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堆焊曲轴锻模高效加工技术

来源:  内蒙一机集团瑞特工模具有限公司     时间:  2014-12-01 13:30
 
堆焊曲轴锻模高效加工技术

刘桂萍 彭志国 陈钧 张虎亮   郭毅 孟雪芬 龚太彦 王勇 杨俊仁 卢军 
孙靖 朱剑利 杨海军 王义良 尹伟 胡志勇

(内蒙一机集团瑞特工模具有限公司)

摘要:本文针对堆焊锻模型腔硬度高,高硬度切削困难,加工成本提高。以汽车曲轴锻模为例,通过对影响因素进行理论分析和实验研究,提出采用优化切削参数,刀具选用、合理编程等方法提高锻模的整体加工质量,合理控制的控制成本。
关键词 :堆焊曲轴锻模、高硬度、高硬度切削

 
引      言
 
利用报废模体,采用增材技术对锻模进行生产,堆焊后型腔硬度为HRC55-60。加工极其困难,生产效?#23454;汀?#20197;重车曲轴锻模为例,其结构特点是曲柄部位深、窄、凹圆?#20999; ?#26354;柄深度为65mm左右,曲柄宽度为35mm左右,最小拔模斜度1度。型腔凹圆?#20999;。?#22411;腔凹圆角大部分为R3,型腔本身复杂、拐点多,如图片(一)。实现模具中、高硬度的高速切削,将会是模具加工技术的一次飞跃。
          图片(一)堆焊后,加工完成汽车锻模

 
一、传统锻模加工和高硬度、高效切削加工的区别
传统锻模的加工方法是在模具钢退火状态进行切削加工(主要是铣削加工),然后淬火,硬度≥HRC42后进行磨削加工和电火花成型加工,留量进行打磨、抛光、修型和贴配。这其中手工工序占了整个加工周期的很大一部分。整体加工的周期长,生产效?#23454;汀?/span>
高效切削加工是采用小切削量,通过刀具、程序、机床等,使切削性能的改善和切削力降低,保证效率。在保证零件精度和质量的前提下,通过对加工过程的优化,提高单位时间材料切除量来提高加工效率和设备利用率、降低生产成本的一种高性能加工技术。
通过对比,从提高单位时间材料切除量进行研究,通过固化工艺方?#28014;?#20248;化切削路径、参数、合理选用刀具等措施,实现高效、高硬度加工。
 
二、高效切削技术在铣削模具型腔工艺分析
在切削中单位时间的材料切除率取决于切宽、切深和每齿进给量等;?#20985;小⒄艺?#25442;刀等生产辅助时间同样是影响生产效率的重要因素。可见,高效加工涉及零件制造整个过程。加工工艺涉及毛坯制作、工?#31456;废?#21046;订、工艺方法选取以及?#20985;?#23450;位、刀具和切削参数等方面,是决定加工效率的关键技术。如何实?#24535;?#21248;的毛坯余量、方便快捷的?#20985;?#26041;法、快速高效的材料切除过程是实现产品高效加工的关键。特别是切除过程中余量突变,切削力、机床负载都随余量变化,直接影响整个程序段的切削速度。对整个工?#23637;?#31243;?#27492;擔?#24037;序之间的合理衔接,均匀控制余量,是提高整体效率的关键。
针对堆焊曲轴锻模的特点,其毛坯制作、?#20985;?#23450;位基本是确定?#27169;?#21487;看作常数对待。因此堆焊曲轴锻模切削加工工艺的关键技术主要包括工艺方案确定(合理控制硬度)、切削方法和切削参数的优化,数控编程技术及刀具路?#22534;?#25321;。
首先在机械加工工艺方面研究刀具、切削参数、程序路径是我们提效的着力点,即:通过确定合理的工艺方法、合理选用刀片,优化切削参数、程序路径。其次在热处理工艺方面研究在保证质量的前提下改善材料切削性能,最终达到高效率加工、低刀具消耗的目的。
 
三、高速切削技术在铣削锻模具型腔中的应用与分析
 
3.1  工艺方案确定(合理控制硬度)
通过实验得出;堆焊曲轴锻模硬度HRC50-HRC51时的加工效率是硬度为HRC56 -HRC58时的1.5倍,刀具消耗数量是其三分之一。新制造锻模硬度在db=2.9-3.2(HRC40-47)。确定的工艺方案?#21644;?#25104;加工平面后,在焊接区域平面内进行硬度测量,若硬度≥HRC51,增加回火工序,保证型腔硬度db=2.9-3.2(HRC40-47),以改善切削性能。
 
