吳金妹,彭 晗,王 充

(華北水利水電大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，鄭州 450045)

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿鍛模的高速加工*

吳金妹,彭 晗,王 充

(華北水利水電大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，鄭州 450045)

為了克服汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿鍛模在傳統(tǒng)加工中表面質(zhì)量差和生產(chǎn)力低下的缺點(diǎn)，文章提出了基于UG NX 6.0軟件的系統(tǒng)平臺(tái)，采用高速加工技術(shù)制造汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿鍛模，提出了利用UG建立連桿的3D造型，UGCAM模擬高速加工時(shí)刀具的加工路線和鍛模的加工過(guò)程，生成G代碼，最后導(dǎo)入VNUC4.0軟件中模擬加工的過(guò)程來(lái)優(yōu)化連桿鍛模的高速銑削參數(shù)。結(jié)果表明，采用高速加工技術(shù)制造連桿鍛模能縮短加工時(shí)間，提高鍛模精度，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)有較好的參考價(jià)值。

連桿鍛模；高速加工；CAM

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車(chē)的動(dòng)力來(lái)源，汽車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和排氣凈化性等性能指標(biāo)都直接與發(fā)動(dòng)機(jī)有關(guān)。連桿是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中最為重要的運(yùn)動(dòng)部件，作為傳遞氣缸爆發(fā)壓力的主要部件，在傳遞力的過(guò)程中，承受著很高的周期性沖擊力、慣性力和彎曲力，會(huì)使連桿體發(fā)生變形，輕則會(huì)影響連桿機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)行，使其傳動(dòng)性能下降；重則會(huì)破壞活塞頭部的密封性，甚至?xí)?dǎo)致活塞拉缸或者拉瓦，使發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作[1]。而連桿工作時(shí)要承受高溫、高壓、高速、化學(xué)腐蝕和周期性的交變載荷作用，因此對(duì)其模鍛件具有較高的強(qiáng)度、韌性和疲勞性能要求。連桿傳統(tǒng)制造是采用電火花加工(EDM)技術(shù)，但容易出現(xiàn)微小裂紋、表面質(zhì)量差和生產(chǎn)效率低的不足[2]，為了克服連桿加工時(shí)的這些缺點(diǎn), 本文提出了基于功能強(qiáng)大的UG NX 軟件系統(tǒng)平臺(tái)，結(jié)合現(xiàn)代CAD/CAE/CAM系統(tǒng)和高速銑削加工(HSM) 技術(shù)制造連桿鍛模[3]，提高連桿鍛模的整體加工技術(shù)水平 。

1 連桿鍛模的3D造型

UG NX 6.0是一款具有優(yōu)良性能、集成度高的CAD/CAM/CAE應(yīng)用軟件，功能涵蓋產(chǎn)品的整個(gè)開(kāi)發(fā)和制造過(guò)程，包括外觀造型設(shè)計(jì)、建模、裝配、模擬分析、制造加工等[4]。本文連桿鍛模的3D造型就是在UG NX6.0的平臺(tái)下構(gòu)建的，步驟分為[5]：①創(chuàng)建草圖，拉伸建模。單擊草圖按鈕，選擇X-Y平面為創(chuàng)建草圖基本平面，利用草圖工具中的直線，圓弧，快速修剪等命令繪出草圖，并單擊完成草圖按鈕，單擊拉伸并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置進(jìn)行拉伸建模；②拉伸增料生成拉伸體。 大頭凸臺(tái)拉伸10mm，小頭凸臺(tái)拉伸8mm，進(jìn)行鏡像，草圖對(duì)稱(chēng)拉伸25mm，并進(jìn)行布爾求和運(yùn)算，倒R20邊圓， 創(chuàng)建連桿大小端孔；③進(jìn)行布爾運(yùn)算生成型腔模具。繪制矩形草圖，拉伸創(chuàng)建布爾求差目標(biāo)體，選擇連桿做刀具進(jìn)行布爾運(yùn)算求差生成連桿型腔模型，生成型腔后將型腔大小頭型芯分別倒邊圓R15mm，保存生成連桿型腔模型，隱藏線框，最終的連桿鍛模3D造型如圖1所示。

圖1 連桿鍛模的3D模型

2 連桿鍛模的高速加工工藝分析

2.1 高速加工順序分析

連桿模具為凹模型腔，采用型腔高速銑削技術(shù)直接加工該零件，就可以獲得較高的表面質(zhì)量，達(dá)到一定的形位精度和技術(shù)要求。在高速銑削過(guò)程中保持恒定的銑削載荷非常重要，為使刀路軌跡光滑，在加工過(guò)程中應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：① 采用較淺的切削深度和較小步距；② 使用螺旋線或圓弧方式進(jìn)退刀；③ 采用等高分層加工；④ 粗加工時(shí)進(jìn)給率和機(jī)床轉(zhuǎn)速比應(yīng)取最佳，避免刀具運(yùn)動(dòng)急劇變化[6]。

