CN101596617A - 一种辊锻模膛数控加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明的名称为一种辊锻模膛数控加工方法。属于辊锻制坯、预成形及终锻成形模具技术领域。它主要是解决现有技术存在不能很好地保证辊锻模膛加工质量和加工效率低的问题。它的主要特征是：①根据产品图取得该产品特征的外形尺寸，对应输入UG软件，得到辊锻模膛直型腔图；②采用带回转工作台的卧式数控机床，将模膛半径、辊圆方向参数输入UG软件，得到分模面为圆弧面的辊锻模膛四轴联动数控加工程序；③选择Φ32－25的刀具进行数控粗铣；④选择Φ16－10的刀具进行数控精铣；⑤采用小砂轮片或砂纸进行型腔表面抛光。本发明具有加工辊锻模膛精度高、质量好、速度快、自动化程度高的特点，主要用于分模面为圆弧面的汽车前轴辊锻模膛数控加工方法。

Description

一种辊锻模膛数控加工方法

技术领域

本发明属于辊锻制坯、预成形及终锻成形的专用模具技术领域。具体涉及一种分模面为圆弧面的辊锻模膛数控加工方法。

背景技术

汽车前轴辊锻模膛就是以分模面为圆弧面而设计的前轴辊锻模锻复合工艺辊锻制坯、预成形及终锻成形的专用模具。在汽车前轴辊锻模锻复合工艺生产过程中，所需模具型面日趋复杂，尤其是辊锻模膛中复杂曲面所占比例不断增加及前轴锻件质量要求不断提高，对辊锻模膛的制造精度提出了更高的要求。在前轴模具加工过程中，模具制造工艺系统的确定、数控加工机床系统的精度和模具制造的CAM技术都会对曲面加工质量产生影响。

前轴辊锻模膛外形加工完成后就进行型腔加工，传统的加工工艺为：人工画线→普通卧式镗床镗型膛→人力手工修磨。辊锻模膛设计过程：前轴直毛坯型腔→尺寸转化角度(根据圆弧长和所对应的圆心角的关系公式)→辊锻模膛。这里，前轴的直毛坯型腔(以下简称“直型”)的中心线为直线，将“直型”的尺寸一一对应地转化为沿圆弧分布的辊锻模膛(以下简称“辊模”)的半径(型腔深度)和角度。“直型”的水平尺寸和竖直方向的尺寸比较容易转化，即“直型”上的水平面和竖直面比较容易分布到“辊模”圆弧上。“直型”上的斜面转化到“辊模”圆弧上时需要视情况而定。然而，“直型”上的圆弧曲面、不规则曲面等转化到“辊模”圆弧上时就比较困难了。这时工程上采用的是分割法，即将“直坯”的圆弧沿竖直方向分割为若干个曲线段，将这些曲线段的端点一一对应地转化至“辊模”圆弧上，连接“辊模”圆弧上的这些点构成的曲线代表原“直型”的圆弧。在“直型”上分割线越密则“辊模”的设计尺寸精度越高。在目前没有其它好的运算方法的情况下，这是一个不太高深但很麻烦的过程，显然满足不了产品快速换型的设计需要。实际工程操作中，通常采用的技术措施是：经验估算→前轴辊锻调试→修改模具→测绘模具→修改图纸。这种方法设计的辊锻模膛在前轴锻件精度要求不太高的情况下是比较实用的。这种模膛加工方式存在着加工质量差、效率低等缺点而逐渐被淘汰。

近年来国内外对轧辊类模具的加工一般采用的工艺有：仿形铣和分段式数控加工。这两种加工方式较普通镗床加工，型腔质量有了一定的提高。但是仿形加工模具质量取决于被仿模型(靠模)的尺寸精度，又因为靠模加工周期较长，需要大量硬木，从而限制了前轴型号的扩展和产品开发速度。而分段式数控加工是借用平面模具的加工原理：把辊锻模膛划分为几个区段，每个区段看着是平面模具的一部分。在数控机床上加工时，数控回转工作台只起分度头的作用，即数控机床在各区段工作时是X、Y、Z三轴联动加工，一个区段加工完后再将数控机床的第四轴按程序设定的角度人工手动旋转一个角度，在这个角度下接着加工下一个“平面”模具区段……如此，直到把每个区段加工完毕，才能完成一幅模具型腔的加工。分段式数控加工以其加工程序设计简单而成为目前辊锻模膛加工的主要途经。分段式数控加工存在以下不足之处：一是不能很好地保证辊锻模膛加工质量，一幅模具往往需要三至五次接刀；二是走刀的平稳性差，这是由于辊锻模膛的曲面是沿圆弧周向分布，刀具轨迹呈直线分布；三是没有很好地发挥数控机床的第四轴的联动功能，造成机床资源浪费；四是机床主轴每进行一次切削都会有大小不等的空运行现象(走“空刀”)，存在加工效率低的问题。

