高级轿车精锻铝车轮模具UG/CAD CAM应用

中信戴卡股份有限公司 （河北秦皇岛 066011） 杨金岭

精锻铝合金轮毂是高级轿车、卡车上重要关键安全件。其特点是造型美观、重量轻、散热好、省油、性能高等倍受欧美市场青睐。基于上述特点又由于精锻铝合金车毂生产工艺复杂、技术含量高、价钱贵、现阶段一般只在高级轿车和高端卡车上使用。铝合金轮毂精锻技术是继传统的重力、挤压、低压等铝合金车轮铸造工艺后，国内铝合金车轮生产工艺技术全新变革。此技术所生产的产品力学性能比常规低压铸造工艺的要高18%以上，材料可节约15%以上，可以大大降低与杜绝常规低压铸造的通病问题，是国际上较具竞争力的新技术，有较好的市场应用前景。中信戴卡股份有限公司是2003年在国内率先引进全自动化锻造铝合金轮毂生产线的厂家。借助欧美的先进设备，拥有先进的全自动化锻造生产线，该生产线将传统的锻造工艺与现代先进成形设备的完美结合，高效地生产高强度、高质量的高级轿车和高端卡车精锻铝合金轮毂。高级轿车精锻铝轮毂产品数字化设计开发制造一般流程如图1所示。实际高级轿车精锻铝轮毂的生产流程如图2所示。

图 1

图 2

1. UG NX在三维高级轿车精锻铝轮毂产品造型设计说明

（1）锻造模具设计的前提和基础是完善的3D产品造型设计 锻造产品3D造型设计过程：①创造曲线，曲线的设计基础是点，线由点生即由点到线。②创造曲面，曲面的设计基础是线，面由线生即由线到面。③3D轮廓曲面的创建方法：由线到面方法有拉伸、旋转、扫描、放样等；通过曲面创建曲面方法有桥接、N边曲面、延伸曲面、过渡曲面、圆角曲面、偏置曲面等；通过自由曲面创建曲面方法有曲面变换、曲面圆角、样式曲面、样式圆角曲面、样式扫描、样式拐角。

综上所述，通过设定基准面、画轮廓线、通过拉伸、旋转、扫描、放样、剪切、倒圆、曲面缝合、布尔运算、拔模及抽壳等命令完成锻造产品三维造型（见图3）。

2. UG NX在3D高级轿车精锻铝轮毂模具图的设计应用说明

金属毛坯锻造过程是体积发生变化质量保持不变的过程，又受到金属塑性变形程度比率的限制，所以锻造一个产品毛坯是由几套模具一步一步完成，一般可分为预锻、初锻、终锻几套锻造模具。

图3 锻造产品

锻造3D造型工步图设计根据毛坯锻造塑性变形过程体积不变的原理（见图4）。这样锻造最终一个毛坯（即旋压毛坯）需要通过预锻、初锻、终锻、旋压才能完成，这就需要分别设计对应的预锻毛坯、初锻毛坯、终锻毛坯及旋压毛坯三维造型。每套锻造模具的上下模型腔是根据对应的工序毛坯来设计，而设计的过程正好同实际生产过程反过来，是先设计旋压毛坯而后设计终锻毛坯、初锻毛坯及预锻毛坯，倒置过程目的是防治设计纰漏。

图 4

现以高级轿车锻造铝轮毂终锻模具为例说明模具设计过程：①导入3D终锻产品造型（即终锻毛坯3D造型）。②设定材料热收缩率。③建立分模线和分模面。④由三维终锻产品图通过抽壳、剪切、曲面缝合、布尔运算及拔模等命令完成上下模型腔基本体设计（见图5）。⑤借助DFORM或QFORM锻造模拟分析软件进行锻造过程数字化3D模拟分析。⑥如模拟中发现问题需要重新修改各个工序的模具型腔直到模拟没有问题为止。⑦进行模具附件设计如模座、连接板、顶料器和模架等。⑧3D装配各个部件然后通过UG NX－motion运动模拟检查是否有干涉。⑨创建模具2D工程图和标注尺寸。⑩打印工程图、审批后出图、晒制工程蓝图。