在高速加工中，刀具一般要求平滑地進(jìn)出工件，并通過(guò)調(diào)節(jié)可以保證連續(xù)銑削載荷，以保護(hù)刀具。刀具在切入工件時(shí)，常用螺旋線形方式進(jìn)刀、切出工件時(shí)使刀具沿圓弧方向切出[7]。圖2所示為型腔模具的高速銑削加工刀路光順意圖。

圖2 刀軌光順示意圖

2.2 高速加工過(guò)程分析

連桿鍛模的高速加工主要分為粗加工、半精加工、精加工和清根。

(1)粗加工

粗加工時(shí)，要充分利用機(jī)床主軸功率，盡可能高效去除毛坯上的大部分余量，并使后續(xù)加工余量盡量均勻。但是因?yàn)槟＞咝颓磺姹容^復(fù)雜，空間狹小，可采用φ8R3 的銑刀完成粗加工。

(2)半精加工

半精加工過(guò)程采用φ4R2的銑刀，該方法能夠有效地切除粗加工刀具留下的層狀刀路。根據(jù)高速銑削策略—刀路光順,保持恒定的切削載荷。

(3)精加工

精加工采用φ3的球頭銑刀能快速有效地清除上一道工序留下的刀軌高度，層狀殘余。

(4)清根

采用φ3球頭銑刀精加工處理后, 型腔的底面和倒圓拐角處仍會(huì)有部分殘余的材料未被切除,需要更小的銑刀來(lái)清根處理，所以選用φ2R1的圓角銑刀進(jìn)行清根銑。

表1為主要的銑削工藝參數(shù)。

表1 高速加工工藝參數(shù)表

3 基于UG平臺(tái)的連桿鍛模數(shù)控高速銑削編程

(1)UG數(shù)控加工編程流程

在UG NX 6.0的編程過(guò)程中，需要按圖3所示的步驟完成。

圖3 UG NX 6.0編程步驟

(2)創(chuàng)建加工操作

打開(kāi)UGCAM界面，獲取連桿CAD模型，選擇加工環(huán)境為“型腔銑”，編輯“MCS_MILL”,點(diǎn)擊“CSYS”按鈕選擇“自動(dòng)判斷”類(lèi)型，指定工件上表面幾何中心為機(jī)床坐標(biāo)系原點(diǎn)。

(3)創(chuàng)建幾何體

編輯“WORK PIECE”，檢查幾何體的選擇與編輯方法與部件幾何體相同可選擇實(shí)體或面(當(dāng)一個(gè)曲面即被選擇為部件幾何體，又被選擇為檢查幾何體時(shí)，檢查幾何體將有效，將不在該曲面上生成刀具路徑)，主要是為了防止損壞夾具。

(4)刀具的創(chuàng)建

點(diǎn)擊刀具創(chuàng)建按鈕，選擇刀具的類(lèi)型、刀具子類(lèi)型，設(shè)置加工刀具參數(shù)，輸入相應(yīng)的參數(shù)即可完成刀具的創(chuàng)建，本次銑削加工需要四把不同的刀具，

4 數(shù)控仿真加工

4.1 刀具軌跡的生成與NC代碼的輸出

在仿真加工前，根據(jù)尺寸定義毛坯，在型腔銑對(duì)話框中進(jìn)行刀具參數(shù)、切削區(qū)域和切削參數(shù)的設(shè)置，所有參數(shù)設(shè)置完后，按提示拾取加工對(duì)象，計(jì)算機(jī)開(kāi)始自動(dòng)分析加工模型和計(jì)算刀具軌跡，然后點(diǎn)擊“生成”圖標(biāo)，即可生成型腔銑的加工軌跡如圖4型腔銑粗加工刀軌[8]。刀具軌跡生成后，打開(kāi)后處理對(duì)話框，選擇相應(yīng)的后處理器、輸出粗、精加工的文件名和單位、激活選項(xiàng)等，將生成相應(yīng)加工的NC代碼如圖5。

圖4 型腔銑粗加工刀軌

圖5 鍛模精加工NC代碼

4.2 實(shí)體模擬加工

在“型腔銑”對(duì)話框，選擇“3D動(dòng)態(tài)”，對(duì)工件進(jìn)行比較逼真的模擬加工，圖6為實(shí)體模擬加工的效果圖，通過(guò)動(dòng)態(tài)模擬加工模式可以提高程序的正確性和安全性，可以及早發(fā)現(xiàn)在實(shí)際加工時(shí)存在的問(wèn)題，以便及時(shí)修正程序，避免工件的報(bào)廢。

