山東泰安某摩配鍛造有限公司是生產(chǎn)各種型號(hào)摩托車連桿鍛件的企業(yè)，該企業(yè)傳統(tǒng)連桿模具電火花加工所用的電極是采用二維AutoCAD繪圖，手工制作。其方法是：用線切割機(jī)床切割出模板，用手工方法加工出電極的曲面形狀。這種方法存在精度難以得到保證、一致性非常差、新產(chǎn)品的開發(fā)周期很長(zhǎng)等問(wèn)題。由于鍛模的設(shè)計(jì)要滿足精度以及達(dá)到組織性能良好等要求，同時(shí)模具要有足夠的強(qiáng)度和較高的壽命，要求制造簡(jiǎn)單、安裝、調(diào)試及維修方便。

　　螺旋壓力機(jī)模鍛是一種投資較少的生產(chǎn)工藝，且生產(chǎn)的連桿質(zhì)量較好，得到了廣泛應(yīng)用。本文根據(jù)廠家提供的冷鍛件進(jìn)行了針對(duì)螺旋壓力機(jī)設(shè)備連桿鍛模型槽的設(shè)計(jì)以及連桿鍛模的高速切削加工。

1 模具型槽設(shè)計(jì)

　　以螺旋壓力機(jī)用鍛模作為研究對(duì)象，確定連桿的生產(chǎn)工藝為：加熱(感應(yīng)加熱)→制坯（輥鍛機(jī)）→預(yù)鍛→終鍛→切邊→校正。

　　1.1 鍛坯圖

　　模鍛生產(chǎn)過(guò)程、工藝規(guī)程制訂、鍛模設(shè)計(jì)、鍛件檢驗(yàn)及鍛模制造都依賴于鍛件圖，它是根據(jù)零件圖而設(shè)計(jì)，分為冷鍛件圖和熱鍛件圖兩種。冷鍛件圖用于最終鍛件檢驗(yàn)，熱鍛件圖用于鍛模設(shè)計(jì)和加工制造。冷鍛件圖通稱為鍛件圖，以下為其所需內(nèi)容。

　　(1)JC125摩托車連桿鍛坯圖。

　　(2)技術(shù)要求：未注圓角R2，未注拔模斜度7°，非加工面應(yīng)圓滑過(guò)渡；不允許有鍛造裂紋、夾渣、折疊、缺肉等缺陷存在；大小端面的扭曲≤0.2，平行度≤0.2；縱向剖面金屬纖維不得間斷、紊亂；未注鍛造公差按GB1084-791T15級(jí)；熱處理：正火；表面經(jīng)拋丸處理，并防銹。

　　1.2 設(shè)備噸位的確定

　　結(jié)合企業(yè)現(xiàn)有設(shè)備和經(jīng)驗(yàn)公式選擇鍛造連桿的噸位，螺旋壓力機(jī)的噸位選擇計(jì)算公式如下：

P=-KS/q

　　式中：P為螺旋壓力機(jī)公稱壓力；K為系數(shù)，在熱鍛和精壓時(shí)，約為80kN/cm2，在鍛件輪廓比較簡(jiǎn)單時(shí)，約為50kN/cm2；S為鍛件總變形面積，它包括鍛件面積、沖孔連皮面積及飛邊面積；q為鍛件變形系數(shù)，變形程度小的取1.6、不大的取1.3、大的取0.9～1.1。上式適用于錘擊一次成形所需設(shè)備的噸位，若采用2～3次錘擊成形，則按計(jì)算值減半。

　　由于連桿模鍛屬熱鍛，且鍛件變形程度較大，所以系數(shù)K取80kN/cm2，鍛件變形系數(shù)q取1.1，而經(jīng)過(guò)估算S為7000.751mm2。最后算得螺旋壓力機(jī)公稱壓力P為5090kN，采用2～3次錘擊成形，因此按計(jì)算值減半，為2545kN?；谝陨嫌?jì)算結(jié)果，并為確保鍛件質(zhì)量，故選用4000kN螺旋壓力機(jī)。

　　通過(guò)后續(xù)的Deform-3D數(shù)值模擬，可發(fā)現(xiàn)，連桿鍛造過(guò)程中壓力逐漸上升，在形成飛邊時(shí)壓力達(dá)到最大，載荷達(dá)到2.51×106N，與經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算相符合。

　　1.3 終鍛模膛的設(shè)計(jì)

　　終鍛模膛是鍛件最后成形的模膛．通過(guò)它獲得帶飛邊的鍛件。終鍛模膛按照熱鍛件制造，其模膛的設(shè)計(jì)包括熱鍛件和飛邊槽的設(shè)計(jì)。

