèi)汽車(chē)工業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)汽車(chē)零部件的要求也越來(lái)越高，全國(guó)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)上許多零件是高壓鑄造成型。這其中，壓鑄模具的制造是重要的一環(huán)，壓鑄模的精度直接影響汽車(chē)零部件的質(zhì)量。本文就發(fā)動(dòng)機(jī)搖臂軸5#支架模具制造工藝過(guò)程進(jìn)行分析，在進(jìn)行壓鑄模具制造前根據(jù)工件的具體形狀，制定出完整的加工流程：包括加工過(guò)程安排、CAD模型準(zhǔn)備、刀具選擇、程序編制及采用電加工等。合理的加工工藝規(guī)劃對(duì)提高壓鑄模的加工效率和加工質(zhì)量，尤其對(duì)于大型復(fù)雜模具，具有十分重要的意義。

湛江德利化油器有限公司是一家以高壓鑄造為基礎(chǔ)的汽車(chē)零部件制造企業(yè)，擁有自主開(kāi)發(fā)壓鑄模能力。為了縮短模具的制造周期，加快新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)速度，提高模具制造水平，該公司先后引進(jìn)了意大利菲迪亞DIGIT 165型高速數(shù)控銑床，瑞士阿奇夏米爾慢走絲線切割及電火花機(jī)床，并配置了美國(guó)PTC公司的PRO/E、英國(guó)DELCAM公司的POWERSHAPE、POWERMILL等三維CAD/CAM軟件，為壓鑄模制造提供了很好的基礎(chǔ)。筆者結(jié)合實(shí)際以發(fā)動(dòng)機(jī)搖臂支架為例，對(duì)模具的制造、數(shù)控加工及編程和電極加工成型做一些分析，探討和積累壓鑄模制造的有益經(jīng)驗(yàn)，從而提高模具制造精度。

2.產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和模具介紹

發(fā)動(dòng)機(jī)搖臂軸5#支架是本田13款系列發(fā)動(dòng)機(jī)支架中最為復(fù)雜的零件，在三維方向都有尺寸要求，如圖1、圖2所示。

圖1：搖臂軸5#支架

圖2：搖臂軸5#支架實(shí)物

搖臂軸支架模具經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、評(píng)審和完善，然后把模具3D和2D傳到模具制造部門(mén)，開(kāi)始模具制造。圖3為搖臂軸5#支架壓鑄模部分成型部件三維。

圖3：部分成型部件三維

這套模具制造有兩個(gè)難點(diǎn)：

①滑道配合面的加工。為了保證配合面的質(zhì)量，滑道配合面直接用高速銑削加工到尺寸。裝配時(shí)，鉗工基本不用修配。由于搖臂軸5＃支架左滑道配合面為異形曲面，給高速銑削加工帶來(lái)了一定的難度。

②密封面的加工。密封面（圖4）不允許有任何缺陷，輪廓度誤差小于0.2mm。

圖4：搖臂軸5＃支架密封面

3.模具制造工藝分析

按照已有的工藝條件和產(chǎn)品特點(diǎn)，為了提高模具的制造精度，縮短模具制造周期，在制造部門(mén)接到圖紙后，將做如下安排：

3.1加工過(guò)程安排

接到圖紙后，首先要考慮的問(wèn)題就是用什么樣的過(guò)程加工出這個(gè)工件，如選用哪臺(tái)數(shù)控機(jī)床，分幾步來(lái)加工，先加工哪一個(gè)面，每一步加工的目標(biāo)及加工余量，每一步加工的程序及刀具選用等。根據(jù)工件的形狀及要求，先對(duì)這些進(jìn)行粗略的分析，然后再一一細(xì)化。

為了合理利用機(jī)床以及保護(hù)高精度精加工設(shè)備，粗精加工一般都在不同的機(jī)床上進(jìn)行。粗加工一般安排在泰納3220強(qiáng)力數(shù)控銑床上，而精加工則多用菲迪亞高速數(shù)控銑床。有時(shí)候，對(duì)于型腔較淺的壓鑄模，也可以淬火后直接用高速銑床全部加工出。這樣，可以大大縮短模具的制造同期。

基于動(dòng)平衡方面的考慮，為了保護(hù)菲迪亞165型高速銑床電子主軸，建議使用伸出長(zhǎng)度不超過(guò)140mm的整體硬質(zhì)合金刀具。對(duì)于型腔較深的工件，一般先用強(qiáng)力數(shù)控銑床開(kāi)粗，熱處理后再用高速數(shù)控銑床完成全部加工，如型腔超過(guò)刀具伸出長(zhǎng)度時(shí)，較深的區(qū)域采用強(qiáng)力數(shù)控銑床加工。對(duì)于一些清角、深腔等特征，使用數(shù)控銑床難以加工，還必須采用電火花或其它機(jī)床去加工。

對(duì)于大多數(shù)壓鑄模成型部件，數(shù)控加工工藝流程如下如圖5所示。

圖5： 成型部件加流程

3.2 CAD模型準(zhǔn)備

這套模具設(shè)計(jì)采用了美國(guó)PTC公司的三維CAD軟件Pro/E，加工編程卻采用英國(guó)DELCAM公司的POWERMILL。數(shù)控加工編程所用的三維CAD模型，一般都是由模具設(shè)計(jì)工程師設(shè)計(jì)好后傳到機(jī)床旁的編程電腦，用于加工，只有少量需要自己動(dòng)手做。

