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高速切削技術(shù)在連桿鍛模制造中的研究和應(yīng)用
1 連桿鍛模的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)
在現(xiàn)代工業(yè)飛速發(fā)展的今天，連桿鍛造企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中能否占得優(yōu)勢(shì)，除產(chǎn)品種類、質(zhì)量、生產(chǎn)規(guī)模外，新產(chǎn)品開發(fā)及其開發(fā)周期尤為關(guān)鍵，而模具又在新產(chǎn)品的開發(fā)中占有舉足輕重的作用�，F(xiàn)代工業(yè)中，模具領(lǐng)先、模具設(shè)計(jì)與制造工藝先進(jìn)、開發(fā)周期短，成為了新產(chǎn)品占領(lǐng)市場(chǎng)的關(guān)鍵因素。在汽車工業(yè)中，過(guò)去新車型的更新?lián)Q代周期一般為5～10年，現(xiàn)在則縮短為1～3年，這一切都得益于模具設(shè)計(jì)與制造水平的提高。連桿鍛模作為連桿生產(chǎn)的模具，其質(zhì)量、交貨期和價(jià)格成為新品連桿開發(fā)成敗的關(guān)鍵因素。我國(guó)連桿鍛模的發(fā)展主要經(jīng)歷了3個(gè)過(guò)程：靠模加工、電火花加工、高速加工技術(shù)。
1.1靠模加工
回顧以前，在加工連桿模具時(shí)，必須繪制詳盡的藍(lán)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，或作為顯示銑床加工軌跡的輔助模型。成形銑床上的靠模指沿靠模輪廓形狀移動(dòng)，銑刀則按照靠模指的移動(dòng)對(duì)模具材料進(jìn)行銑削加工，仿出所需的模具型腔。靠模加工具有以下特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)：
(1)需制造靠模，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，精度不高，且同批次模具尺寸不一致;
(2)直觀，制造一個(gè)靠�？杉庸ざ鄠�(gè)模塊�？磕＜庸ぐl(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)發(fā)生了根本的變化，通過(guò)數(shù)字化一個(gè)實(shí)物模型的NC程序，只需要在模型上掃描，所得到的點(diǎn)集云將在所有附加的計(jì)算中被使用，通過(guò)閱讀由數(shù)字化生成的點(diǎn)集云，進(jìn)行銑削仿形加工。
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(dòng)對(duì)模具型腔進(jìn)行拋磨-形成連桿模具。
電火花成形機(jī)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(guò)程較為復(fù)雜，電火花加工效率較低，模具加工周期相對(duì)較長(zhǎng)，但可加工淬火后的模坯。
1.3高速加工技術(shù)
近幾年，隨著加工設(shè)備件能的提高，以及加工設(shè)備所使用刀具性能指標(biāo)的迅速改善，使高速加工這一新技術(shù)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(chǎn)周期。這項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用，也減少了加工模具的工序，使加工模具的工藝過(guò)程變得更加合理，縮短甚至避免了模具的拋光過(guò)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(shù)
高速加工技術(shù)是指采用超硬材料的刃具，通過(guò)極大地提高切削速度和進(jìn)給速度來(lái)提高材料切除率、加工精度和加工質(zhì)量的現(xiàn)代加工技術(shù)。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(shù)值。
高速切削(High Speed Chtting，HSC)與普通切削的主要區(qū)別在于切削速度、加速度及主軸的轉(zhuǎn)速等。通常情況下，高速切削時(shí)切削進(jìn)給速度比普通切削高5～15倍，可達(dá)到15～70 m·min-1;加速度高5～10倍;主軸轉(zhuǎn)速高5～10倍，可達(dá)到15000～70000 r·min-1。
3 高速數(shù)控加工技術(shù)在連桿模具中的應(yīng)用
3.1 高速加工連桿模具的優(yōu)點(diǎn)