发明内容

本发明的目的就是针对上述不足之处而提供一种加工辊锻模膛精度高、质量好、速度快、自动化程度高的数控回转加工方法。

本发明的技术解决方案是：一种辊锻模膛数控加工方法，其特征是包括以下步骤：

①根据产品图取得该产品特征的外形尺寸，对应输入UG软件，得到辊锻模膛直型腔图；

②采用带回转工作台的卧式数控机床，将模膛半径、辊圆方向参数输入UG软件，得到分模面为圆弧面的辊锻模膛四轴联动数控加工程序；

③选择Φ32-25的刀具，数控粗铣辊锻模膛型腔；

④选择Φ16-10的刀具，数控精铣辊锻模膛型腔；

⑤采用小砂轮片或砂纸进行型腔表面抛光即得到辊锻模型腔。

本发明的技术解决方案中所述的第③步骤中选择Φ32-25刀具可以为平底带圆角的铣刀，第④步骤中Φ16-10刀具为平底带圆角的铣刀。

本发明的技术解决方案中所述的加工辊锻模膛分模面为圆弧面，其刀具轨迹的四轴联动数控程序可以是控制刀具从中心通过回转循环往复进行加工的。

本发明由于采用UG进行三维实体造型，利用UG的CAM后置处理系统实现辊锻模膛加工自动编程。因为UG软件提供了比较完善的辊锻模膛建模工具，包括实体建模、曲面建模及装配建模。采用这种软件工具，造型设计者可以把设计思想变成直观的模型，一边设计一边进行观察和修改，实现了设计思想的直观描述。同时，UG软件包含了丰富的CAM加工方法，良好的刀具轨迹规划。UG提供了二至五轴的数控铣削加工手段(包括四轴联动数控铣削)，可根据辊锻模膛的加工需要完成四轴联动编程。利用UG软件提供的刀具轨迹的模拟与仿真功能，可以及时纠正过切、撞刀、掉刀等加工问题，我们可以很方便的检验程序的正确性，从而获得理想的加工效果。

本发明由于采用具有四轴联动功能的卧式数控机床，工作台的高度较低，因而便于直径为800毫米或者1000毫米的辊锻模膛的装夹，使机床的刚性和稳定性好，能够较好地使工作台正常运行。普通数控机床(或加工中心)配以旋转工作台或者工作台可以回转的数控机床(或加工中心)就可以完成辊锻模膛的加工。

本发明由于采用UG所做的前轴辊锻模膛的三维造型，不仅与前轴毛坯实物相似，还可以为系列化产品提供完整的数据库数据，而当顾客要求变更产品尺寸或图样时，利用数据库数据可以避免大量重复劳动。

本发明采用的数控机床在加工过程中除能进行X、Y、Z插补以外，还能同时进行角度插补，充分利用数控机床第四轴联动旋转功能，实现同时旋转，同时加工。即数控机床的第四轴在辊锻模膛圆周范围内连续往复旋转，实现加工程序设定的角度插补，并且机床主轴按照加工程序的规定可以不间断地同步进行X、Y、Z方向的加工，以完成辊锻模膛模具型腔的加工。