　　(1)熱鍛件的設(shè)計(jì)是按冷鍛件以一定的收縮率經(jīng)計(jì)算后得到，熱鍛時(shí)鋼材的收縮率一般取1.2%～1.5%，熱鍛件尺寸計(jì)算公式如下：

L=l(1+δ%)

　　式中：L為熱鍛件尺寸，mm；l為冷鍛件尺寸，mm；δ為終鍛溫度下金屬的收縮率。

　　JC125摩托連桿材料為40Cr．始鍛溫度為1180℃，終鍛溫度為850℃。材料熱脹系數(shù)δ取12%，兩孔間尺寸熱脹系數(shù)取1.0%，因兩孔在鍛造時(shí)經(jīng)多次打擊易被拉長(zhǎng)。

　　將鍛件圖按比例縮放，繪制基體，在SolidWorks中進(jìn)行建模，得到連桿的熱鍛件模型，如圖2所示。

　　(2)飛邊槽的設(shè)計(jì)飛邊槽形式多種多樣，根據(jù)螺旋壓力機(jī)的噸位選取飛邊槽的形式，如圖3所示。它適用于連桿這一形狀比較復(fù)雜的鍛件。

　　通過(guò)連桿的模型，在SolidWorks中利用布爾運(yùn)算得到連桿的模具型腔，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行模具飛邊槽的運(yùn)算，得到了連桿的終鍛模具型槽。通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，連桿的大端和小端及橋部的充型良好，同時(shí)，通過(guò)數(shù)值模擬改變了連桿大端的遠(yuǎn)角半徑。鍛件圖原有的大端尺寸圓角為R1=R2=R3=1.5mm，通過(guò)對(duì)不同圓角半徑進(jìn)行模擬后對(duì)比發(fā)現(xiàn)，半徑增大，充型能力較好；但是研究大端破壞性發(fā)現(xiàn)，并非圓角半徑越大越好，圖5即為最優(yōu)的圓角半徑，R1=R2=1.5mm，R3=2mm。

　　1.4 預(yù)鍛模膛的設(shè)計(jì)

　　預(yù)鍛模膛是在終鍛模膛的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，但又有所其差別，下面主要介紹連桿預(yù)鍛模膛的設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

　?、兕A(yù)鍛模膛的高度要比終鍛模膛的高度高2～5mm，而寬度要比終鍛模膛小1～2mm。此外，預(yù)鍛模膛的容積要稍大于終鍛模膛的，因?yàn)轭A(yù)鍛模膛不設(shè)飛邊槽。②預(yù)鍛模膛的圓角半徑一般要比終鍛模膛相應(yīng)之處的圓角半徑大。③由于連桿蓋和大頭端是合成一體鍛造的，因此這部分的設(shè)計(jì)是介于叉形劈開和內(nèi)孔成形之間。內(nèi)模斜度比終鍛模膛稍大，選為10°，在切斷分離部分與平底連皮之間也設(shè)計(jì)成圓角過(guò)渡。④桿體工字形部分：模膛寬度和終鍛模膛相同，高度比終鍛高2mm，這樣以便在終鍛變形一開始，金屬就受到模膛外壁的阻力，有利于充滿模膛和防止產(chǎn)生折疊。內(nèi)模斜度為終鍛的2倍，這主要是減緩金屬外流，防止工字形內(nèi)側(cè)充不滿而引起反流折疊。

2 連桿模具的CAM

　　CAXA是我國(guó)制造業(yè)信息化CAD/CAM和PLM領(lǐng)域研發(fā)的擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)軟件的優(yōu)秀代表。它可通過(guò)CAM模塊生成刀具路徑，經(jīng)過(guò)后置處理轉(zhuǎn)換成NC程序，生成數(shù)控G代碼，傳送至數(shù)控機(jī)床中進(jìn)行加工。對(duì)于復(fù)雜模具的數(shù)控加工，利用CAXA軟件中的曲面加工則很易實(shí)現(xiàn)，并且通過(guò)模擬加工來(lái)驗(yàn)證程序的可行性，并通過(guò)后置處理，最后生成符合加工條件的數(shù)控程序。

　　2.1 連桿模具的CAM

　　CAXAME軟件加工管理功能強(qiáng)大，能夠提供多軸數(shù)控機(jī)床的圖形加工軌跡和NC代碼，并可進(jìn)行加工軌跡的動(dòng)態(tài)仿真。最后用CAXAME 2007對(duì)連桿凹模進(jìn)行處理并生成加工軌跡。