高速加工技術(shù)的應(yīng)用可簡(jiǎn)化工藝流程和改善工件質(zhì)量。在加工模具時(shí)，采用高速切削，可以提高加工進(jìn)給速度，降低加工時(shí)間而減少制造費(fèi)用。如果保持切削時(shí)間不變，可減少進(jìn)刀量，增加切削次數(shù)，降低切削力，從而提高表面光潔度，使通過(guò)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(shù)的采用，使刀具在很高的轉(zhuǎn)速下(一般超過(guò)15000 r·min-1)工作，同時(shí)使機(jī)床具有高的進(jìn)給速度和加速度，大大提高金屬切除率。在中、精加工時(shí)，盡管高速加工采取了非常小的進(jìn)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(chǎn)率和降低了生產(chǎn)周期;同時(shí)，高速加工可以進(jìn)行硬切削，根據(jù)其加工特性，可獲得很高的表面質(zhì)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(fèi)的時(shí)間。
(2)可獲得高質(zhì)量的加工表面。高速切削可以減小切削力，降低切削振動(dòng)，提高加工質(zhì)量;提高切削速度和進(jìn)給速度以減少進(jìn)給量，進(jìn)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(fā)熱少，形狀精度可達(dá)5μm。
(3)可直接加工高硬度的連桿模具材料。如加工硬度達(dá)60 HRC的模塊，對(duì)電火花成形加工方法提出了挑戰(zhàn)。
(4)延長(zhǎng)連桿模具壽命。避免EDM加工產(chǎn)生的表面損傷，提高模具壽命20%～50%。
(5)連桿模具修復(fù)過(guò)程更加方便。在鍛造過(guò)程中，若模具型腔局部破損，需要進(jìn)行多次修復(fù)，以延長(zhǎng)模具的使用壽命。在過(guò)去，所采用的手段主要是靠放電加工來(lái)完成。而現(xiàn)在，使用高速加工技術(shù)，用原NC程序，無(wú)需重新編制，且能做到精確無(wú)誤地將模具型腔迅速修復(fù)。
(6)簡(jiǎn)化了連桿模具加工工序。傳統(tǒng)加工連桿鍛造模具的工藝方法是在淬火之前進(jìn)行金屬切削，然后進(jìn)行淬火，因?yàn)榇慊鹑菀自斐赡＞咦冃危@時(shí)必須要經(jīng)手工修整或采用放電加工成形。有了高速機(jī)床加工技術(shù)，則可以通過(guò)高速加工來(lái)直接加工淬火以后的模具材料形成模具型腔，節(jié)省了電極材料、電極加工以及放電加工模具型腔的過(guò)程及費(fèi)用，而且還可以避免放電加工所導(dǎo)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(duì)圓角及模具進(jìn)行精細(xì)加工，省去了手工修整工藝過(guò)程，從而達(dá)到降低生產(chǎn)成本的目的。
(7)有利于更復(fù)雜連桿模具型面加工。成形表面采用硬切削加工，表面質(zhì)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(fù)雜表面更具有優(yōu)勢(shì);結(jié)合CAD/CAM快速加工技術(shù)，高速加工特別適合形狀復(fù)雜模具的加工。
3.2連桿模具高速加工機(jī)床
目前，國(guó)外生產(chǎn)高速加工機(jī)床的廠家很多，國(guó)內(nèi)也有若干合資或合作生產(chǎn)廠家。小管是哪款高速機(jī)床，首先足要有高的速度，即高的主軸轉(zhuǎn)速;另一方面，又應(yīng)有高的進(jìn)給速度，機(jī)床還要具有快速移動(dòng)、快速換刀、高的主軸加速度和進(jìn)給加速度，只有達(dá)到了上述標(biāo)準(zhǔn)，才能稱之為高速加上機(jī)床。
此外，要做到真正的高速加工，機(jī)床的結(jié)構(gòu)和普通的加工中心也不同，要做到加工不同規(guī)格的模具(承量從幾公斤至若干噸)，其動(dòng)態(tài)特性必須保持良好，若采用普通加工中心的結(jié)構(gòu)，在加工模具時(shí)，其傳動(dòng)部件由于頻繁的啟動(dòng)與制動(dòng)，啟動(dòng)力及制動(dòng)力過(guò)大，會(huì)降低傳動(dòng)部件的壽命。
圖1所示是典型高速加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)，金字塔式結(jié)構(gòu)，具有寬的導(dǎo)軌和低的工作中心;工作臺(tái)固定不動(dòng)，運(yùn)動(dòng)單元的慣性是常數(shù);在很短的時(shí)間內(nèi)，可加速到很高的速度(在0.1s內(nèi)，坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)速度從0增加到30 m·min-1
3.3 連桿模具CAD/CAM
