易友琼 庄铮
摘要:本文旨在介绍发动机摇臂轴支架模具制造工艺过程分析,包括加工过程安排、CAD模型准备、刀具选择、数控程序编写、加工路径、加工参数、及设计加工电极,采用电火花成型加工中应当注意的问题。
关键词:模具制造工艺、数控铣加工、电火花成型加工
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
随着国内汽车工业的飞速发展,对汽车零部件的要求也越来越高,全国汽车发动机上许多零件是高压铸造成型。这其中,压铸模具的制造是重要的一环,压铸模的精度直接影响汽车零部件的质量。本文就发动机摇臂轴5#支架模具制造工艺过程进行分析,在进行压铸模具制造前根据工件的具体形状,制定出完整的加工流程:包括加工过程安排、CAD模型准备、刀具选择、程序编制及采用电加工等。合理的加工工艺规划对提高压铸模的加工效率和加工质量,尤其对于大型复杂模具,具有十分重要的意义。
湛江德利化油器有限公司是一家以高压铸造为基础的汽车零部件制造企业,拥有自主开发压铸模能力。为了缩短模具的制造周期,加快新产品的开发速度,提高模具制造水平,该公司先后引进了意大利菲迪亚DIGIT 165型高速数控铣床,瑞士阿奇夏米尔慢走丝线切割及电火花机床,并配置了美国PTC公司的PRO/E、英国DELCAM公司的POWERSHAPE、POWERMILL等三维CAD/CAM软件,为压铸模制造提供了很好的基础。笔者结合实际以发动机摇臂支架为例,对模具的制造、数控加工及编程和电极加工成型做一些分析,探讨和积累压铸模制造的有益经验,从而提高模具制造精度。
2.产品结构和模具介绍
发动机摇臂轴5#支架是本田13款系列发动机支架中最为复杂的零件,在三维方向都有尺寸要求,如图1、图2所示。
图1:摇臂轴5#支架
图2:摇臂轴5#支架实物
摇臂轴支架模具经过设计、评审和完善,然后把模具3D和2D传到模具制造部门,开始模具制造。图3为摇臂轴5#支架压铸模部分成型部件三维。
图3:部分成型部件三维
这套模具制造有两个难点:
①滑道配合面的加工。为了保证配合面的质量,滑道配合面直接用高速铣削加工到尺寸。装配时,钳工基本不用修配。由于摇臂轴5#支架左滑道配合面为异形曲面,给高速铣削加工带来了一定的难度。
②密封面的加工。密封面(图4)不允许有任何缺陷,轮廓度误差小于0.2mm。
图4:摇臂轴5#支架密封面
3.模具制造工艺分析
按照已有的工艺条件和产品特点,为了提高模具的制造精度,缩短模具制造周期,在制造部门接到图纸后,将做如下安排:
3.1加工过程安排
接到图纸后,首先要考虑的问题就是用什么样的过程加工出这个工件,如选用哪台数控机床,分几步来加工,先加工哪一个面,每一步加工的目标及加工余量,每一步加工的程序及刀具选用等。根据工件的形状及要求,先对这些进行粗略的分析,然后再一一细化。
为了合理利用机床以及保护高精度精加工设备,粗精加工一般都在不同的机床上进行。粗加工一般安排在泰纳3220强力数控铣床上,而精加工则多用菲迪亚高速数控铣床。有时候,对于型腔较浅的压铸模,也可以淬火后直接用高速铣床全部加工出。这样,可以大大缩短模具的制造同期。
基于动平衡方面的考虑,为了保护菲迪亚165型高速铣床电子主轴,建议使用伸出长度不超过140mm的整体硬质合金刀具。对于型腔较深的工件,一般先用强力数控铣床开粗,热处理后再用高速数控铣床完成全部加工,如型腔超过刀具伸出长度时,较深的区域采用强力数控铣床加工。对于一些清角、深腔等特征,使用数控铣床难以加工,还必须采用电火花或其它机床去加工。
对于大多数压铸模成型部件,数控加工工艺流程如下如图5所示。
圖5: 成型部件加流程
3.2 CAD模型准备