3.2合理选用切削参数及刀具:
(1)切削方式的选择
在高切削加工中,应尽量选用顺铣加工,因为在顺铣时,刀具刚切入工件产生的?#34892;?#21402;度为最大,随后逐渐减小。在逆铣时,刀具刚切入工件产生的?#34892;?#21402;度为最小,随后逐渐增厚,这样增加了刀具与工件的摩擦,在?#24230;?#19978;产生大量热,所以在逆铣中产生的热量比在顺铣时多很多,径向力也大大增加,缓解了高硬度切削时切削热对刀具的损伤。同时在逆铣中?#24230;?#21463;力状态较顺铣更为恶劣,降低了刀片的使用寿命,顺铣和逆铣时刀具切入工件的过程,如图(二)所?#23613;?br />

 顺铣                                                                       逆铣
                         图(二) 刀具切入工件的过程示意

   刀具选则上通过分析加工中的切削原理和实际生产情况,主要考虑以下方面:
 
   粗铣顶平面时用牛鼻子刀,它切削强劲,具有良好的稳定性,加工?#24418;?#25391;动,金属去除率高,结合齿距和刀片的选择(?#26412;?#23613;量大些,如63刀),同时具备镜平面、陡峭面加工能力,并能保证良好的光洁度。与立?#36710;?#30456;?#20154;?#30340;侧刃不易崩刀,与球头刀相比,其步距可大,切削线速度高。
 
精铣型腔时我们选用球?#24223;车叮?#29699;?#24223;车?#22240;切削过程中被加工曲面与?#36710;?#29699;面的公法线经过?#36710;?#29699;面的球?#27169;?#20351;干涉过切现象易于监测,切削运动轨迹易于控制,刀体尺寸应结合结构特点来考虑,尽量选择长径比小的刀具。长径比最好控制在4:1以内,更适合加工曲轴锻模型腔的结构复杂。在加工?#24418;?#20204;考虑刀具、产品特点尽量选用大?#26412;?#20992;具,但执行后一道程序的刀具的?#26412;?#35201;大于或等于执行前一道程序刀具?#26412;?#30340;1/2,这样才能保证这?#35757;?#20855;路径覆盖上一?#35757;?#20855;最后加工的路径,不会在局部留有凸包,保证余量均匀和良好的切削环境。
局部精加工(清根),型腔凹圆角大部分为R3用φ6R3进行精加工,可以一?#20255;?#25972;个型腔加工完成,没有接刀痕迹,表面粗糙度好。方法是要先求出R3刀具加工不到的边界,再用三维偏置加工边界里的曲面。刀具的悬伸长度要60mm,刀具长径比达到了10 : 1切削稳定?#22278;睿?#20992;杆采用硬质合金材料,提高刀具切削的稳定性。在数控铣?#37319;?#36827;行过加工试验,由于主轴回转精度高,通过控制切削参数,清根用φ6R3球头?#23545;?#38271;径比达到101的情况下,等高精加工6小时,刀具完好无损,一?#35757;?#21487;加工完成的一?#21331;?#26354;轴锻模。根据多年的加工与观察,我们针对最小拔模角和最小圆角,选择1°的锥度球?#24223;车叮?#24456;好地满足了加工策略的要求。
对于堆焊曲轴锻模的加工,要提高加工效率,不能单纯提高转速与进给。刀具长径比超过一定比例后,转速不易太高,否则刀具摆动加剧,磨损会更快。在选择刀具及刀片时我们对这些因素进行综合考虑,取得了显著效果。
刀片材质选择涂刀片应选择高韧性硬质合金,这是考虑到此类牌号刀片的切削刃安全性能好,可承受高硬度切削时刀具承受的巨大的径向切削力以及剧?#19994;?#20999;入、切出冲击。氮化钛铝、氮化钛涂层刀片)。它具有的硬度高、良好的切削性能,适合高硬度切削(满足硬度为HRC42-45加工的全部条件)。刀片形状上看,选择圆形的刀片,因为圆形刀片强度?#32454;擼?#36991;免了垂直切削,在切削高度变化时,铸件离开垂直面,更好改善切削力,?#24230;?#19981;易发生破损,即使刀片一个方位破损后,圆形刀片可变换多个方位使用,直到整个圆周都磨损才报废,经济性高。长方形或接近长方形的刀片切削力变化大,磨损后刀片只可变换一次,刀具成本?#32454;摺?/span>
(2) 确定合理的切削参数
确定合理的切削参数,就是在充分考虑刀具耐用度的情况下对切削参数进行优化。
以堆焊曲轴锻模加工均采用硬质合金刀具涂层刀具为例,故m为常值。即
T=(C0/v)1/m= C/v4  。
由此可见切削速度v 对刀具耐用度T的影响程度。即切削速度v越小,刀具耐用度T越大。但切削速度v小,劳动生产?#23454;停?#25925;不能一味地通过降低切削速度v达到提高刀具耐用度T的目的。应研究在保证一定生产率的前提下,谋求刀具最小消耗即提高刀具耐用度T。通过实验法可求出切削深度ap,进给量f对刀具耐用度T的影响关系,其关系为:
             T= CT/ (V 1/m f1/m1 ap 1/m2)
经过试验我们确定了优化的切削参数配比。即粗精加工时的切削参数情况见下表:
加工硬度
加工深度
切削参数
吃刀量(mm)
切削速度(m/min)粗加工
切削速度(m/min)精加工
HRC45-50
0-30
0.3
650-700
1000-1400
31-65
0.4
750-800
1200-1500
HRC50-52
0-30
0.3
600
1000-1200
31-65
0.4
700-800
1200-1500
 
