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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，生产效率低。以重车曲轴锻模为例，其结构特点是曲柄部位深、窄、凹圆角小。曲柄深度为65mm左右，曲柄宽度为35mm左右，最小拔模斜度1度。型腔凹圆角小，型腔凹圆角大部分为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，生产效率低。
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，通过固化工艺方案、优化切削路径、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；装夹、找正、换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、工艺路线制订、工艺方法选取以及装夹定位、刀具和切削参数等方面，是决定加工效率的关键技术。如何实现均匀的毛坯余量、方便快捷的装夹方法、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。对整个工艺过程来说，工序之间的合理衔接，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、装夹定位基本是确定的，可看作常数对待。因此堆焊曲轴锻模高效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径选择。
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：完成加工平面后，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
在高效切削加工中，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切屑厚度为最大，随后逐渐减小。在逆铣时，刀具刚切入工件产生的切屑厚度为最小，随后逐渐增厚，这样增加了刀具与工件的摩擦，在刀刃上产生大量热，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。同时在逆铣中刀刃受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）所示。
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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，加工中无振动，金属去除率高，结合齿距和刀片的选择（直径尽量大些，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。与立铣刀相比它的侧刃不易崩刀，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头铣刀，球头铣刀因切削过程中被加工曲面与铣刀球面的公法线经过铣刀球面的球心，使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。在加工中我们考虑刀具、产品特点尽量选用大直径刀具，但执行后一道程序的刀具的直径要大于或等于执行前一道程序刀具直径的1/2，这样才能保证这把刀具路径覆盖上一把刀具最后加工的路径，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，可以一次把整个型腔加工完成，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切削稳定性差，刀杆采用硬质合金材料，提高刀具切削的稳定性。在数控铣床上进行过加工试验，由于主轴回转精度高，通过控制切削参数，清根用φ6R3球头刀在长径比达到10∶1的情况下，等高精加工6小时，刀具完好无损，一把刀可加工完成的一套块曲轴锻模。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°的锥度球头铣刀，很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。
刀片材质选择涂层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烈的切入、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，因为圆形刀片强度较高，避免了垂直切削，在切削高度变化时，铸件离开垂直面，更好改善切削力，刀刃不易发生破损，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，刀具成本较高。
（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，劳动生产率低，故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：
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加工硬度
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加工深度
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切削参数
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吃刀量（mm）
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切削速度（m/min）粗加工
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切削速度（m/min）精加工
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HRC45-50
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0-30
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0.3
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650-700
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1000-1400
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31-65
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0.4
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750-800
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1200-1500
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HRC50-52
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0-30
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0.3
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600
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1000-1200
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31-65
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0.4
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700-800
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1200-1500
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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铣深度优先，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都应去掉，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，如果刀具发生断刀现象，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直径较大，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耐冲击性，尽量保证清根时余量均匀。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。示意图见图片（四）。
图片（四）数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分型面是陡峭区域还是平面区域，陡峭区域采用分层加工，这样可有效的减小切削力，平面区域采用由外向内环绕加工，可减小了切削力同时有效提高切削效率，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
1 李午申. 我国新型钢铁材料及焊接性与焊接材料的发展. 机械工人（热加工），2005（8）
2 付荣柏. 焊接变形的控制与矫正. 机械工业出版社，2006（8）
3 韩步愈主编 金属切削原理与刀具 机械工业出版社
4 武友德、吴伟主编 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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