汽車前軸精密成形模CAD/CAM

摘要：介紹了汽車前軸精密成形的工藝特點，利用UG軟件平臺完成了汽車前軸鍛件與模具的三維實體造型設(shè)計，利用UG軟件的CAM模塊生成了數(shù)控加工程序，用戶對加工程序進行仿真檢驗后完成模具的數(shù)控加工。 
關(guān)鍵詞：汽車前軸；精密成形；模具CAD/CAM；數(shù)控加工 

1引言 

   汽車前軸屬長軸類鍛件，其幾何形狀復(fù)雜，又是汽車上承受載荷較大的重要部件之一，要求具有較高的強度和疲勞壽命，其成形工藝、模具的設(shè)計制造都較為復(fù)雜。由于市場競爭日趨激烈，汽車行業(yè)對產(chǎn)品的質(zhì)量要求越來越高，同時又要求產(chǎn)品的開發(fā)周期盡可能短，這就對汽車配套產(chǎn)品的生產(chǎn)廠家提出了更加苛刻的要求。企業(yè)必須注重技術(shù)進步、提高管理水平和生產(chǎn)效率，具備快速響應(yīng)市場競爭的能力。 

   對于汽車前軸這樣有高質(zhì)量要求的復(fù)雜制品，其產(chǎn)品的更新?lián)Q代在過去是一件非常復(fù)雜的工作，因為傳統(tǒng)的手工繪圖及二維CAD不僅繪圖效率較低，而且對于有復(fù)雜曲面的制品形狀表達幾乎是無能為力。在模具制造方面，由于數(shù)控機床的應(yīng)用還不是很廣泛，因而模具加工效率低而且加工精度無法得到保證。有些企業(yè)雖然擁有數(shù)控機床，但由于采用手工編程或功能較差的CAM軟件而限制了數(shù)控機床功能的發(fā)揮。以上的種種因素極大地限制了企業(yè)的發(fā)展和進步，也使企業(yè)整體效益不高從而失去市場競爭力。近些年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進步和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)工業(yè)企業(yè)因為得到了新技術(shù)的支持而獲得了強勁的發(fā)展動力，其發(fā)展的支撐技術(shù)主要有:①CAD、CAM、CAE、CAPP等自動化系統(tǒng)的普及及應(yīng)用;②CAD/CAM/CAE/CAPP等信息集成系統(tǒng)的研究及應(yīng)用;③并行工程(CE)、企業(yè)經(jīng)營過程重構(gòu)(BPR)等對生產(chǎn)過程優(yōu)化的推動;④Intranet和Internet技術(shù)的飛速發(fā)展。 

   在傳統(tǒng)的精密成形輥鍛及整體模鍛復(fù)合工藝基礎(chǔ)上，利用UG軟件完成了產(chǎn)品及模具的實體造型，并生成數(shù)控加工代碼，實現(xiàn)了產(chǎn)品及模具的CAD/CAM一體化，對產(chǎn)品質(zhì)量和加工效率的提高起到了重要的作用。 

2前軸成形工藝 

   以EQ140系列汽車前軸為例，最大長度達1650mm，重量為53～65kg。產(chǎn)品雖然左右形狀對稱，但其空間幾何形狀復(fù)雜，截面起伏較大，特別是鋼板位、限位塊部位具有深而窄的截面，因而其成形工藝和模具設(shè)計都獨具特點而且較為復(fù)雜。

   前軸鍛造成形的重點是要解決不均勻變形、毛坯的咬入及難成形區(qū)的成形問題。在成形輥鍛工藝的基礎(chǔ)上，引入整體模鍛工藝，采用精密成形輥鍛及整體模鍛復(fù)合工藝，很好地解決了以上難點并建成了生產(chǎn)線。其復(fù)合工藝的工藝流程為:①采用G4032帶鋸下料；②采用KGPS250_1中頻感應(yīng)爐加熱；③采用1000mm輥鍛機，進行制坯、預(yù)成形、成形和終成形4次輥鍛；④采用25MN高能螺旋壓力機分2個工步進行彎曲和整體模鍛；⑤采用10MN高能螺旋壓力機切邊；⑥采用16MN摩擦壓力機進行熱校正。 

