高速切削技术在连杆锻模制造中的研究和应用

　　1 连杆锻模的发展现状和趋势

　　在现代工业飞速发展的今天，连杆锻造企业在激烈的市场竞争中能否占得优势，除产品种类、质量、生产规模外，新产品开发及其开发周期尤为关键，而模具又在新产品的开发中占有举足轻重的作用。现代工业中，模具领先、模具设计与制造工艺先进、开发周期短，成为了新产品占领市场的关键因素。在汽车工业中，过去新车型的更新换代周期一般为5～10年，现在则缩短为1～3年，这一切都得益于模具设计与制造水平的提高。连杆锻模作为连杆生产的模具，其质量、交货期和价格成为新品连杆开发成败的关键因素。我国连杆锻模的发展主要经历了3个过程：靠模加工、电火花加工、高速加工技术。

　　1．1靠模加工

　　回顾以前，在加工连杆模具时，必须绘制详尽的蓝图和具有按照锻件精确尺寸制造的主模型。按照一定比例制成的模型称为靠模，常被用作仿形加工中的母型，或作为显示铣床加工轨迹的辅助模型。成形铣床上的靠模指沿靠模轮廓形状移动，铣刀则按照靠模指的移动对模具材料进行铣削加工，仿出所需的模具型腔。靠模加工具有以下特点与优势：

　　(1)需制造靠模，生产周期长，精度不高，且同批次模具尺寸不一致；

　　(2)直观，制造一个靠模可加工多个模块。靠模加工发展到现在，已经发生了根本的变化，通过数字化一个实物模型的NC程序，只需要在模型上扫描，所得到的点集云将在所有附加的计算中被使用，通过阅读由数字化生成的点集云，进行铣削仿形加工。

　　1．2电火花加工

　　电火花(EDM)是加工连杆模具的另一种主要方法，其工艺流程为：加工连杆电极(石墨或紫铜)-电火花成形及放电加工-手工或电动对模具型腔进行抛磨-形成连杆模具。

　　电火花成形机放电加工是目前普遍使用的连杆模具加工方法，不难看出，其工艺过程较为复杂，电火花加工效率较低，模具加工周期相对较长，但可加工淬火后的模坯。

　　1．3高速加工技术

　　近几年，随着加工设备件能的提高，以及加工设备所使用刀具性能指标的迅速改善，使高速加工这一新技术变得日益成熟，大大提高了模具加工中的切削速度，缩短了模具的生产周期。这项新技术的应用，也减少了加工模具的工序，使加工模具的工艺过程变得更加合理，缩短甚至避免了模具的抛光过程，解决了连杆锻造模具制造所面临的部分难题。

　　2 高速加工技术

　　高速加工技术是指采用超硬材料的刃具，通过极大地提高切削速度和进给速度来提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代加工技术。由于不同的加工工序、不同的工件材料有不同的切削速度范围，因而很难就高速切削的速度范围给定某一确定的数值。

　　高速切削(High Speed Chtting，HSC)与普通切削的主要区别在于切削速度、加速度及主轴的转速等。通常情况下，高速切削时切削进给速度比普通切削高5～15倍，可达到15～70 m·min-1；加速度高5～10倍；主轴转速高5～10倍，可达到15000～70000 r·min-1。

　　3 高速数控加工技术在连杆模具中的应用

　　3．1 高速加工连杆模具的优点

　　高速加工技术的应用可简化工艺流程和改善工件质量。在加工模具时，采用高速切削，可以提高加工进给速度，降低加工时间而减少制造费用。如果保持切削时间不变，可减少进刀量，增加切削次数，降低切削力，从而提高表面光洁度，使通过手工抛光的部分全部省去或减少到最低的工作量。

　　(1)提高连杆模具加工的速度。高速加工技术的采用，使刀具在很高的转速下(一般超过15000 r·min-1)工作，同时使机床具有高的进给速度和加速度，大大提高金属切除率。在中、精加工时，尽管高速加工采取了非常小的进给量与切削深度，但从材料去除速度上相比较，高速加工比普通加工快2～4倍，仍然提高了生产率和降低了生产周期；同时，高速加工可以进行硬切削，根据其加工特性，可获得很高的表面质量及形状精度，比放电加工(EDM)提高效率50％以上，减少了模具在手工修磨与抛光上耗费的时间。

　　(2)可获得高质量的加工表面。高速切削可以减小切削力，降低切削振动，提高加工质量；提高切削速度和进给速度以减少进给量，进而改善工件的形状精度和表面粗糙度，可获得Ra≤10μm的加工表面粗糙度。高速切削热大部分由切屑带走，工件发热少，形状精度可达5μm。

　　(3)可直接加工高硬度的连杆模具材料。如加工硬度达60 HRC的模块，对电火花成形加工方法提出了挑战。

　　(4)延长连杆模具寿命。避免EDM加工产生的表面损伤，提高模具寿命20％～50％。

　　(5)连杆模具修复过程更加方便。在锻造过程中，若模具型腔局部破损，需要进行多次修复，以延长模具的使用寿命。在过去，所采用的手段主要是靠放电加工来完成。而现在，使用高速加工技术，用原NC程序，无需重新编制，且能做到精确无误地将模具型腔迅速修复。