圖6 實(shí)體模擬效果

5 VNUC4.0軟件中的數(shù)控加工仿真

VNUC4.0軟件是立足于專(zhuān)業(yè)院校數(shù)控加工教學(xué)的模擬仿真而研發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的教學(xué)應(yīng)用軟件，選擇華中世紀(jì)星數(shù)控世紀(jì)星HNC-21M，進(jìn)入數(shù)控仿真操作。在軟件里，設(shè)置刀具和毛坯尺寸、材料，安裝毛坯，機(jī)床回零操作，然后進(jìn)行對(duì)刀，分別把XZ、YZ、Z進(jìn)行X向?qū)Φ?、Y向?qū)Φ?、Z向?qū)Φ?，并輸入到G54中，最后把UGCAM生產(chǎn)的NC代碼加載到VNUC4.0數(shù)控仿真軟件中，選擇自動(dòng)加工方式，調(diào)出待加工程序，為清楚每一程序段機(jī)床所執(zhí)行的動(dòng)作，可點(diǎn)選單段執(zhí)行鍵，然后按下循環(huán)起動(dòng)鍵，即可觀察程序運(yùn)行中機(jī)床加工零件的過(guò)程[9]。如圖7為在VNUC4.0數(shù)控仿真軟件中的仿真加工效果。

從模擬加工效果可以看出，由UGCAM模擬出來(lái)的刀具軌跡是正確的，生成的G代碼也正確，在VNUC4.0軟件模擬的加工中，能形象地模擬出整個(gè)連桿的高速加工過(guò)程，并且達(dá)到設(shè)計(jì)的精度要求，能很好地實(shí)現(xiàn)了連桿在高速加工時(shí)的CAD/CAM一體化。

圖7 在VNUC4.0數(shù)控仿真軟件中的仿真加工效果

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)UGCAM模塊對(duì)連桿鍛模進(jìn)行高速銑削參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)兩次型腔銑加工，一次輪廓區(qū)域銑削加工和清根加工有效的切除毛坯殘余量，而且保證了連桿鍛模較高的加工質(zhì)量。最后的程序仿真可以直觀地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，從而能盡早地進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化來(lái)盡可能避免實(shí)地加工時(shí)可能出現(xiàn)的欠切、過(guò)切、碰撞和干涉等現(xiàn)象，不僅能有效地減少?gòu)U品率，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本，而且能大大地提高了高速加工時(shí)的安全性。由此可見(jiàn)，鍛模的高速加工技術(shù)是可行的，高速加工是鍛模制造業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路。

[1] 陳家瑞.汽車(chē)構(gòu)造[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2] 趙建峰, 繆德建, 顧雪艷. 連桿模具的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造[J] . 機(jī)械制造與自動(dòng)化.，2004, 33( 6) : 16- 17,20.

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[4] 胡仁喜，康士廷，劉昌麗等.UGNX6.0中文版從入門(mén)到精通[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[5] 陳學(xué)翔.UGNX6.0數(shù)控加工經(jīng)典案例解析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

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(編輯 李秀敏)

High-speed Machining of Automobile Engine Connecting Rod Forging Die

WU Jin-mei, PENG Han, WANG Chong

(School of Mechanical Engineering,North China University of Water Resource and Electric Power, Zhengzhou 450045，China)

In order to overcome poor quality and low productivity shortcomings of automobile engine connecting rod forging die surface in the traditional processing, in this paper, proposes platform based on UG NX 6.0 software, produces automobile engine connecting rod forging dies with high-speed machining technology, it proposes that establishing link 3D model with UG, simulating tool routes when machining high-speed machining and forging dies process with UGCAM, G-code is generated, finally, importing simulation machining process of VNUC4.0 software, optimizes high-speed milling parameters of connecting rod forging die. The results show that producing rod forging die with high-speed machining technology can shorten processing time, improve the precision of forging die and has a good reference value for actual production.

connecting rod forging die；high-speed machining；CAM

1001-2265(2014)05-0138-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.05.037

2013-09-23；

2013-10-17

2013年科技廳科技攻關(guān)項(xiàng)目：車(chē)輛集中潤(rùn)滑系統(tǒng)潤(rùn)滑脂流動(dòng)仿真模擬及工程應(yīng)用(132102210096)

吳金妹(1976—)，女，海南屯昌人，華北水利水電大學(xué)講師，碩士，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)制造及設(shè)備方面的研究與教學(xué)，(E-mail)wujinmei@ncwu.edu.cn。

TH164；TG65

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