   該工藝將圓鋼通過制坯、預(yù)成形、成形輥鍛和終成形輥鍛4次輥鍛制成帶飛邊的直長鍛件，完成前軸中段工字型斷面的成形和兩端的制坯，接著在25MN高能螺旋壓力機上進行彎曲和整體模鍛成形，整體模鍛成形主要是在限定長度尺寸的前提下對兩端進行模鍛終成形。這種復(fù)合成形工藝克服了單純成形輥鍛前軸長度誤差大的缺點，又無需在昂貴的120MN熱模鍛壓力機上進行整體模鍛，但是前軸的關(guān)鍵尺寸即前軸鍛件的長度尺寸精度達到120MN熱模鍛壓力機上整體模鍛的水平，其設(shè)備投資僅為整體模鍛工藝所需設(shè)備投資的1/10。其精密成形輥鍛工藝的特點為：①制坯模具設(shè)計了獨特的異型截面，禮帽型槽，解決了輥鍛中產(chǎn)生的不均勻變形問題并得到要求的寬展；②為解決輥鍛各道次周期嚙合，選取了合適的前滑值；③為解決鍛件2個“拳頭”的良好成形，需分別在后壁易成形區(qū)各成形1個“拳頭”；④為保證制坯輥鍛件平直出模，采用了“上壓力”軋制方式。 

3前軸精密成形輥鍛及精密模鍛三維CAD/CAM 

   由于采用二維CAD軟件(例如AutoCAD或者InterCAD)設(shè)計時，其設(shè)計精度低，不能滿足精密成形輥鍛和精密模鍛的設(shè)計要求，而且無法實現(xiàn)模具的CAD/CAM一體化，因而采用UG軟件進行參數(shù)化三維實體造型，利用UG軟件的二次開發(fā)接口，開發(fā)出適用于長軸類鍛件的CAD系統(tǒng)，并應(yīng)用UG軟件的CAM模塊生成數(shù)控加工代碼，并且根據(jù)用戶機床的代碼格式要求自定義后置處理程序(.mdfa)，通過Internet網(wǎng)絡(luò)進行代碼傳輸，然后進行軌跡仿真，確認無誤后通過企業(yè)局域網(wǎng)Intranet控制機床完成數(shù)控加工。整個過程方便、可靠、高效。

3.1零件和鍛件設(shè)計 

   根據(jù)零件的幾何尺寸、材料和工藝條件等信息，生成零件的三維實體，由于采用了參數(shù)化設(shè)計的方法，可以通過修改零件尺寸方便地變更零件設(shè)計，并可以根據(jù)需要輸出其二維工程圖。鍛件設(shè)計主要包括設(shè)計冷鍛件圖和熱鍛件圖，主要工作是補充機加工余量、添加圓角和拔模斜度、考慮熱膨脹系數(shù)等，參數(shù)化設(shè)計使冷熱鍛件圖的生成非常方便、快速。 

3.2工藝設(shè)計 

   首先從頭至尾掃描鍛件，得到一系列橫截面面積，保存到1個文本文檔里，由此可得到鍛件體積、最大長度和重量，然后根據(jù)截面面積數(shù)據(jù)繪制計算毛坯截面圖和計算毛坯直徑圖�？紤]到用戶的使用要求，例如數(shù)據(jù)查詢、截面圖的簡化、動態(tài)縮放截面圖和直徑圖等，采用VC++進行UG軟件的二次開發(fā)，模塊既可以獨立執(zhí)行也可以從主控界面直接調(diào)用，方便用戶使用，最后是確定輥鍛制坯時需要的次數(shù)以及每一次需要的延伸系數(shù)。 