　　2.1.1 加工前的準(zhǔn)備工作

　?、僭谠煨椭耙褜?duì)零件進(jìn)行了的三維尺寸的放大。所以毛坯的尺寸采用參照模型，毛坯的類型采用鍛件。②設(shè)置機(jī)床的參數(shù)及數(shù)控代碼。⑨設(shè)置刀具類型和刀具參數(shù)。④加工刀路設(shè)計(jì)。

　　根據(jù)鍛模的特點(diǎn)，經(jīng)反復(fù)比較，確定加工類型為等高線粗加工。此加工方法能快速除去大量的毛坯材料，使用球頭立銑刀，采用垂直下刀，加工方式為往復(fù)切削方式。精加工的方式與粗加工一樣，采用等高線精加工，參數(shù)設(shè)置大致一樣。

　　2.1.2 粗加工刀具軌跡的生成

　　①根據(jù)零件的尺寸確定毛坯的大小。②在等高線粗加工參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，設(shè)定刀具參數(shù)、加工參數(shù)和切削用量參數(shù)等。③設(shè)定完成后，按提示拾取加工對(duì)象，計(jì)算機(jī)開始分析加工模型、計(jì)算刀具軌跡，最終生成數(shù)控粗加工刀具軌跡。　　2.1.3 精加工刀具軌跡的生成

　　①在彈出的等高線精加工參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，設(shè)定刀具參數(shù)、加工參數(shù)和切削用量參數(shù)；②設(shè)定完成后，按提示拾取加工對(duì)象，計(jì)算機(jī)開始分析加工模型、計(jì)算刀具軌跡，最終生成數(shù)控精加工軌跡。

　　刀具軌跡生成后，利用CAXAME的軌跡仿真功能進(jìn)行軌跡仿真，若對(duì)仿真結(jié)果不滿意，可根據(jù)需要對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行修改，重新生成刀具軌跡，進(jìn)行軌跡仿真，直到在加工的過(guò)程中未出現(xiàn)干涉和過(guò)切的現(xiàn)象。見(jiàn)經(jīng)軌跡仿真確定后，利用CAXAME的后置處理生成數(shù)控機(jī)床所使用的NC代碼。因是數(shù)控銑加工，不具備換刀功能，故在做后置處理時(shí)要把各模組分別進(jìn)行后處理（可以按刀具進(jìn)行劃分），生成對(duì)應(yīng)的數(shù)控加工程序，加工時(shí)，根據(jù)工藝選擇相應(yīng)的刀具和加工程序。

　　2.2 高速銑削加工參數(shù)的選擇

　　本模具加工使用的是FIDIA高速數(shù)控銑床D165，主軸最高轉(zhuǎn)速36000r/min，最大加工速度25m/min。

　　2.2.1 刀具的選擇

　　選擇刀具時(shí)應(yīng)考慮待加工面情況和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際刀具貯備情況。根據(jù)毛坯（為一矩形塊）和加工面情況，先選擇一把直徑較大的刀具去除大部分的余量再用一把小直徑刀具去除未加工到的部位（上接第194頁(yè)）（需留精加工余量），最后用球刀進(jìn)行曲面精加工（因?yàn)槭遣捎脭?shù)控銑床加工，沒(méi)有自動(dòng)換刀功能，工序要集中，故應(yīng)盡量減少刀具數(shù)量）。選用的刀具是專用高速切削刀具GC1610，硬質(zhì)合金基體上的TiAIN涂層刀具。

　　No1、φ6R3-硬質(zhì)合金球頭銑刀（用于粗加工）；

　　N02、φ4R2-硬質(zhì)合金球頭銑刀（用于粗加工）；

　　N03、φ2R1-硬質(zhì)合金球頭銑刀（用于精加工）。

　　2.2.2 切削參數(shù)的選擇

　　高速銑削加工用量的確定主要考慮加工效率、加工表面質(zhì)量、刀具磨損以及加工成本。不同刀具加工不同工件材料時(shí)，加工用量會(huì)有很大差異，目前尚無(wú)完整的加工數(shù)據(jù)，通?？筛鶕?jù)實(shí)際選用的刀具和加工對(duì)象參考刀具廠商提供的加工用量選擇。

3 結(jié)語(yǔ)

　　利用CAD/CAM/CAE軟件可進(jìn)行連桿鍛模型槽的設(shè)計(jì)和加工，能縮短模具的生產(chǎn)周期，以及確保模具的表面品質(zhì)和加工精度，最后可取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。