图5 锻造模芯造型

3. UG NX在高级轿车铝轮毂精锻模具CAM数控制造加工过程

（1）数控加工的基本原则 锻造模具数控加工主要是针对要求精度较高的模芯进行数控加工，而一般精度要求不高的附件为了降低成本一般在成本较低的普通机床上加工。

（2）模芯进行数控的工艺路线 ①粗加工：粗铣开粗→去余量→清根。②半精加工：半精铣→去余量→清根。③精加工：精铣→清根。

4. UG NX在CAM方面高级轿车铝轮毂精锻模具应用

（1）UG NX在CAM制造加工实际经验技巧由于UG NX－CAM功能强大、一般没有一定数控加工基础知识的新手不知如何入手、所以认为UG－CAM比较难学，其实你要是有一定数控加工基础知识、UG NX－CAM学起来同其他加工软件学起来一样简单、而且UG NX－CAM功能强大、灵活性强。

（2）UG NX数控加工一般过程研究 ①可以用原有的3D锻造凸凹模数据模型导入UG NX－CAM中或直接用UG NX－CAD设计锻造凸凹模数据模型切换到UG NX－CAM中（见CAD部分）。②模型分析如长宽高、拐角大小，加工方案工艺流程策划、分析、方案确定。③机加毛坯定置方式：一种是通过数据导入方式来定义毛坯；第二种是通过自己在UG NX－CAD设计方式来定义毛坯形状、此方式自由度比较高，可以通过不同图层来显现或隐藏来决定是否选取；第三种是用UG凸凹模造型通过偏置方式定义圆形或方形模具毛坯，此方式定义毛坯自由度比较低。④锻造模具数控加工编程基准点的确定型式：第一种方式是用毛坯下端面中心点定义基准点：此方式好处是数控加工后此点依然存在、数控修改模具时可再利用此点；第二种方式是用毛坯上端面中心点定义基准点：好处加工好找正；第三种方式是用毛坯边面顶点定义基准点。⑤设定机加工安全平面。⑥锻模加工精度等级分序是：粗加工、半精加工、精加工及清角加工（见图6）。⑦刀具选择：根据粗、精、清角加工位置不同特点选择刀具（主要包括刀具种类、刀具材料选择、刀头形式、刀片尺寸、刀杆形状及刀杆尺寸），如图7所示。⑧刀具主轴转速：根据粗、精、清角加工位置和造型的不同特点制定加工转速。如图8所示。⑨刀具进给率：根据粗、精、清角加工位置和造型的不同特点制定进给率。⑩切削方法按加工形式分为：面加工、型腔加工（凸凹处）、侧壁或横切加工（侧面或斜面）、曲面加工、小曲面精加工和曲面加工，如图9所示。■切削参数设定包括：步进距离、切削层、拐角控制及非切削参数等。■ 锻造车轮模加工轨迹生成如图10所示。■锻造车轮模仿真模拟加工如图11所示：将加工出的模型与最终要求成品进行对比，观察有无过切现象。■根据机床G代码类型如西门子、发那科等不同系统选择生产后处理程序生成G代码。■用传输机将后处理生成G代码文件传输到数控机床供机床使用。

图6 按加工精度定工序

图7 刀具参数设定

图8 刀具主轴转速和进给率

图9 加工方式设定

图10 切削加工轨迹

图11 加工轨迹生成

5. 结语

通过结合高级轿车精锻铝轮毂生产实际流程和举例应用UG NX进行锻造铝轮毂模具设计、制造CAD/CAM的分析研究，可以得出结论，要想降低企业生产成本，提高设计精度，缩短设计周期，提高生产效率，增强企业竞争力，必须有好的设计工具，通过学习和引进国内外设计软件对提高我国企业精锻铝合金设计、制造工作具有巨大的帮助。