这套模具设计采用了美国PTC公司的三维CAD软件Pro/E,加工编程却采用英国DELCAM公司的POWERMILL。数控加工编程所用的三维CAD模型,一般都是由模具设计工程师设计好后传到机床旁的编程电脑,用于加工,只有少量需要自己动手做。
在加工前需要把三维模型转换成编程软件可以接受的格式如IGS格式。但在实际操作中,经常出现三维图形格式转换后出现缺陷的问题如破碎面、面裁剪边界失效等。因此,在我们编程前应对三维图形进行仔细的检查。如果出现缺陷,先利用CAD软件对其修复后,再进行加工编程。图6所示是在加工过程中遇到的一个实例。
图6三维图形格式转换后出现的缺陷
3.3 刀具的选择
圆形刀片立铣刀是粗加工的第一选择。圆形刀片立铣刀可以在各种方向上进给铣削,这样就可以在各个工序之间形成平滑的过渡,并对半精加工留下较少而比较均匀的余量。圆形刀片在加工时可以形成变化的切屑厚度,与其它形状的刀片相比,进给速度可以更高一点。
高速铣削精加工大多采用硬质合金涂层刀具。常用的刀具形状有三种:尖角立铣刀、带圆角的立铣刀、球头刀。一般而言,球头刀是我们的最佳选择,它较大的半径可以分散切削力以及在以较高的速度和进给速度加工淬硬钢时产生的热量。另外,利用球头刀较容易获得较好的表面质量。如果某个零件其底部有较大的平坦区域,则应首先用球头立铣刀粗加工后,再用一把带圆角的立铣刀进行加工。带圆角的立铣刀其圆弧R比球头刀的小,分散热量及切削力的能力较差。尖角立铣刀由于其尖角部位较容易碎裂,它一般只应用在需要清根的场合。且一般在用球头刀或带圆角的立铣刀去除了足够多的材料后才能使用。刀具的大小一般根据工件被加工特征,如窄槽宽度、圆角大小等来确定。一般来说,所选的刀具半径应比要加工的窄槽宽度、圆角半径小,以保证加工过程中刀具负荷尽量稳定。刀具的刃数一般由被加工工件的材质确定,加工压铸模淬硬钢常选用4-6个刃的刀具。
3.4 程序的编制
数控加工程序,大多由CAM系统根据三维CAD模型按设定好的加工参数自动计算生成。在做工艺分析时,根据型腔的形状选好刀具后,所要编的程序也就大体确定了。
在编制加工程序时,无论是精加工还是粗加工,在刀具切入或切出工件时,都应尽可能地使用圆弧切入和切出,因为在高速铣削模式下连续铣削对保护铣刀是至关重要的,在边缘过渡处的短暂停顿,都可能造成铣刀的快速磨损。在可能的情况下,刀具都应从工件的中心开始向外加工,以尽量减少全刀宽切削。还有,尽量避免垂直下刀,因为这样会降低切削速度,同时又可能会在工件表面上留下刀痕。在编制精加工刀具路径时,应尽量使用三维螺旋铣削,因为这种加工模式,刀具的运动方向改变较少,从而提高了加工速度,减少了刀具磨损。
对于具有不同公差要求的特征如滑道槽等,应增加一条单独的程序来加工,以保证达到尺寸公差的要求。
程序的加工参数一般由所使用的机床、工件材料状态、刀具、加工余量等因素综合决定的。在用圆刀片在泰纳3220强力数控铣床上粗铣型腔,进给速度一般选择在1200 mm/min 到1800 mm/min之间。在高速数控铣床精加工压铸模型腔时,一般按刀具样本资料或刀具供应商那里查到可供参考的切削速度推荐值。在我们的操作中常选用的切削速度为180-220 m/min。在加工时还需根据具体情况进行调整。
3.5 加工编程实例
我们对摇臂轴5#支架压铸模各成型部件形状特点和要求,分别进行加工编程,现仅以静衬模为例来说明。
3.5.1 粗加工:用DM3220强力数控铣床加工,留余量0.8mm,先用φ25R5可转位刀片立铣刀开粗,加工策略为区域偏移粗加工。再依次用φ12球刀、φ8R1立铣刀根据预先定义的残余区域进行等高加工,以保证余量均匀。区域偏移粗加工刀具路径及部分程序如图7。