3.3  优化数控编程及刀具路径:
数控程序的编制应尽量使刀具承受载荷均匀,避免刀具走刀方向的突然变化,避免因局部过切而造成刀具的损坏。通过数控编程程序补偿机床CAM系统能根据加工瞬时余量的大小,自动对进给率进行优化处理,可减少刀具损坏。在加工方法上采用层?#25104;?#24230;优先,这样可降低抬刀次数;刀具进刀采用斜插入,避免刀具突然承受巨大载荷而造成刀具的损坏。尽量减少刀具的急速换向,同时考虑加工不同阶段采用不同程序。粗加工中的修圆和光弧连接功能?#21152;?#21435;掉,这样可减少重复刀路,提高效率。对数控粗加工程序刀路及数控程序模拟效果进行模拟分析(见图三),确认数控程序刀路的可靠性,分析得出无过切及刀具碰撞现象。在优化程序时尽量考虑加工余量径向大于轴向,主要是考虑到走刀时,如果刀具发生?#31995;?#29616;象,径向比轴向更容易扎刀。 

                      
                                  图片(三)数控程序模拟效果图
为提高加工效率及保证刀具强度,粗加工时选择的刀具?#26412;?#36739;大,导致精加工时加工余量不均匀,为了保证加工后产品的表面质量,精加工时采用的程序应充分考虑刀片的磨损及刀片自身的?#32479;?#20987;性,尽量保证清根时余量均?#21462;?/span>进行了数控精加工程序参数设计及数控精加工程序刀路设计。示意?#25216;?#22270;片(?#27169;?/span>
 
     
 
                                                                                     
 
图片(?#27169;?#25968;控精加工程序刀路示意图                                图片(五)清根刀路局部放大图
 

       在切削加工中主要选择回路或单一路径切削。这是因为在换向时,机床主轴速度有缓冲过程(紧急降速)然后再执行下一步操作;机床再次运行程序加速到正常速度需要一定时间,对表面精度、加工效率均有影响,且有可能在拐点处发生过切,打刀、啃刀现象。选择单一路径切削模式来进行切削,尽可能地不中断切削过程,尽量减少刀具的切入切出次数,以期获得相对稳定的切削过程。进行局部精加工
时一定要区?#20013;?#38754;是陡峭区域还是平面区域,陡峭区域采用分层加工,这样可?#34892;?#30340;减小切削力,平面区域采用由外向内环绕加工,可减小了切削力同时?#34892;?#25552;高切削效率,避免球刀中心连续切削。如图片(五)为局部精加工刀路局部放大图。
四、结束语
 
   在加工工艺中引进高效加工的概念思想,可以改进我们的模具设计、提高模具生产效率、降低模具整体成本有着深远的意义,为我们的模具产品以高质量、高效率、高寿命、低工期、低成本的姿态走向市场、争取了更大的空间。
参考文献
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4 武?#35757;隆?#21556;伟主编 机械零件加工工艺编制 机械工业出版社 2009(11)
5 赵慧欣等主编 机械制造工艺基础 电子工业出版社 2008(1)
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由中国模具工业协会组编、武兵书会长主编、18位模具行业专家、教授参与撰稿的《中国战略性新兴产业研究与... 更多
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