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堆焊曲軸鍛模高效加工技術(shù)
劉桂萍 彭志國 陳鈞 張虎亮 郭毅 孟雪芬 龔太彥 王勇 楊俊仁 盧軍
孫靖 朱劍利 楊海軍 王義良 尹偉 胡志勇
（內蒙一機集團瑞特工模具有限公司）
摘要：本文針對堆焊鍛模型腔硬度高，高硬度切削困難，加工成本提高。以汽車(chē)曲軸鍛模為例，通過(guò)對影響因素進(jìn)行理論分析和實(shí)驗研究，提出采用優(yōu)化切削參數，刀具選用、合理編程等方法提高鍛模的整體加工質(zhì)量，合理控制的控制成本。
關(guān)鍵詞 ：堆焊曲軸鍛模、高硬度、高硬度切削
引 言
利用報廢模體，采用增材技術(shù)對鍛模進(jìn)行生產(chǎn)，堆焊后型腔硬度為HRC55-60。加工極其困難，生產(chǎn)效率低。以重車(chē)曲軸鍛模為例，其結構特點(diǎn)是曲柄部位深、窄、凹圓角小。曲柄深度為65mm左右，曲柄寬度為35mm左右，最小拔模斜度1度。型腔凹圓角小，型腔凹圓角大部分為R3，型腔本身復雜、拐點(diǎn)多，如圖片（一）。實(shí)現模具中、高硬度的高速切削，將會(huì )是模具加工技術(shù)的一次飛躍。
圖片（一）堆焊后，加工完成汽車(chē)鍛模
一、傳統鍛模加工和高硬度、高效切削加工的區別
傳統鍛模的加工方法是在模具鋼退火狀態(tài)進(jìn)行切削加工（主要是銑削加工），然后淬火，硬度≥HRC42后進(jìn)行磨削加工和電火花成型加工，留量進(jìn)行打磨、拋光、修型和貼配。這其中手工工序占了整個(gè)加工周期的很大一部分。整體加工的周期長(cháng)，生產(chǎn)效率低。
高效切削加工是采用小切削量，通過(guò)刀具、程序、機床等，使切削性能的改善和切削力降低，保證效率。在保證零件精度和質(zhì)量的前提下，通過(guò)對加工過(guò)程的優(yōu)化，提高單位時(shí)間材料切除量來(lái)提高加工效率和設備利用率、降低生產(chǎn)成本的一種高性能加工技術(shù)。
通過(guò)對比，從提高單位時(shí)間材料切除量進(jìn)行研究，通過(guò)固化工藝方案、優(yōu)化切削路徑、參數、合理選用刀具等措施，實(shí)現高效、高硬度加工。
二、高效切削技術(shù)在銑削模具型腔工藝分析
在切削中單位時(shí)間的材料切除率取決于切寬、切深和每齒進(jìn)給量等；裝夾、找正、換刀等生產(chǎn)輔助時(shí)間同樣是影響生產(chǎn)效率的重要因素?？梢?jiàn)，高效加工涉及零件制造整個(gè)過(guò)程。加工工藝涉及毛坯制作、工藝路線(xiàn)制訂、工藝方法選取以及裝夾定位、刀具和切削參數等方面，是決定加工效率的關(guān)鍵技術(shù)。如何實(shí)現均勻的毛坯余量、方便快捷的裝夾方法、快速高效的材料切除過(guò)程是實(shí)現產(chǎn)品高效加工的關(guān)鍵。特別是切除過(guò)程中余量突變，切削力、機床負載都隨余量變化，直接影響整個(gè)程序段的切削速度。對整個(gè)工藝過(guò)程來(lái)說(shuō)，工序之間的合理銜接，均勻控制余量，是提高整體效率的關(guān)鍵。
針對堆焊曲軸鍛模的特點(diǎn)，其毛坯制作、裝夾定位基本是確定的，可看作常數對待。因此堆焊曲軸鍛模高效切削加工工藝的關(guān)鍵技術(shù)主要包括工藝方案確定（合理控制硬度）、切削方法和切削參數的優(yōu)化，數控編程技術(shù)及刀具路徑選擇。
首先在機械加工工藝方面研究刀具、切削參數、程序路徑是我們提效的著(zhù)力點(diǎn)，即：通過(guò)確定合理的工藝方法、合理選用刀片，優(yōu)化切削參數、程序路徑。其次在熱處理工藝方面研究在保證質(zhì)量的前提下改善材料切削性能，最終達到高效率加工、低刀具消耗的目的。
三、高速切削技術(shù)在銑削鍛模具型腔中的應用與分析
3.1 工藝方案確定（合理控制硬度）
通過(guò)實(shí)驗得出；堆焊曲軸鍛模硬度HRC50-HRC51時(shí)的加工效率是硬度為HRC56 -HRC58時(shí)的1.5倍，刀具消耗數量是其三分之一。新制造鍛模硬度在db=2.9-3.2(HRC40-47)。確定的工藝方案：完成加工平面后，在焊接區域平面內進(jìn)行硬度測量，若硬度≥HRC51，增加回火工序，保證型腔硬度db=2.9-3.2(HRC40-47)，以改善切削性能。
3.2合理選用切削參數及刀具：
（1）切削方式的選擇
在高效切削加工中，應盡量選用順銑加工，因為在順銑時(shí)，刀具剛切入工件產(chǎn)生的切屑厚度為最大，隨后逐漸減小。在逆銑時(shí)，刀具剛切入工件產(chǎn)生的切屑厚度為最小，隨后逐漸增厚，這樣增加了刀具與工件的摩擦，在刀刃上產(chǎn)生大量熱，所以在逆銑中產(chǎn)生的熱量比在順銑時(shí)多很多，徑向力也大大增加，緩解了高硬度切削時(shí)切削熱對刀具的損傷。同時(shí)在逆銑中刀刃受力狀態(tài)較順銑更為惡劣，降低了刀片的使用壽命，順銑和逆銑時(shí)刀具切入工件的過(guò)程，如圖（二）所示。
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順銑 逆銑
圖（二） 刀具切入工件的過(guò)程示意
刀具選則上通過(guò)分析加工中的切削原理和實(shí)際生產(chǎn)情況，主要考慮以下方面：