相比现有技术，本发明具有加工辊锻模膛精度高、质量好、速度快、自动化程度高的特点。本发明主要用于分模面为圆弧面的汽车前轴辊锻模膛数控加工方法。

附图说明

图1是汽车前轴辊锻模膛的结构示意图；

图2是上辊锻模膛直型腔造型的结构示意图；

图3是下辊锻模膛直型腔造型的结构示意图；

图4是A-A剖面结构示意图；

图5是B-B剖面结构示意图；

图6是C-C剖面结构示意图；

图7是E-E剖面结构示意图；

图8是F-F剖面结构示意图。

具体实施方式

一、数控加工设备和CAD/CAM软件选择

1.数控机床基本参数：

机床主轴最高转速为6000转/分；

设备承载不小于2.5吨；

机床最小位移：X1500，Y1500，Z1000；

回转工作台直径为1000(最大1100、最小800)；

回转工作台最小角度插补量为0.001度；

机床主轴刀柄接口为BT50接口。

其它参数参照普通数控机床配置即可。

2.机床工作方式选择卧式。这是因为辊锻模膛1、2的直径为800毫米或者1000毫米。若选择立式加工，机床在考虑回转工作台正常运行的情况下，需要较高的立柱。这样机床的刚性和稳定会很差，不利于辊锻模膛1、2的加工。而选择卧式加工就可以克服这些不足之处，使工作台的高度大大降低，有利于提高加工质量和效率，也有利于模膛的装夹。

3.机床控制系统要求具有四轴联动功能：机床数控控制系统按普通(三轴)数控机床工作模式能正常工作。此外，在加工程序运行时，回转工作台不得出现爬行、蠕动等现象，能够顺利地实现四轴联动的工作过程。目前，我们选择FANUC-0I系统较好地达到了上述功能要求。经使用表明，机床在工作过程中从未因控制系统配置出现不良现象。

4.CAD/CAM选用说明：随着CAD/CAM技术的发展，软件系统的规模越来越大，复杂程度也越来越高。如果在选择CAD/CAM过程中不遵循科学的方法，便难以保证数控加工工艺的顺利实施。前轴模膛几何形状属于复杂的三维结构，采用UG进行三维实体造型，利用UG的CAM后置处理系统实现辊锻模膛加工自动编程。因为UG软件提供了比较完善的辊锻模膛建模工具，包括实体建模、曲面建模及装配建模。采用这种软件工具，造型设计者可以把设计思想变成直观的模型，一边设计一边进行观察和修改，实现了设计思想的直观描述。同时，UG软件包含了丰富的CAM加工方法，良好的刀具轨迹规划。UG提供了二至五轴的数控铣削加工手段(包括四轴联动数控铣削)，可根据辊锻模膛的加工需要完成四轴联动编程。利用UG软件提供的刀具轨迹的模拟与仿真功能，可以及时纠正过切、撞刀、掉刀等加工问题，我们可以很方便的检验程序的正确性，从而获得理想的加工效果。

二、前轴辊锻模膛三维造型和CAM应用

数控加工用辊锻模膛三维直造型完成辊锻模膛的过程：在UG下输入三维造型：顾客前轴产品图→辊锻模膛直型腔图→数控加工模膛直三维造型，这是为本数控加工工艺特别设计的三维造型，是一个不需要角度转化的辊锻模膛的三维造型，直三维造型与辊锻模膛的尺寸是一一对应的。设计的上、下前轴辊锻模膛直型腔造型3、4如图2、图3所示。这种造型通过数控加工，既可以满足上、下辊锻模膛1、2圆弧分模面的尺寸要求，又可以达到前轴毛坯所需的尺寸要求，克服了辊锻模膛图纸不易表达复杂曲面的难点。其完成过程是：这种在UG中所建的“模膛”造型看起来是直的，应用UG的CAM辊圆加工功能，输以辊圆半径(模膛半径)、辊圆方向等参数之后，输出的刀具轨迹是一个分模面为弧面的辊锻模膛加工刀具轨迹，经过CAM的刀具后置处理，输出的就是该刀具轨迹的四轴联动加工程序，这个程序经四轴联动数控机床，所加工的模膛就是分模面为圆弧的辊锻模膛。即输入UG的是“直型”，输出的是辊锻模膛加工程序。其直造型上的尺寸由UG的CAM经过计算以四轴联动刀具轨迹的形式输出到模膛实物上。模膛图纸要求的曲面尺寸转换为模膛实物的复杂过程，由计算机以数控加工程序的方式输出完成。

