劉科

(陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司，陜西寶雞 722409)

0 引言

同步器鋼齒環(huán)精密成形是公司首次進(jìn)行的齒部精密鍛造工藝[1]，其從工藝設(shè)計(jì)[2]，到模具加工、現(xiàn)場(chǎng)控制等全過程均與現(xiàn)有鍛造工藝差異甚大。尤其在模具加工方面，項(xiàng)目初期五軸高速加工設(shè)備尚未到貨，外購(gòu)模具價(jià)格昂貴且供貨周期較長(zhǎng)，因此如何實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)有三軸加工中心上的鋼齒環(huán)模具自制，最終實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)成為重中之重。

1 三軸加工中心上鋼齒環(huán)模具加工工藝攻關(guān)

鋼齒環(huán)模具[3]有幾個(gè)顯著特點(diǎn)：高硬度(洛氏HRC56～60)、深型腔加工(刀具長(zhǎng)徑比最大16，深度12～14 mm)、極小圓角(≤R0.25 mm)，導(dǎo)致加工難度增加,如圖1所示。

圖1 鋼齒環(huán)模具加工現(xiàn)狀

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為臺(tái)灣喬福DMC-912三軸加工中心，主軸轉(zhuǎn)速12 000 r/min。

圖2是當(dāng)時(shí)攻關(guān)完成前后齒部、鍵槽部位圖片對(duì)比。由圖可看出，主要問題如下：(1)各重要圓角部位未達(dá)到圖紙要求；(2)齒形齒向基本沒有加工出來；(3)加工表面接刀紋明顯、表面粗糙度未達(dá)到圖紙要求。

圖2 鋼齒環(huán)模具對(duì)比

針對(duì)上述存在問題，采用逐一排除法，對(duì)未達(dá)到圖紙要求的所有因素分別調(diào)整和試驗(yàn)。

2.1 刀具的選擇

對(duì)長(zhǎng)徑比為16(無法實(shí)現(xiàn)擺軸的三軸加工中心)、直徑φ1 mm以下的刀具來說，最基本的加工要求是過程中刀具要耐磨、不能斷刀。經(jīng)用日立、山特、黛杰、山高等多個(gè)刀具廠家試驗(yàn)對(duì)比。最終確定使用日立小徑球頭立銑刀(由于日立刀具具有高耐磨性、較高的韌性、性價(jià)比最高等因素，符合該模具加工刀具要求)。

2.2 切削用量的選擇

車間內(nèi)熱后大部分模具的加工一般切深0.2 mm以上，現(xiàn)在選擇使用小徑立銑刀，通過反復(fù)的切削參數(shù)調(diào)整試驗(yàn)，最終確定了適合的切削用量，例如φ1R0.5L12-L16的球頭立銑刀，切寬切深在0.025 mm左右，該工具性價(jià)比高，并且可保證模具的加工質(zhì)量。

2.3 主軸轉(zhuǎn)速調(diào)整

由于車間喬福DMC-912三軸加工中心最高轉(zhuǎn)速只有12 000 r/min，但該模具高速銑削要求的最低轉(zhuǎn)速在20 000 r/min以上，因此考慮實(shí)驗(yàn)初期加工不出齒形的原因，可能是由于主軸轉(zhuǎn)速不夠造成的，于是在主軸上加裝高速頭，使最高轉(zhuǎn)速達(dá)到36 000 r/min。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)加工，發(fā)現(xiàn)僅僅提高轉(zhuǎn)速也不能加工出齒形。

2.4 加工策略的選擇

控制系統(tǒng)采用FANUC-18I MB數(shù)控系統(tǒng),刀具在拐角沒有高速的處理插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)能力，拐角快速轉(zhuǎn)彎，使模具幾何形狀達(dá)不到技術(shù)要求，通過實(shí)驗(yàn)增加高速預(yù)讀代碼G05.1Q1 和G05.1Q0 來增加多程序段處理進(jìn)行插補(bǔ)前的直線加減速，由于多程序段的預(yù)先加減速，加工中能加速平滑，實(shí)現(xiàn)高速加工。該策略選擇對(duì)加工效率、加工質(zhì)量起了很大作用。

2.5 編程軟件的選擇

編程軟件是復(fù)雜高速銑削加工的指揮棒，現(xiàn)在主流編程軟件Pro/E、UG、Powermill、Hypermill等逐一試用，在軟件公司技術(shù)人員的幫助下掌握了高速加工的理念和方法。由于UG中CAM模塊Z_LEVLE(等高精加工)加工策略進(jìn)行陡峭面加工，8°斜面采用CAM模塊FIXED_CONTOUR(固定軸輪廓)加工平緩面。圖3是編程軟件生成的清根刀路。通過比對(duì)，并考慮UG軟件仿真功能、編程系統(tǒng)全面和積極的售后服務(wù)，最終選擇了UG軟件來進(jìn)行模具編程及后處理。

圖3 編程軟件生成的清根刀路

2.6 余量調(diào)整及加工順序

精鍛模具加工順序一般為熱前粗車、熱后精車粗精銑，精銑時(shí)需要用到多把刀具：Φ10 mmR1 mm刀開粗—Φ6 mmR1 mm刀粗銑—Φ3 mmR1.5 mm球刀半粗銑—Φ2 mmR1 mm球刀半精銑—Φ1.5 mmR0.75 mm球刀半精銑—Φ1 mmR0.5 mm球刀精銑—Φ0.8 mmR0.4 mm球刀清根。

