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堆焊曲軸鍛模高效加工技術(shù)

來源:  內(nèi)蒙一機集團瑞特工模具有限公司     時間:  2014-12-01 13:30
 
堆焊曲軸鍛模高效加工技術(shù)

劉桂萍 彭志國 陳鈞 張虎亮   郭毅 孟雪芬 龔太彥 王勇 楊俊仁 盧軍 
孫靖 朱劍利 楊海軍 王義良 尹偉 胡志勇

(內(nèi)蒙一機集團瑞特工模具有限公司)

摘要:本文針對堆焊鍛模型腔硬度高,高硬度切削困難,加工成本提高。以汽車曲軸鍛模為例,通過對影響因素進行理論分析和實驗研究,提出采用優(yōu)化切削參數(shù),刀具選用、合理編程等方法提高鍛模的整體加工質(zhì)量,合理控制的控制成本。
關(guān)鍵詞 :堆焊曲軸鍛模、高硬度、高硬度切削

 
引      言
 
利用報廢模體,采用增材技術(shù)對鍛模進行生產(chǎn),堆焊后型腔硬度為HRC55-60。加工極其困難,生產(chǎn)效率低。以重車曲軸鍛模為例,其結(jié)構(gòu)特點是曲柄部位深、窄、凹圓角小。曲柄深度為65mm左右,曲柄寬度為35mm左右,最小拔模斜度1度。型腔凹圓角小,型腔凹圓角大部分為R3,型腔本身復(fù)雜、拐點多,如圖片(一)。實現(xiàn)模具中、高硬度的高速切削,將會是模具加工技術(shù)的一次飛躍。
          圖片(一)堆焊后,加工完成汽車鍛模

 
一、傳統(tǒng)鍛模加工和高硬度、高效切削加工的區(qū)別
傳統(tǒng)鍛模的加工方法是在模具鋼退火狀態(tài)進行切削加工(主要是銑削加工),然后淬火,硬度≥HRC42后進行磨削加工和電火花成型加工,留量進行打磨、拋光、修型和貼配。這其中手工工序占了整個加工周期的很大一部分。整體加工的周期長,生產(chǎn)效率低。
高效切削加工是采用小切削量,通過刀具、程序、機床等,使切削性能的改善和切削力降低,保證效率。在保證零件精度和質(zhì)量的前提下,通過對加工過程的優(yōu)化,提高單位時間材料切除量來提高加工效率和設(shè)備利用率、降低生產(chǎn)成本的一種高性能加工技術(shù)。
通過對比,從提高單位時間材料切除量進行研究,通過固化工藝方案、優(yōu)化切削路徑、參數(shù)、合理選用刀具等措施,實現(xiàn)高效、高硬度加工。
 
二、高效切削技術(shù)在銑削模具型腔工藝分析
在切削中單位時間的材料切除率取決于切寬、切深和每齒進給量等;裝夾、找正、換刀等生產(chǎn)輔助時間同樣是影響生產(chǎn)效率的重要因素。可見,高效加工涉及零件制造整個過程。加工工藝涉及毛坯制作、工藝路線制訂、工藝方法選取以及裝夾定位、刀具和切削參數(shù)等方面,是決定加工效率的關(guān)鍵技術(shù)。如何實現(xiàn)均勻的毛坯余量、方便快捷的裝夾方法、快速高效的材料切除過程是實現(xiàn)產(chǎn)品高效加工的關(guān)鍵。特別是切除過程中余量突變,切削力、機床負載都隨余量變化,直接影響整個程序段的切削速度。對整個工藝過程來說,工序之間的合理銜接,均勻控制余量,是提高整體效率的關(guān)鍵。
針對堆焊曲軸鍛模的特點,其毛坯制作、裝夾定位基本是確定的,可看作常數(shù)對待。因此堆焊曲軸鍛模切削加工工藝的關(guān)鍵技術(shù)主要包括工藝方案確定(合理控制硬度)、切削方法和切削參數(shù)的優(yōu)化,數(shù)控編程技術(shù)及刀具路徑選擇。
首先在機械加工工藝方面研究刀具、切削參數(shù)、程序路徑是我們提效的著力點,即:通過確定合理的工藝方法、合理選用刀片,優(yōu)化切削參數(shù)、程序路徑。其次在熱處理工藝方面研究在保證質(zhì)量的前提下改善材料切削性能,最終達到高效率加工、低刀具消耗的目的。
 
三、高速切削技術(shù)在銑削鍛模具型腔中的應(yīng)用與分析
 
3.1  工藝方案確定(合理控制硬度)
通過實驗得出;堆焊曲軸鍛模硬度HRC50-HRC51時的加工效率是硬度為HRC56 -HRC58時的1.5倍,刀具消耗數(shù)量是其三分之一。新制造鍛模硬度在db=2.9-3.2(HRC40-47)。確定的工藝方案:完成加工平面后,在焊接區(qū)域平面內(nèi)進行硬度測量,若硬度≥HRC51,增加回火工序,保證型腔硬度db=2.9-3.2(HRC40-47),以改善切削性能。
 
