鋼齒環精鍛模具加工工藝攻關

劉科

(陜西法士特齒輪有限責任公司，陜西寶雞 722409)

0 引言

同步器鋼齒環精密成形是公司首次進行的齒部精密鍛造工藝[1]，其從工藝設計[2]，到模具加工、現場控制等全過程均與現有鍛造工藝差異甚大。尤其在模具加工方面，項目初期五軸高速加工設備尚未到貨，外購模具價格昂貴且供貨周期較長，因此如何實現在現有三軸加工中心上的鋼齒環模具自制，最終實現量產成為重中之重。

1 三軸加工中心上鋼齒環模具加工工藝攻關

鋼齒環模具[3]有幾個顯著特點：高硬度(洛氏HRC56～60)、深型腔加工(刀具長徑比最大16，深度12～14 mm)、極小圓角(≤R0.25 mm)，導致加工難度增加,如圖1所示。

圖1 鋼齒環模具加工現狀

實驗設備為臺灣喬福DMC-912三軸加工中心，主軸轉速12 000 r/min。

圖2是當時攻關完成前后齒部、鍵槽部位圖片對比。由圖可看出，主要問題如下：(1)各重要圓角部位未達到圖紙要求；(2)齒形齒向基本沒有加工出來；(3)加工表面接刀紋明顯、表面粗糙度未達到圖紙要求。

圖2 鋼齒環模具對比

針對上述存在問題，采用逐一排除法，對未達到圖紙要求的所有因素分別調整和試驗。

2.1 刀具的選擇

對長徑比為16(無法實現擺軸的三軸加工中心)、直徑φ1 mm以下的刀具來說，最基本的加工要求是過程中刀具要耐磨、不能斷刀。經用日立、山特、黛杰、山高等多個刀具廠家試驗對比。最終確定使用日立小徑球頭立銑刀(由于日立刀具具有高耐磨性、較高的韌性、性價比最高等因素，符合該模具加工刀具要求)。

2.2 切削用量的選擇

車間內熱后大部分模具的加工一般切深0.2 mm以上，現在選擇使用小徑立銑刀，通過反復的切削參數調整試驗，最終確定了適合的切削用量，例如φ1R0.5L12-L16的球頭立銑刀，切寬切深在0.025 mm左右，該工具性價比高，并且可保證模具的加工質量。

2.3 主軸轉速調整

由于車間喬福DMC-912三軸加工中心最高轉速只有12 000 r/min，但該模具高速銑削要求的最低轉速在20 000 r/min以上，因此考慮實驗初期加工不出齒形的原因，可能是由于主軸轉速不夠造成的，于是在主軸上加裝高速頭，使最高轉速達到36 000 r/min。經過實驗加工，發現僅僅提高轉速也不能加工出齒形。

2.4 加工策略的選擇

控制系統采用FANUC-18I MB數控系統,刀具在拐角沒有高速的處理插補運動能力，拐角快速轉彎，使模具幾何形狀達不到技術要求，通過實驗增加高速預讀代碼G05.1Q1 和G05.1Q0 來增加多程序段處理進行插補前的直線加減速，由于多程序段的預先加減速，加工中能加速平滑，實現高速加工。該策略選擇對加工效率、加工質量起了很大作用。

2.5 編程軟件的選擇

編程軟件是復雜高速銑削加工的指揮棒，現在主流編程軟件Pro/E、UG、Powermill、Hypermill等逐一試用，在軟件公司技術人員的幫助下掌握了高速加工的理念和方法。由于UG中CAM模塊Z_LEVLE(等高精加工)加工策略進行陡峭面加工，8°斜面采用CAM模塊FIXED_CONTOUR(固定軸輪廓)加工平緩面。圖3是編程軟件生成的清根刀路。通過比對，并考慮UG軟件仿真功能、編程系統全面和積極的售后服務，最終選擇了UG軟件來進行模具編程及后處理。

圖3 編程軟件生成的清根刀路

2.6 余量調整及加工順序

精鍛模具加工順序一般為熱前粗車、熱后精車粗精銑，精銑時需要用到多把刀具：Φ10 mmR1 mm刀開粗—Φ6 mmR1 mm刀粗銑—Φ3 mmR1.5 mm球刀半粗銑—Φ2 mmR1 mm球刀半精銑—Φ1.5 mmR0.75 mm球刀半精銑—Φ1 mmR0.5 mm球刀精銑—Φ0.8 mmR0.4 mm球刀清根。