加工過程中各刀具留量、加工區(qū)域的選擇、接刀效果以及清根效果是加工過程中的一個(gè)重要課題。通過分析比對(duì)，最終確定了合理的加工順序和加工余量。

2.7 冷卻條件的選擇

由于模具洛氏硬度在HRC56～60、刀具長(zhǎng)徑比偏大，當(dāng)轉(zhuǎn)速在12 000 r/min以上時(shí)刀具和模具間產(chǎn)生大量熱量，造成加工讓刀現(xiàn)象，其中最大讓刀量為0.2 mm。后續(xù)試驗(yàn)了切削液冷卻、油霧冷卻、氣冷等3種冷卻方式。油霧冷卻和氣冷使用后模具加工尺寸穩(wěn)定，最終選擇油霧冷卻和氣冷結(jié)合方式。

3 試驗(yàn)過程簡(jiǎn)述

圖4為一個(gè)齒一種或多種實(shí)驗(yàn)方案。

圖4 一個(gè)齒實(shí)驗(yàn)一種或幾種加工方案

由圖4可以看出：第1—5齒，攻關(guān)之前的加工方法，高速頭22 700 r/min或不用高速頭，齒形均未出。

第6—8齒，取消高速頭，主軸轉(zhuǎn)速9 600 r/min，進(jìn)給460 mm，冷卻液開或不開對(duì)齒形有影響，說明切削產(chǎn)生的熱量很大，齒形基本出。

第9—10齒，使用高速頭加工，22 700 r/min，調(diào)整不同進(jìn)給速度，齒形未出，說明僅僅提高轉(zhuǎn)速并不會(huì)改善加工效果，反而加速刀具磨損。試用了KENDU的球刀，但讓刀非常嚴(yán)重。

第11—13齒，將基礎(chǔ)模型的齒部圓角由R0.5 mm改為R0.55 mm，改善滿刀加工改刀具帶來的巨大負(fù)擔(dān)，并實(shí)驗(yàn)不同進(jìn)給量，齒形很好。

第14—27齒，加工齒側(cè)、110°夾角面，實(shí)驗(yàn)不同留量、不同加工策略、不同的加工區(qū)域選擇方法對(duì)加工效果的影響，改進(jìn)加工方式提高加工效率，實(shí)驗(yàn)不同刀具、參數(shù)加工效率降低刀具成本。

第28—31齒，精細(xì)控制各轉(zhuǎn)接處接刀，選擇合適的接刀位置。

第32—41齒，程序連續(xù)性實(shí)驗(yàn)，根據(jù)之前的實(shí)驗(yàn)效果，連續(xù)加工10齒，不用高速頭，主軸轉(zhuǎn)速9 600 r/min，進(jìn)給200～340 mm，切深切寬0.02～0.03 mm，M刀路清根，加工效果良好，刀具磨損少。

第18齒試用了Φ0.5 mmR0.25 mmL6 mm的球刀，但是由于刀具直徑太小，設(shè)備、冷卻等均無法滿足極小刀具加工要求，因此并不成功。

加工過程中采用油霧冷卻和氣冷結(jié)合方式，試驗(yàn)后表明，長(zhǎng)徑比大的刀具加工排熱是非常關(guān)鍵的，沒有及時(shí)排熱將嚴(yán)重影響模具質(zhì)量、刀具使用壽命。

實(shí)驗(yàn)采用逐齒加工，測(cè)齒部跨棒距波動(dòng)較大，說明刀具磨損較大。解決這個(gè)問題有兩種方法：(1)再反向走一遍程序;(2)逐層加工。由于后者耗時(shí)太長(zhǎng)，因此采用了前一個(gè)辦法。

由于刀具太小，肉眼無法看出刀具磨損情況，當(dāng)時(shí)對(duì)刀儀也沒到貨，因此采用了40倍和100倍的放大鏡來觀察，很清楚地就能看到刀具刃口情況。

4 工藝路線定型及試驗(yàn)結(jié)果

加工中心鋼齒環(huán)齒部工藝路線：開粗—二粗—三粗—一精—二精(清根)—三精，具體參數(shù)見表1。

表1 鋼齒環(huán)加工具體的刀具、轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和加工時(shí)間參數(shù)

通過多輪試驗(yàn)最終加工出符合圖紙要求的尺寸，具體加工尺寸見表2。

表2 鋼齒環(huán)最終加工結(jié)果 mm

5 結(jié)束語

綜上所述，高速加工是一個(gè)要求適用于高速加工的加工中心、高性能刀具夾持系統(tǒng)、高速切削刀具、優(yōu)秀的UG軟件等的系統(tǒng)工程。而喬福DMC-912是一臺(tái)普通的三軸加工設(shè)備，通過多輪工藝試驗(yàn)，利用現(xiàn)有設(shè)備發(fā)揮出機(jī)床最大價(jià)值，攻克了工藝難點(diǎn)。

工藝定型后每月生產(chǎn)鋼齒環(huán)齒模15件，模具壽命達(dá)4 000～6 000模次，每月可產(chǎn)鋼齒環(huán)60 000件，基本滿足需求。該零件的模具外購(gòu)3萬/件，現(xiàn)通過車間批量生產(chǎn)自制后，每件模具可產(chǎn)2萬/件鋼齒環(huán)，每年可節(jié)約資本150萬元。