3.2合理選用切削參數(shù)及刀具:
(1)切削方式的選擇
在高切削加工中,應(yīng)盡量選用順銑加工,因為在順銑時,刀具剛切入工件產(chǎn)生的切屑厚度為最大,隨后逐漸減小。在逆銑時,刀具剛切入工件產(chǎn)生的切屑厚度為最小,隨后逐漸增厚,這樣增加了刀具與工件的摩擦,在刀刃上產(chǎn)生大量熱,所以在逆銑中產(chǎn)生的熱量比在順銑時多很多,徑向力也大大增加,緩解了高硬度切削時切削熱對刀具的損傷。同時在逆銑中刀刃受力狀態(tài)較順銑更為惡劣,降低了刀片的使用壽命,順銑和逆銑時刀具切入工件的過程,如圖(二)所示。


 順銑                                                                       逆銑
                         圖(二) 刀具切入工件的過程示意

   刀具選則上通過分析加工中的切削原理和實際生產(chǎn)情況,主要考慮以下方面:
 
   粗銑頂平面時用牛鼻子刀,它切削強勁,具有良好的穩(wěn)定性,加工中無振動,金屬去除率高,結(jié)合齒距和刀片的選擇(直徑盡量大些,如63刀),同時具備鏡平面、陡峭面加工能力,并能保證良好的光潔度。與立銑刀相比它的側(cè)刃不易崩刀,與球頭刀相比,其步距可大,切削線速度高。
 
精銑型腔時我們選用球頭銑刀,球頭銑刀因切削過程中被加工曲面與銑刀球面的公法線經(jīng)過銑刀球面的球心,使干涉過切現(xiàn)象易于監(jiān)測,切削運動軌跡易于控制,刀體尺寸應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)特點來考慮,盡量選擇長徑比小的刀具。長徑比最好控制在4:1以內(nèi),更適合加工曲軸鍛模型腔的結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在加工中我們考慮刀具、產(chǎn)品特點盡量選用大直徑刀具,但執(zhí)行后一道程序的刀具的直徑要大于或等于執(zhí)行前一道程序刀具直徑的1/2,這樣才能保證這把刀具路徑覆蓋上一把刀具最后加工的路徑,不會在局部留有凸包,保證余量均勻和良好的切削環(huán)境。
局部精加工(清根),型腔凹圓角大部分為R3用φ6R3進行精加工,可以一次把整個型腔加工完成,沒有接刀痕跡,表面粗糙度好。方法是要先求出R3刀具加工不到的邊界,再用三維偏置加工邊界里的曲面。刀具的懸伸長度要60mm,刀具長徑比達到了10 : 1切削穩(wěn)定性差,刀桿采用硬質(zhì)合金材料,提高刀具切削的穩(wěn)定性。在數(shù)控銑床上進行過加工試驗,由于主軸回轉(zhuǎn)精度高,通過控制切削參數(shù),清根用φ6R3球頭刀在長徑比達到101的情況下,等高精加工6小時,刀具完好無損,一把刀可加工完成的一套塊曲軸鍛模。根據(jù)多年的加工與觀察,我們針對最小拔模角和最小圓角,選擇1°的錐度球頭銑刀,很好地滿足了加工策略的要求。
對于堆焊曲軸鍛模的加工,要提高加工效率,不能單純提高轉(zhuǎn)速與進給。刀具長徑比超過一定比例后,轉(zhuǎn)速不易太高,否則刀具擺動加劇,磨損會更快。在選擇刀具及刀片時我們對這些因素進行綜合考慮,取得了顯著效果。
刀片材質(zhì)選擇涂刀片應(yīng)選擇高韌性硬質(zhì)合金,這是考慮到此類牌號刀片的切削刃安全性能好,可承受高硬度切削時刀具承受的巨大的徑向切削力以及劇烈的切入、切出沖擊。氮化鈦鋁、氮化鈦涂層刀片)。它具有的硬度高、良好的切削性能,適合高硬度切削(滿足硬度為HRC42-45加工的全部條件)。刀片形狀上看,選擇圓形的刀片,因為圓形刀片強度較高,避免了垂直切削,在切削高度變化時,鑄件離開垂直面,更好改善切削力,刀刃不易發(fā)生破損,即使刀片一個方位破損后,圓形刀片可變換多個方位使用,直到整個圓周都磨損才報廢,經(jīng)濟性高。長方形或接近長方形的刀片切削力變化大,磨損后刀片只可變換一次,刀具成本較高。
(2) 確定合理的切削參數(shù)
確定合理的切削參數(shù),就是在充分考慮刀具耐用度的情況下對切削參數(shù)進行優(yōu)化。
以堆焊曲軸鍛模加工均采用硬質(zhì)合金刀具涂層刀具為例,故m為常值。即
T=(C0/v)1/m= C/v4  。
由此可見切削速度v 對刀具耐用度T的影響程度。即切削速度v越小,刀具耐用度T越大。但切削速度v小,勞動生產(chǎn)率低,故不能一味地通過降低切削速度v達到提高刀具耐用度T的目的。應(yīng)研究在保證一定生產(chǎn)率的前提下,謀求刀具最小消耗即提高刀具耐用度T。通過實驗法可求出切削深度ap,進給量f對刀具耐用度T的影響關(guān)系,其關(guān)系為:
             T= CT/ (V 1/m f1/m1 ap 1/m2)
經(jīng)過試驗我們確定了優(yōu)化的切削參數(shù)配比。即粗精加工時的切削參數(shù)情況見下表:
加工硬度
加工深度
切削參數(shù)
吃刀量(mm)
切削速度(m/min)粗加工
切削速度(m/min)精加工
HRC45-50
0-30
0.3
650-700
1000-1400
31-65
0.4
750-800
1200-1500
HRC50-52
0-30
0.3
600
1000-1200
31-65
0.4
700-800
1200-1500
 