　　(6)简化了连杆模具加工工序。传统加工连杆锻造模具的工艺方法是在淬火之前进行金属切削，然后进行淬火，因为淬火容易造成模具变形，这时必须要经手工修整或采用放电加工成形。有了高速机床加工技术，则可以通过高速加工来直接加工淬火以后的模具材料形成模具型腔，节省了电极材料、电极加工以及放电加工模具型腔的过程及费用，而且还可以避免放电加工所导致的表面硬化及微观裂纹。高速加工可使用较小直径的刀具对圆角及模具进行精细加工，省去了手工修整工艺过程，从而达到降低生产成本的目的。

　　(7)有利于更复杂连杆模具型面加工。成形表面采用硬切削加工，表面质量及形状精度都有很大的提高，而且还可获得较低的粗糙度值和较高表面光洁度，加工复杂表面更具有优势；结合CAD／CAM快速加工技术，高速加工特别适合形状复杂模具的加工。

　　3．2连杆模具高速加工机床

　　目前，国外生产高速加工机床的厂家很多，国内也有若干合资或合作生产厂家。小管是哪款高速机床，首先足要有高的速度，即高的主轴转速；另一方面，又应有高的进给速度，机床还要具有快速移动、快速换刀、高的主轴加速度和进给加速度，只有达到了上述标准，才能称之为高速加上机床。

　　此外，要做到真正的高速加工，机床的结构和普通的加工中心也不同，要做到加工不同规格的模具(承量从几公斤至若干吨)，其动态特性必须保持良好，若采用普通加工中心的结构，在加工模具时，其传动部件由于频繁的启动与制动，启动力及制动力过大，会降低传动部件的寿命。

　　典型高速加工机床的结构，金字塔式结构，具有宽的导轨和低的工作中心；工作台固定不动，运动单元的惯性是常数；在很短的时间内，可加速到很高的速度(在0．1s内，坐标轴的运动速度从0增加到30 m·min-1

　　3．3 连杆模具CAD／CAM

　　计算机辅助没计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)，简称CAD／CAM，是指计算机作为主要技术手段，生成和运用各种数字信息与图形信息，进行产品的设计和制造。

　　CAD／CAM技术特别适合于数量少、品种多的产品开发，模具正是这样一个典型产品。因此，锻模CAD／CAM是一个企业所不可缺少的。

　　锻模CAD／CAM一体化是将CAD与CAM有机的联系起来，利用锻模CAD的三维信息自动生成NC加工程序，实现锻模的无图化加工。

　　3．5连杆模具高速加工工艺技术

　　连杆模j}粗加工主要是指在尽量短的时间内将材料去除，形成模具的大致型腔，并为中精加T准备工件的几何轮廓。

　　连杆模具中精加工主要是指对工件轮廓形状进一步加工，在模具表面形成均匀的余量，为精加工做准备。中精加工在模具制造环节非常重要，因为精加工时刀具切削过程的稳定性及精加下表面质量直接受中精加工切削余量均匀性的影响。余量不均匀，会导致刀具承受的载倚发牛变化，刀具受冲击使切削过程不稳定，造成刀具磨损不均匀，导致加工表面质量下降。在切削过程中由于切削层金属面积发生变化，也会造成切削过程不稳定。目前，开发的许多CAM软件通过计算，获得恒定的切削层面积和材料去除率，使切削载荷与刀具磨损速率保持恒定的切削条件，从而提高刀具寿命和获得良好的加工质量。

　　连杆模具精加工取决于刀具与工件的接触点，在模具的高速精加工中，在每次切入、切出工件时，进给方向的改变应尽量采用圆弧或曲线转接，避免采用直线转接，以保持切削过程的平稳性，以获得最佳加工表面质量。

　　基于以上连杆模具从粗加工、中精加工至精加工阶段不同的加工特性，其最佳的高速加工工艺流程为：连杆模具材料淬火前，进行粗加工，去除大量的金属材料，形成大致的几何轮廓；然后对模块进行淬火，对淬火后的模块进行中精加工然后再精加工。这样可以减少刀具磨损、降低使用刀具成本，缩短模具生产周期。

　　4 结语

　　我国连杆锻模从起步到飞跃发展，历经了几十年的时间，尤其是近几年来，我国连杆锻模技术有了突飞猛进的发展。不仅连杆锻模产量大幅提高，而且制造水平上了一个新台阶，逐步与世界发达国家接轨，模具的精密度、复杂性、高效益和长寿命有了较大提高。

　　高速切削加工技术是一项全新的、正在发展之中的先进实用技术，在工业发达国家已得到广泛的应用，取得了巨大的经济和社会效益。在我国高速切削加工技术的开发和应用还处于初步阶段，还有大量研究、开发工作需要进行。模具市场对高速加工有强烈需求，国内已进口了大批高速加工设备，也开发了多种高速机床和加工中心，但目前就国内的总体状况来看，技术同发达国家相比存在起步晚，基础较差，整体技术水平不高等问题。这需要各个方面协调发展，加大产学研结合，综合利用各个方面力量推动高速切削在模具制造中的应用。大力发展和推广应用模具高速加工技术，对我国模具制造业整体技术水平和经济效益的提高具有重要意义。

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