图7: 粗加工路径及部分程序
3.5.2 半精加工:模具淬硬后,先磨平底面,接着线切割加工孔,最后进入高速铣床半精加工,加工基准为底面和线切割孔。半精加工先用φ12球刀去掉大部分加工余量,加工策略为等高分层精加工和平面加工,留余量0.15mm,部分刀具路径如图8。
图8 半精加工刀具路径及部分程序
3.5.3 精加工:为了保证加工精度,需对最后精加工所用的刀具进行精密检测,在编程时按实际数据设置刀具参数。
3.5.3.1.φ12R1立铣刀加工各平面、外侧面和成型部分。成型部分的加工余量设置为0,各平面和侧面加工余量按图纸公差要求设置。各部分单独编程,最后组合成一条程序,加工路径如图9。
图9:φ12R1精加工路径
3.5.3.2.φ8球刀精加工配合面。加工策略为平行走刀精加工。配合面留量-0.036mm,以保证合理的间隙,刀具路径如图10。
图10:滑道配合面精加工路径
3.5.3.4.最后用φ5R0.5立铣刀清根,先计算出前面刀具路径无法加工到的拐角、根部,再用φ5R0.5进行补充加工,刀具路径如图11。
图11: φ5R0.5精加工路径
3.6 电极设计与加工
无法用铣刀直接加工到位的形状,一般都采用电火花机床来加工。摇臂轴5#支架压铸模的静模衬模铸件成型密封面无法用高速铣削直接加工到尺寸,需单独设计电极用电火花机床加工。为了避免电火花加工脆硬层引起密封面早期龟裂,电极设计成粗电极、精电极两种,并严格控制电极的制造精度。图12是静模衬模密封面电极的设计图。
:图12: 静模衬模密封面电极
在电极加工过程中,为了加工出放电间隙,可以用小刀径编程,大刀径刀具加工。如密封面精电极,φ9.9的立铣刀和球头刀编程,实际加工时用直径φ10的刀具。电极加工完毕后,按3D检测轮廓度合格后才能使用,精电极精加工路径如图13。
图13:精电极精加工路径
3.7 电火花成型加工
粗精加工参数选择:粗加工条件根据加工表面积FP( )来选择,而最終精加工条件根据所需粗糙度(Ra)来选择,在加工精加工电极确定减寸量时,其侧面间隙值需加以考虑。选择好合理的加工参数就可以达到高效、低耗、精确的模具成形结果,图14是加工位置示意图,表1是合理的加工参数。
图14:加工位置示意图
表1:电火花加工参数设置
条件号 面积 放电间隙 加工速度 损耗 侧面
粗加工参数 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
精加工参数 108 1 0.19 10 0.1 3
107 0.15 7 2
106 0.07 5 1.5
通过上述工艺安排,发动机摇臂轴5#支架如期完成了制造,压铸出的铸件尺寸达到了铸件图的要求。
4.结语
压铸模制造工艺过程及其分析是建立在对企业数控设备、刀具、装夹辅具等的充分了解之上,系统的工艺分析可以事先考虑到加工中可能出现的问题如加工出错、重复走刀路径等,并采取有效的措施避免问题的发生。对于大型复杂压铸模,尤其是具有大量不同公差要求的装配尺寸、定位尺寸、位置尺寸需要数控加工来保证时,详细的模具制造工艺分析显得更加重要。
5.参考文献
[1] 《模具制造手册》编写组编著《模具制造手册》之六,机械工业出版社1998
[2] 史翔主编:<<模具CAD/CAM技术及应用>>,机械工业出版社 1996年
[3] 日本OSG公司编写:<<铣削加工>>,日本OSG公司1999年
[4] 刘战强,艾兴 高速切削刀具的发展现状[J].工具技术,2001,(3):3~8
[5] 赵波 模具加工的前沿技术——高速加工[J].模具技术,2001,(2):75~83
[6] 北京阿奇电子有限公司编写:《精密数控电火花成型机手册》2003年版