計(jì)算機(jī)輔助沒(méi)計(jì)(CAD)和計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)，簡(jiǎn)稱CAD/CAM，是指計(jì)算機(jī)作為主要技術(shù)手段，生成和運(yùn)用各種數(shù)字信息與圖形信息，進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造。
CAD/CAM技術(shù)特別適合于數(shù)量少、品種多的產(chǎn)品開發(fā)，模具正是這樣一個(gè)典型產(chǎn)品。因此，鍛模CAD/CAM是一個(gè)企業(yè)所不可缺少的。
鍛模CAD/CAM一體化是將CAD與CAM有機(jī)的聯(lián)系起來(lái)，利用鍛模CAD的三維信息自動(dòng)生成NC加工程序，實(shí)現(xiàn)鍛模的無(wú)圖化加工。
3.5連桿模具高速加工工藝技術(shù)
連桿模j}粗加工主要是指在盡量短的時(shí)間內(nèi)將材料去除，形成模具的大致型腔，并為中精加T準(zhǔn)備工件的幾何輪廓。
連桿模具中精加工主要是指對(duì)工件輪廓形狀進(jìn)一步加工，在模具表面形成均勻的余量，為精加工做準(zhǔn)備。中精加工在模具制造環(huán)節(jié)非常重要，因?yàn)榫庸r(shí)刀具切削過(guò)程的穩(wěn)定性及精加下表面質(zhì)量直接受中精加工切削余量均勻性的影響。余量不均勻，會(huì)導(dǎo)致刀具承受的載倚發(fā)牛變化，刀具受沖擊使切削過(guò)程不穩(wěn)定，造成刀具磨損不均勻，導(dǎo)致加工表面質(zhì)量下降。在切削過(guò)程中由于切削層金屬面積發(fā)生變化，也會(huì)造成切削過(guò)程不穩(wěn)定。目前，開發(fā)的許多CAM軟件通過(guò)計(jì)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(zhì)量。
連桿模具精加工取決于刀具與工件的接觸點(diǎn)，在模具的高速精加工中，在每次切入、切出工件時(shí)，進(jìn)給方向的改變應(yīng)盡量采用圓弧或曲線轉(zhuǎn)接，避免采用直線轉(zhuǎn)接，以保持切削過(guò)程的平穩(wěn)性，以獲得最佳加工表面質(zhì)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(jìn)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(duì)模塊進(jìn)行淬火，對(duì)淬火后的模塊進(jìn)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(chǎn)周期。
4 結(jié)語(yǔ)
我國(guó)連桿鍛模從起步到飛躍發(fā)展，歷經(jīng)了幾十年的時(shí)間，尤其是近幾年來(lái)，我國(guó)連桿鍛模技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。不僅連桿鍛模產(chǎn)量大幅提高，而且制造水平上了一個(gè)新臺(tái)階，逐步與世界發(fā)達(dá)國(guó)家接軌，模具的精密度、復(fù)雜性、高效益和長(zhǎng)壽命有了較大提高。
高速切削加工技術(shù)是一項(xiàng)全新的、正在發(fā)展之中的先進(jìn)實(shí)用技術(shù)，在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已得到廣泛的應(yīng)用，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。在我國(guó)高速切削加工技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用還處于初步階段，還有大量研究、開發(fā)工作需要進(jìn)行。模具市場(chǎng)對(duì)高速加工有強(qiáng)烈需求，國(guó)內(nèi)已進(jìn)口了大批高速加工設(shè)備，也開發(fā)了多種高速機(jī)床和加工中心，但目前就國(guó)內(nèi)的總體狀況來(lái)看，技術(shù)同發(fā)達(dá)國(guó)家相比存在起步晚，基礎(chǔ)較差，整體技術(shù)水平不高等問(wèn)題。這需要各個(gè)方面協(xié)調(diào)發(fā)展，加大產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，綜合利用各個(gè)方面力量推動(dòng)高速切削在模具制造中的應(yīng)用。大力發(fā)展和推廣應(yīng)用模具高速加工技術(shù)，對(duì)我國(guó)模具制造業(yè)整體技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)效益的提高具有重要意義。
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