在加工前需要把三維模型轉(zhuǎn)換成編程軟件可以接受的格式如IGS格式。但在實(shí)際操作中，經(jīng)常出現(xiàn)三維圖形格式轉(zhuǎn)換后出現(xiàn)缺陷的問(wèn)題如破碎面、面裁剪邊界失效等。因此，在我們編程前應(yīng)對(duì)三維圖形進(jìn)行仔細(xì)的檢查。如果出現(xiàn)缺陷，先利用CAD軟件對(duì)其修復(fù)后，再進(jìn)行加工編程。圖6所示是在加工過(guò)程中遇到的一個(gè)實(shí)例。

圖6三維圖形格式轉(zhuǎn)換后出現(xiàn)的缺陷

3.3 刀具的選擇

圓形刀片立銑刀是粗加工的第一選擇。圓形刀片立銑刀可以在各種方向上進(jìn)給銑削，這樣就可以在各個(gè)工序之間形成平滑的過(guò)渡，并對(duì)半精加工留下較少而比較均勻的余量。圓形刀片在加工時(shí)可以形成變化的切屑厚度，與其它形狀的刀片相比，進(jìn)給速度可以更高一點(diǎn)。

高速銑削精加工大多采用硬質(zhì)合金涂層刀具。常用的刀具形狀有三種：尖角立銑刀、帶圓角的立銑刀、球頭刀。一般而言，球頭刀是我們的最佳選擇，它較大的半徑可以分散切削力以及在以較高的速度和進(jìn)給速度加工淬硬鋼時(shí)產(chǎn)生的熱量。另外，利用球頭刀較容易獲得較好的表面質(zhì)量。如果某個(gè)零件其底部有較大的平坦區(qū)域，則應(yīng)首先用球頭立銑刀粗加工后，再用一把帶圓角的立銑刀進(jìn)行加工。帶圓角的立銑刀其圓弧R比球頭刀的小，分散熱量及切削力的能力較差。尖角立銑刀由于其尖角部位較容易碎裂，它一般只應(yīng)用在需要清根的場(chǎng)合。且一般在用球頭刀或帶圓角的立銑刀去除了足夠多的材料后才能使用。刀具的大小一般根據(jù)工件被加工特征，如窄槽寬度、圓角大小等來(lái)確定。一般來(lái)說(shuō)，所選的刀具半徑應(yīng)比要加工的窄槽寬度、圓角半徑小，以保證加工過(guò)程中刀具負(fù)荷盡量穩(wěn)定。刀具的刃數(shù)一般由被加工工件的材質(zhì)確定，加工壓鑄模淬硬鋼常選用4-6個(gè)刃的刀具。

3.4 程序的編制

數(shù)控加工程序，大多由CAM系統(tǒng)根據(jù)三維CAD模型按設(shè)定好的加工參數(shù)自動(dòng)計(jì)算生成。在做工藝分析時(shí)，根據(jù)型腔的形狀選好刀具后，所要編的程序也就大體確定了。

在編制加工程序時(shí)，無(wú)論是精加工還是粗加工，在刀具切入或切出工件時(shí)，都應(yīng)盡可能地使用圓弧切入和切出，因?yàn)樵诟咚巽娤髂Ｊ较逻B續(xù)銑削對(duì)保護(hù)銑刀是至關(guān)重要的，在邊緣過(guò)渡處的短暫停頓，都可能造成銑刀的快速磨損。在可能的情況下，刀具都應(yīng)從工件的中心開(kāi)始向外加工，以盡量減少全刀寬切削。還有，盡量避免垂直下刀，因?yàn)檫@樣會(huì)降低切削速度，同時(shí)又可能會(huì)在工件表面上留下刀痕。在編制精加工刀具路徑時(shí)，應(yīng)盡量使用三維螺旋銑削，因?yàn)檫@種加工模式，刀具的運(yùn)動(dòng)方向改變較少，從而提高了加工速度，減少了刀具磨損。

對(duì)于具有不同公差要求的特征如滑道槽等，應(yīng)增加一條單獨(dú)的程序來(lái)加工，以保證達(dá)到尺寸公差的要求。

程序的加工參數(shù)一般由所使用的機(jī)床、工件材料狀態(tài)、刀具、加工余量等因素綜合決定的。在用圓刀片在泰納3220強(qiáng)力數(shù)控銑床上粗銑型腔，進(jìn)給速度一般選擇在1200 mm/min 到1800 mm/min之間。在高速數(shù)控銑床精加工壓鑄模型腔時(shí)，一般按刀具樣本資料或刀具供應(yīng)商那里查到可供參考的切削速度推薦值。在我們的操作中常選用的切削速度為180-220 m/min。在加工時(shí)還需根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整。