粗銑頂平面時(shí)用牛鼻子刀，它切削強勁，具有良好的穩定性，加工中無(wú)振動(dòng)，金屬去除率高，結合齒距和刀片的選擇（直徑盡量大些，如63刀），同時(shí)具備鏡平面、陡峭面加工能力，并能保證良好的光潔度。與立銑刀相比它的側刃不易崩刀，與球頭刀相比，其步距可大，切削線(xiàn)速度高。
精銑型腔時(shí)我們選用球頭銑刀，球頭銑刀因切削過(guò)程中被加工曲面與銑刀球面的公法線(xiàn)經(jīng)過(guò)銑刀球面的球心，使干涉過(guò)切現象易于監測，切削運動(dòng)軌跡易于控制，刀體尺寸應結合結構特點(diǎn)來(lái)考慮，盡量選擇長(cháng)徑比小的刀具。長(cháng)徑比最好控制在4：1以?xún)?，更適合加工曲軸鍛模型腔的結構復雜。在加工中我們考慮刀具、產(chǎn)品特點(diǎn)盡量選用大直徑刀具，但執行后一道程序的刀具的直徑要大于或等于執行前一道程序刀具直徑的1/2，這樣才能保證這把刀具路徑覆蓋上一把刀具最后加工的路徑，不會(huì )在局部留有凸包，保證余量均勻和良好的切削環(huán)境。
局部精加工（清根），型腔凹圓角大部分為R3用φ6R3進(jìn)行精加工，可以一次把整個(gè)型腔加工完成，沒(méi)有接刀痕跡，表面粗糙度好。方法是要先求出R3刀具加工不到的邊界，再用三維偏置加工邊界里的曲面。刀具的懸伸長(cháng)度要60mm，刀具長(cháng)徑比達到了10 : 1切削穩定性差，刀桿采用硬質(zhì)合金材料，提高刀具切削的穩定性。在數控銑床上進(jìn)行過(guò)加工試驗，由于主軸回轉精度高，通過(guò)控制切削參數，清根用φ6R3球頭刀在長(cháng)徑比達到10∶1的情況下，等高精加工6小時(shí)，刀具完好無(wú)損，一把刀可加工完成的一套塊曲軸鍛模。根據多年的加工與觀(guān)察，我們針對最小拔模角和最小圓角，選擇1°的錐度球頭銑刀，很好地滿(mǎn)足了加工策略的要求。
對于堆焊曲軸鍛模的加工，要提高加工效率，不能單純提高轉速與進(jìn)給。刀具長(cháng)徑比超過(guò)一定比例后，轉速不易太高，否則刀具擺動(dòng)加劇，磨損會(huì )更快。在選擇刀具及刀片時(shí)我們對這些因素進(jìn)行綜合考慮，取得了顯著(zhù)效果。
刀片材質(zhì)選擇涂層刀片應選擇高韌性硬質(zhì)合金，這是考慮到此類(lèi)牌號刀片的切削刃安全性能好，可承受高硬度切削時(shí)刀具承受的巨大的徑向切削力以及劇烈的切入、切出沖擊。（氮化鈦鋁、氮化鈦涂層刀片）。它具有的硬度高、良好的切削性能，適合高硬度切削（滿(mǎn)足硬度為HRC42-45加工的全部條件）。刀片形狀上看，選擇圓形的刀片，因為圓形刀片強度較高，避免了垂直切削，在切削高度變化時(shí)，鑄件離開(kāi)垂直面，更好改善切削力，刀刃不易發(fā)生破損，即使刀片一個(gè)方位破損后，圓形刀片可變換多個(gè)方位使用，直到整個(gè)圓周都磨損才報廢，經(jīng)濟性高。長(cháng)方形或接近長(cháng)方形的刀片切削力變化大，磨損后刀片只可變換一次，刀具成本較高。
（2） 確定合理的切削參數
確定合理的切削參數，就是在充分考慮刀具耐用度的情況下對切削參數進(jìn)行優(yōu)化。
以堆焊曲軸鍛模加工均采用硬質(zhì)合金刀具涂層刀具為例，故m為常值。即
T=（C0/v）1/m= C/v4 。
由此可見(jiàn)切削速度v 對刀具耐用度T的影響程度。即切削速度v越小，刀具耐用度T越大。但切削速度v小，勞動(dòng)生產(chǎn)率低，故不能一味地通過(guò)降低切削速度v達到提高刀具耐用度T的目的。應研究在保證一定生產(chǎn)率的前提下，謀求刀具最小消耗即提高刀具耐用度T。通過(guò)實(shí)驗法可求出切削深度ap,進(jìn)給量f對刀具耐用度T的影響關(guān)系，其關(guān)系為：
T= CT/ (V 1/m f1/m1 ap 1/m2)
經(jīng)過(guò)試驗我們確定了優(yōu)化的切削參數配比。即粗精加工時(shí)的切削參數情況見(jiàn)下表：
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加工硬度
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加工深度
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切削參數
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吃刀量（mm）
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切削速度（m/min）粗加工
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切削速度（m/min）精加工
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HRC45-50
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0-30
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0.3