3.3鍛模設(shè)計 

   包括精密成形輥鍛和精密模鍛模具型腔、模具結(jié)構(gòu)的自動設(shè)計，可以方便地修改鍛模尺寸，得到新的模具實體，可以輸出模具的二維工程圖。

3.4刀具軌跡生成 

   由于鍛模的模具材料為熱作模具鋼，其硬度較高，加工困難，且工件長度尺寸大而寬度尺寸較小，尤其是型腔底部很窄，根據(jù)零件特點及加工經(jīng)驗確定加工工藝。 

（1）粗加工，由于型腔底部有深而窄的槽，因而無法選用大直徑銑刀進行粗加工，否則會導(dǎo)致余量不均勻而給后續(xù)加工帶來更大的麻煩(如斷刀等)，因而選用刀具為12mm的平底合金刀，加工余量（stock）為0.5mm，采用UG軟件的cavity milling加工方法，走刀軌跡為環(huán)切，采用變深度切削，0～-20mm每層下刀量為2mm，-20～-60mm每層下刀量為1mm(因為切削條件愈來愈差)。由于采用了預(yù)鉆孔下刀的方法，從而有效地避免了“扎刀”對刀具的損壞，因此切削過程平穩(wěn)、高效。

（2）半精加工，由于型腔形狀復(fù)雜而且空間曲面較多，因而用平底刀粗加工后各處余量差別很大，此時如果直接精加工可能會斷刀而且加工質(zhì)量會很差。因此采用12mm硬質(zhì)合金球頭刀進行半精加工，加工余量為0.3mm，采用UG軟件的fixed contour加工方法，走刀軌跡Zig-Zag雙向平行軌跡，用加工區(qū)的最大輪廓作為加工邊界，半精加工完成后，獲得了較為均勻的余量分布，為精加工打下了良好基礎(chǔ)。 

（3）精加工，因為工件的最小圓角半徑為5mm，因而選用10mm硬質(zhì)合金球頭刀進行精加工，加工余量為0.02mm，采用UG軟件的fixed contour加工方法，走刀軌跡Zig-Zag雙向平行軌跡，設(shè)定毛刺高度為0.01mm，由軟件決定行距，注意使用零件輪廓包容以避免傷及其他非加工表面。圖7為在UG軟件中生成的精鍛下模精加工刀具軌跡。 

（4）輸出刀位文件(.cls)，根據(jù)用戶機床所規(guī)定的數(shù)控代碼格式自定義后置處理程序，經(jīng)后置處理后通過網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，代碼格式完全符合用戶要求，不必進行編輯和修改即可進行數(shù)控加工。 

3.5刀具軌跡仿真 

   為了能對所生成的刀具軌跡有感性的認識和評估，開發(fā)了刀具軌跡仿真軟件，其特點為不依賴于任何CAD/CAM系統(tǒng)，直接對數(shù)控代碼進行仿真，通過仿真程序，可使工程技術(shù)人員和操作工人對進刀點、走刀方式等有直觀的認識，從而有效地避免可能出現(xiàn)的加工問題。 

4結(jié)束語 

   采用汽車前軸精密成形輥鍛和精密模鍛復(fù)合工藝，產(chǎn)品質(zhì)量好，設(shè)備投資少，建設(shè)周期短，材料利用率高，能耗低，生產(chǎn)效率高，更適合多品種大批量生產(chǎn)。開發(fā)的前軸精密成形輥鍛及精密模鍛工藝與模具CAD系統(tǒng)，能實現(xiàn)前軸鍛件生產(chǎn)所需全部鍛模的自動化設(shè)計，能提高設(shè)計速度6～８倍，加速了新產(chǎn)品的開發(fā)。采用高檔的CAD/CAM軟件作為技術(shù)平臺，不但極大地提高了設(shè)計及制造效率，而且提高了模具的加工精度，從而保證了產(chǎn)品的質(zhì)量，提高了產(chǎn)品和企業(yè)的市場競爭力，取得了較高的經(jīng)濟效益和社會效益。 

參考文獻： 
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