3.5 加工編程實(shí)例

我們對(duì)搖臂軸5#支架壓鑄模各成型部件形狀特點(diǎn)和要求，分別進(jìn)行加工編程，現(xiàn)僅以靜襯模為例來(lái)說(shuō)明。

3.5.1 粗加工：用DM3220強(qiáng)力數(shù)控銑床加工，留余量0.8mm，先用φ25R5可轉(zhuǎn)位刀片立銑刀開(kāi)粗，加工策略為區(qū)域偏移粗加工。再依次用φ12球刀、φ8R1立銑刀根據(jù)預(yù)先定義的殘余區(qū)域進(jìn)行等高加工，以保證余量均勻。區(qū)域偏移粗加工刀具路徑及部分程序如圖7。

圖7： 粗加工路徑及部分程序

3.5.2 半精加工：模具淬硬后，先磨平底面，接著線切割加工孔，最后進(jìn)入高速銑床半精加工，加工基準(zhǔn)為底面和線切割孔。半精加工先用φ12球刀去掉大部分加工余量，加工策略為等高分層精加工和平面加工，留余量0.15mm，部分刀具路徑如圖8。

圖8 半精加工刀具路徑及部分程序

3.5.3 精加工：為了保證加工精度，需對(duì)最后精加工所用的刀具進(jìn)行精密檢測(cè)，在編程時(shí)按實(shí)際數(shù)據(jù)設(shè)置刀具參數(shù)。

3.5.3.1.φ12R1立銑刀加工各平面、外側(cè)面和成型部分。成型部分的加工余量設(shè)置為0，各平面和側(cè)面加工余量按圖紙公差要求設(shè)置。各部分單獨(dú)編程，最后組合成一條程序，加工路徑如圖9。

圖9：φ12R1精加工路徑

3.5.3.2.φ8球刀精加工配合面。加工策略為平行走刀精加工。配合面留量-0.036mm，以保證合理的間隙，刀具路徑如圖10。

圖10：滑道配合面精加工路徑

3.5.3.4.最后用φ5R0.5立銑刀清根，先計(jì)算出前面刀具路徑無(wú)法加工到的拐角、根部，再用φ5R0.5進(jìn)行補(bǔ)充加工，刀具路徑如圖11。

圖11： φ5R0.5精加工路徑

3.6 電極設(shè)計(jì)與加工

無(wú)法用銑刀直接加工到位的形狀，一般都采用電火花機(jī)床來(lái)加工。搖臂軸5#支架壓鑄模的靜模襯模鑄件成型密封面無(wú)法用高速銑削直接加工到尺寸，需單獨(dú)設(shè)計(jì)電極用電火花機(jī)床加工。為了避免電火花加工脆硬層引起密封面早期龜裂，電極設(shè)計(jì)成粗電極、精電極兩種，并嚴(yán)格控制電極的制造精度。圖12是靜模襯模密封面電極的設(shè)計(jì)圖。

:圖12： 靜模襯模密封面電極

在電極加工過(guò)程中，為了加工出放電間隙，可以用小刀徑編程，大刀徑刀具加工。如密封面精電極，φ9.9的立銑刀和球頭刀編程，實(shí)際加工時(shí)用直徑φ10的刀具。電極加工完畢后，按3D檢測(cè)輪廓度合格后才能使用，精電極精加工路徑如圖13。

圖13：精電極精加工路徑

3.7 電火花成型加工

粗精加工參數(shù)選擇：粗加工條件根據(jù)加工表面積FP（ ）來(lái)選擇，而最終精加工條件根據(jù)所需粗糙度（Ra）來(lái)選擇，在加工精加工電極確定減寸量時(shí)，其側(cè)面間隙值需加以考慮。選擇好合理的加工參數(shù)就可以達(dá)到高效、低耗、精確的模具成形結(jié)果，圖14是加工位置示意圖，表1是合理的加工參數(shù)。

圖14：加工位置示意圖

表1：電火花加工參數(shù)設(shè)置

條件號(hào) 面積 放電間隙 加工速度 損耗 側(cè)面

粗加工參數(shù) 111 4 0.37 43 0.05 6.32

110 3 0.32 32 0.05 5.4

109 2 0.25 22 0.05 3.9

精加工參數(shù) 108 1 0.19 10 0.1 3

107 0.15 7 2

106 0.07 5 1.5

通過(guò)上述工藝安排，發(fā)動(dòng)機(jī)搖臂軸5＃支架如期完成了制造，壓鑄出的鑄件尺寸達(dá)到了鑄件圖的要求。

4.結(jié)語(yǔ)

壓鑄模制造工藝過(guò)程及其分析是建立在對(duì)企業(yè)數(shù)控設(shè)備、刀具、裝夾輔具等的充分了解之上，系統(tǒng)的工藝分析可以事先考慮到加工中可能出現(xiàn)的問(wèn)題如加工出錯(cuò)、重復(fù)走刀路徑等，并采取有效的措施避免問(wèn)題的發(fā)生。對(duì)于大型復(fù)雜壓鑄模，尤其是具有大量不同公差要求的裝配尺寸、定位尺寸、位置尺寸需要數(shù)控加工來(lái)保證時(shí)，詳細(xì)的模具制造工藝分析顯得更加重要。

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