3HAC033548-003

连杆模具的高速加工策略

       图1所示是某发动机连杆模具凹模型腔。它采用高速切削技术直接加工该零件的模具钢材料,可以获得较高的表面质量,并可达到的尺寸和形位精度。因此,可以省略常规模具加工的电火花加工和大量手工修磨等工序,缩短了工艺流程,地提高了加工生产效率。

       1.1保持切削载荷的恒定和轻便  在高速切削过程中保持恒定的切削载荷非常重要。为了使刀路轨迹光滑,在加工过程中应注意以下几点:(1)采用小步距和浅切削深度(刀具直径的10%左右) 进行加工;(2)使用圆弧或螺旋线方式实现进退刀具;(3)大量采用等高分层加工代替仿形加工;(4)切除率尽量保持为常数;(5)在粗加工时,不但要求刀具以圆弧或螺旋线方式进入工件材料,而且使进给率和机床转速之比达到佳,从而避免急剧变化的刀具运动以及在外形轮廓上直接进刀和退刀。

图2 高速加工刀路光顺示意图

       图2所示为连杆模具高速加工刀路光顺示意图。在高速加工过程中,一般要求刀具平滑地切入与切出工件,并通过缓慢调节可以保持连续的切削载荷,并达到保护刀具的目的。在切入工件时一般采用螺旋线方式进刀,切出工件时使刀具沿圆弧方向切出。

       另外,为了保证在拐角处具有平滑的走刀轨迹,刀具路径可以采用圆角或圆弧走刀,并相应地减慢进给速度,这样在拐角处便能获得光滑的刀具轨迹,并保持连续的高进给速度以及加工过程的平稳性。现将UGCAM软件中/角和进给率控制0对话框中的/圆角0选项设定为/ALLPasses0来光滑拐角和步距,从而保持刀具负荷稳定。

       1.2使用非均匀有理B样条(NURBS)插补

       随着高速切削加工设备的使用,一种基于NURBS理论的CNC插补控制器也随之出现,这使得CNC系统具备了能自动进行NURBS格式定义的加工域的能力。NURBS曲线使用控制点、权值、节点矢量3个参数来表达自由曲线。NURBS插补就是将这3个参数作为NC指令的一部分,由CNC系统内部计算并生成NURBS曲线,并按照NURBS曲线驱动机床进给轴运动,加工出NURBS曲线形状。选用NURBS格式进行插补不仅误差小、精度高,而且可以简化 NC代码程序(程序长度只有线性插补代码的1/10~1/100),这样既可以控制机床在沿NURBS曲线运动的同时计算NURBS曲线的曲率变化,又可以在机床加速度允许的范围内以大速度进行加工,从而实现模具加工的高速度和。

表1 高速加工工艺参数表

       2 连杆模具的高速加工

       2.1 高速加工机床选择

       数控机床采用瑞士米克朗公司的HSM-600型高速铣削加工中心,主轴高转速可达60000r/min,控制轴进给速度快可达40m/min,具有DNC加工时的高速数据通信处理功能和/前馈0控制技术,支持NURBS插补格式。

       2.2 模具材料和刀具选择

       选择的加工材料为铸态模具钢7CrSiMnMoV,高温淬火后硬度达到55~58HRC,具有较好的强度和韧性配合。刀具选用日本黛杰机夹式高速铣刀,刀片材料为立方氮化硼(半精加工型号为JBN330,精加工型号为JBN245),切削速度可以大于100m/min,切削60HRC以上的高硬度材料时, 其刀具度达到60min以上。  2.3 高速加工工艺规划

       a.粗加工。 在粗加工的过程中,可以充分利用机床的主轴功率,从毛坯上尽可能地去除大部分余量,并使后续精加工余量均匀。由于模具型腔曲面复杂,空间狭小,直接采用<6R3球头刀具完成粗加工,主要切削工艺参数见表1。相应的粗加工刀路示意图如图3所示。

图3  <6R3铣刀粗加工刀路示意图

       b.精加工。

       精加工过程采用了固定轴曲面轮廓铣/FIXEDCONTOUR0加工方法,该方法能够有效地切除粗加工刀具留下的各种刀痕。采用<4R2球头铣刀精加工,按照高速加工策略光顺刀具路径,使切削载荷保持恒定。

       c.清根加工。

       采用<4R2球头铣刀精加工以后,在型腔底面与侧面交界处仍然会有一些多余的材料还没有被切除,需要应用更小的刀具进行清根加工。现选用<2R1球头铣刀执行清根加工/FLOWCUTMULT0,UGCAM系统自动确定切削方向与加工前后顺序,并优化清根刀路,同时使刀具尽可能保持与零件表面接触,以减少非切削运动时间。

       通过3D动态仿真模拟所有刀具运动,检查刀具运动轨迹是否出现空行程和过切/欠切等干涉现象,然后按NURBS格式执行后置处理,生成数控加工程序代码。由于程序代码庞大,采用RS-232C串行接口传入数控系统,执行网络在线加工,连杆凹模加工仿真效果如图4所示。

图4 连杆模具加工仿真效果图 图2所示为连杆模具高速加工刀路光顺示意图。在高速加工过程中,一般要求刀具平滑地切入与切出工件,并通过缓慢调节可以保持连续的切削载荷,并达到保护刀具的目的。在切入工件时一般采用螺旋线方式进刀,切出工件时使刀具沿圆弧方向切出。

       另外,为了保证在拐角处具有平滑的走刀轨迹,刀具路径可以采用圆角或圆弧走刀,并相应地减慢进给速度,这样在拐角处便能获得光滑的刀具轨迹,并保持连续的高进给速度以及加工过程的平稳性。现将UGCAM软件中/角和进给率控制0对话框中的/圆角0选项设定为/ALLPasses0来光滑拐角和步距,从而保持刀具负荷稳定。

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