三、前轴辊锻模膛的加工

随着市场对前轴锻件质量要求不断提高，对辊锻模膛1、2的制造精度提出了更高的要求。为了控制辊锻模膛1、2的加工质量，我们定期对数控设备进行检测维修，明确每台设备的加工精度，并对每台设备的加工任务明确分工，严格区分粗、精加工的设备使用。因为粗加工时追求的是高速度、高的去除率、低的加工精度，而粗加工时对设备的精度损害是比较严重的，因此我们将使用年限较长、精度较差的设备作为粗加工设备使用，新设备和精度好的设备定为精加工设备，这样对现有设备资源的合理搭配、明确分工，将机床对加工质量的影响降到了最低，同时又保护了昂贵的数控设备，延长设备的寿命。

前轴辊锻模膛1、2的加工过程为：检查、划线→立车(模具外表面)加工→划型腔基准线→数控粗铣型腔→数控精铣型腔→修整外表型面。

数控加工模具型腔由以下几方面完成：

1.程序准备。根据辊锻模膛设计图构建三维模膛直型腔模型，造型完成后根据模膛型腔的特点选择较好的走刀方式和刀具，再按数控机床加工系统要求生成相应的数控程序。程序中应避免刀具停顿和走“空刀”现象。

2.工件装夹。由于数控回转工作台直径较大而采用水平放置。装夹时辊锻模膛的旋转轴线应与工作台的回转轴一致。因此，辊锻模膛直接装夹在卧式数控机床上加工比较优越。

3.程序应用。按照程序要求选择相应的刀具，刀具必须在程序指定的位置对刀，以确保加工坐标系与程序坐标系保持一致。然后按照程序的设定秩序依次进行加工。

4.数控加工。通常采用平底(带圆角)铣刀进行加工。程序控制刀具的顶面圆心轨迹，刀具在型腔空间走刀，和模膛表面接触的是刀具的底面和刀具的圆角表面，只要型腔空间尺寸大于刀具直径就不会产生过切。

四轴联动辊锻模膛加工技术为大直径圆弧分模面模具制造提供了新的加工工艺方法，解决了长期以来前轴辊锻模膛加工或修复需要多次修磨才能完成的问题。所建的前轴辊锻模膛数据库可多次反复使用。采用该新工艺缩短了模具制造周期，工作效率较分段式数控加工提高1.5倍左右。采用该工艺加工的辊锻模膛经现生产使用表明：辊锻模膛较好地保证了前轴成型辊锻制坯工艺，有力地提高了前轴质量和辊锻工艺技术水平。

四、应用实例，利用本加工技术完成了EQ153、EQ140-2、印度FVDP等辊前轴辊锻模膛(其中包括50型火车钩尾框辊锻模膛一套)，由这些模膛辊锻出的前轴直坯，其非规则曲面尺寸较好地达到了产品毛坯的要求，减少了模具在使用中因为非规则曲面不准确而花费的焊补、修磨时间，较好地保证了前轴毛坯的质量，取得了良好的效果。这种方式加工模膛，输入的是直毛坯状态的尺寸(这种直毛坯尺寸从用户图纸中可以直接获得)，经过数控加工之后，输出的是分模面为圆弧面的辊锻模膛，模膛实物的非规则曲面尺寸还可以弥补工程图难以表达的尺寸精度。

Claims (3)

1、一种辊锻模膛数控加工方法，其特征是包括以下步骤：

①根据产品图取得该产品特征的外形尺寸，对应输入UG软件，得到辊锻模膛直型腔图；

②采用带回转工作台的卧式数控机床，将模膛半径、辊圆方向参数输入UG软件，得到分模面为圆弧面的辊锻模膛四轴联动数控加工程序；

③选择Ф32-25的刀具，数控粗铣辊锻模膛型腔；

④选择Ф16-10的刀具，数控精铣辊锻模膛型腔；

⑤采用小砂轮片或砂纸进行型腔表面抛光即得到辊锻模型腔。

2、根据权利要求1所述的一种辊锻模膛加工方法，其特征是：所述的第③步骤中选择Ф32-25刀具为平底带圆角的铣刀，第④步骤中Ф16-10刀具为平底带圆角的铣刀。

3、根据权利要求1或2所述的一种辊锻模膛加工方法，其特征是：所述的加工辊锻模膛分模面为圆弧面，其刀具轨迹的四轴联动数控程序是控制刀具从中心通过回转循环往复进行加工的。

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