3.3  優(yōu)化數(shù)控編程及刀具路徑:
數(shù)控程序的編制應(yīng)盡量使刀具承受載荷均勻,避免刀具走刀方向的突然變化,避免因局部過切而造成刀具的損壞。通過數(shù)控編程程序補償機床CAM系統(tǒng)能根據(jù)加工瞬時余量的大小,自動對進給率進行優(yōu)化處理,可減少刀具損壞。在加工方法上采用層銑深度優(yōu)先,這樣可降低抬刀次數(shù);刀具進刀采用斜插入,避免刀具突然承受巨大載荷而造成刀具的損壞。盡量減少刀具的急速換向,同時考慮加工不同階段采用不同程序。粗加工中的修圓和光弧連接功能都應(yīng)去掉,這樣可減少重復(fù)刀路,提高效率。對數(shù)控粗加工程序刀路及數(shù)控程序模擬效果進行模擬分析(見圖三),確認數(shù)控程序刀路的可靠性,分析得出無過切及刀具碰撞現(xiàn)象。在優(yōu)化程序時盡量考慮加工余量徑向大于軸向,主要是考慮到走刀時,如果刀具發(fā)生斷刀現(xiàn)象,徑向比軸向更容易扎刀。 

                      
                                  圖片(三)數(shù)控程序模擬效果圖
為提高加工效率及保證刀具強度,粗加工時選擇的刀具直徑較大,導(dǎo)致精加工時加工余量不均勻,為了保證加工后產(chǎn)品的表面質(zhì)量,精加工時采用的程序應(yīng)充分考慮刀片的磨損及刀片自身的耐沖擊性,盡量保證清根時余量均勻。進行了數(shù)控精加工程序參數(shù)設(shè)計及數(shù)控精加工程序刀路設(shè)計。示意圖見圖片(四)。
 
     
 
                                                                                     
 
圖片(四)數(shù)控精加工程序刀路示意圖                                圖片(五)清根刀路局部放大圖
 

       在切削加工中主要選擇回路或單一路徑切削。這是因為在換向時,機床主軸速度有緩沖過程(緊急降速)然后再執(zhí)行下一步操作;機床再次運行程序加速到正常速度需要一定時間,對表面精度、加工效率均有影響,且有可能在拐點處發(fā)生過切,打刀、啃刀現(xiàn)象。選擇單一路徑切削模式來進行切削,盡可能地不中斷切削過程,盡量減少刀具的切入切出次數(shù),以期獲得相對穩(wěn)定的切削過程。進行局部精加工
時一定要區(qū)分型面是陡峭區(qū)域還是平面區(qū)域,陡峭區(qū)域采用分層加工,這樣可有效的減小切削力,平面區(qū)域采用由外向內(nèi)環(huán)繞加工,可減小了切削力同時有效提高切削效率,避免球刀中心連續(xù)切削。如圖片(五)為局部精加工刀路局部放大圖。
四、結(jié)束語
 
   在加工工藝中引進高效加工的概念思想,可以改進我們的模具設(shè)計、提高模具生產(chǎn)效率、降低模具整體成本有著深遠的意義,為我們的模具產(chǎn)品以高質(zhì)量、高效率、高壽命、低工期、低成本的姿態(tài)走向市場、爭取了更大的空間。
參考文獻
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