加工過程中各刀具留量、加工區域的選擇、接刀效果以及清根效果是加工過程中的一個重要課題。通過分析比對，最終確定了合理的加工順序和加工余量。

2.7 冷卻條件的選擇

由于模具洛氏硬度在HRC56～60、刀具長徑比偏大，當轉速在12 000 r/min以上時刀具和模具間產生大量熱量，造成加工讓刀現象，其中最大讓刀量為0.2 mm。后續試驗了切削液冷卻、油霧冷卻、氣冷等3種冷卻方式。油霧冷卻和氣冷使用后模具加工尺寸穩定，最終選擇油霧冷卻和氣冷結合方式。

3 試驗過程簡述

圖4為一個齒一種或多種實驗方案。

圖4 一個齒實驗一種或幾種加工方案

由圖4可以看出：第1—5齒，攻關之前的加工方法，高速頭22 700 r/min或不用高速頭，齒形均未出。

第6—8齒，取消高速頭，主軸轉速9 600 r/min，進給460 mm，冷卻液開或不開對齒形有影響，說明切削產生的熱量很大，齒形基本出。

第9—10齒，使用高速頭加工，22 700 r/min，調整不同進給速度，齒形未出，說明僅僅提高轉速并不會改善加工效果，反而加速刀具磨損。試用了KENDU的球刀，但讓刀非常嚴重。

第11—13齒，將基礎模型的齒部圓角由R0.5 mm改為R0.55 mm，改善滿刀加工改刀具帶來的巨大負擔，并實驗不同進給量，齒形很好。

第14—27齒，加工齒側、110°夾角面，實驗不同留量、不同加工策略、不同的加工區域選擇方法對加工效果的影響，改進加工方式提高加工效率，實驗不同刀具、參數加工效率降低刀具成本。

第28—31齒，精細控制各轉接處接刀，選擇合適的接刀位置。

第32—41齒，程序連續性實驗，根據之前的實驗效果，連續加工10齒，不用高速頭，主軸轉速9 600 r/min，進給200～340 mm，切深切寬0.02～0.03 mm，M刀路清根，加工效果良好，刀具磨損少。

第18齒試用了Φ0.5 mmR0.25 mmL6 mm的球刀，但是由于刀具直徑太小，設備、冷卻等均無法滿足極小刀具加工要求，因此并不成功。

加工過程中采用油霧冷卻和氣冷結合方式，試驗后表明，長徑比大的刀具加工排熱是非常關鍵的，沒有及時排熱將嚴重影響模具質量、刀具使用壽命。

實驗采用逐齒加工，測齒部跨棒距波動較大，說明刀具磨損較大。解決這個問題有兩種方法：(1)再反向走一遍程序;(2)逐層加工。由于后者耗時太長，因此采用了前一個辦法。

由于刀具太小，肉眼無法看出刀具磨損情況，當時對刀儀也沒到貨，因此采用了40倍和100倍的放大鏡來觀察，很清楚地就能看到刀具刃口情況。

4 工藝路線定型及試驗結果

加工中心鋼齒環齒部工藝路線：開粗—二粗—三粗—一精—二精(清根)—三精，具體參數見表1。

表1 鋼齒環加工具體的刀具、轉速、進給量和加工時間參數

通過多輪試驗最終加工出符合圖紙要求的尺寸，具體加工尺寸見表2。

表2 鋼齒環最終加工結果 mm

5 結束語

綜上所述，高速加工是一個要求適用于高速加工的加工中心、高性能刀具夾持系統、高速切削刀具、優秀的UG軟件等的系統工程。而喬福DMC-912是一臺普通的三軸加工設備，通過多輪工藝試驗，利用現有設備發揮出機床最大價值，攻克了工藝難點。

工藝定型后每月生產鋼齒環齒模15件，模具壽命達4 000～6 000模次，每月可產鋼齒環60 000件，基本滿足需求。該零件的模具外購3萬/件，現通過車間批量生產自制后，每件模具可產2萬/件鋼齒環，每年可節約資本150萬元。