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650-700
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1000-1400
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31-65
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0.4
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750-800
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1200-1500
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HRC50-52
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0-30
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0.3
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600
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1000-1200
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31-65
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0.4
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700-800
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1200-1500
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3.3 優(yōu)化數控編程及刀具路徑：
數控程序的編制應盡量使刀具承受載荷均勻，避免刀具走刀方向的突然變化，避免因局部過(guò)切而造成刀具的損壞。通過(guò)數控編程程序補償機床CAM系統能根據加工瞬時(shí)余量的大小，自動(dòng)對進(jìn)給率進(jìn)行優(yōu)化處理，可減少刀具損壞。在加工方法上采用層銑深度優(yōu)先，這樣可降低抬刀次數；刀具進(jìn)刀采用斜插入，避免刀具突然承受巨大載荷而造成刀具的損壞。盡量減少刀具的急速換向，同時(shí)考慮加工不同階段采用不同程序。粗加工中的修圓和光弧連接功能都應去掉，這樣可減少重復刀路，提高效率。對數控粗加工程序刀路及數控程序模擬效果進(jìn)行模擬分析（見(jiàn)圖三），確認數控程序刀路的可靠性，分析得出無(wú)過(guò)切及刀具碰撞現象。在優(yōu)化程序時(shí)盡量考慮加工余量徑向大于軸向，主要是考慮到走刀時(shí)，如果刀具發(fā)生斷刀現象，徑向比軸向更容易扎刀。
圖片（三）數控程序模擬效果圖
為提高加工效率及保證刀具強度，粗加工時(shí)選擇的刀具直徑較大，導致精加工時(shí)加工余量不均勻，為了保證加工后產(chǎn)品的表面質(zhì)量，精加工時(shí)采用的程序應充分考慮刀片的磨損及刀片自身的耐沖擊性，盡量保證清根時(shí)余量均勻。進(jìn)行了數控精加工程序參數設計及數控精加工程序刀路設計。示意圖見(jiàn)圖片（四）。
圖片（四）數控精加工程序刀路示意圖 圖片（五）清根刀路局部放大圖
在切削加工中主要選擇回路或單一路徑切削。這是因為在換向時(shí)，機床主軸速度有緩沖過(guò)程(緊急降速)然后再執行下一步操作；機床再次運行程序加速到正常速度需要一定時(shí)間，對表面精度、加工效率均有影響，且有可能在拐點(diǎn)處發(fā)生過(guò)切，打刀、啃刀現象。選擇單一路徑切削模式來(lái)進(jìn)行切削，盡可能地不中斷切削過(guò)程，盡量減少刀具的切入切出次數，以期獲得相對穩定的切削過(guò)程。進(jìn)行局部精加工時(shí)一定要區分型面是陡峭區域還是平面區域，陡峭區域采用分層加工，這樣可有效的減小切削力，平面區域采用由外向內環(huán)繞加工，可減小了切削力同時(shí)有效提高切削效率，避免球刀中心連續切削。如圖片（五）為局部精加工刀路局部放大圖。
四、結束語(yǔ)
在加工工藝中引進(jìn)高效加工的概念思想，可以改進(jìn)我們的模具設計、提高模具生產(chǎn)效率、降低模具整體成本有著(zhù)深遠的意義，為我們的模具產(chǎn)品以高質(zhì)量、高效率、高壽命、低工期、低成本的姿態(tài)走向市場(chǎng)、爭取了更大的空間。
參考文獻
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3 韓步愈主編 金屬切削原理與刀具 機械工業(yè)出版社
4 武友德、吳偉主編 機械零件加工工藝編制 機械工業(yè)出版社 2009（11）
5 趙慧欣等主編 機械制造工藝基礎 電子工業(yè)出版社 2008（1）
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