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汽车前轴精密成形模CAD/CAM |
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作者：华中科技大学 梁培志 夏巨谌 陈建全 李志刚 |
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摘要：介绍了汽车前轴精密成形的工艺特点，利用UG软件平台完成了汽车前轴锻件与模具的三维实体造型设计，利用UG软件的CAM模块生成了数控加工程序，用户对加工程序进行仿真检验后完成模具的数控加工。
关键词：汽车前轴；精密成形；模具CAD/CAM；数控加工
1引言
汽车前轴属长轴类锻件，其几何形状复杂，又是汽车上承受载荷较大的重要部件之一，要求具有较高的强度和疲劳寿命，其成形工艺、模具的设计制造都较为复杂。由于市场竞争日趋激烈，汽车行业对产品的质量要求越来越高，同时又要求产品的开发周期尽可能短，这就对汽车配套产品的生产厂家提出了更加苛刻的要求。企业必须注重技术进步、提高管理水平和生产效率，具备快速响应市场竞争的能力。
对于汽车前轴这样有高质量要求的复杂制品，其产品的更新换代在过去是一件非常复杂的工作，因为传统的手工绘图及二维CAD不仅绘图效率较低，而且对于有复杂曲面的制品形状表达几乎是无能为力。在模具制造方面，由于数控机床的应用还不是很广泛，因而模具加工效率低而且加工精度无法得到保证。有些企业虽然拥有数控机床，但由于采用手工编程或功能较差的CAM软件而限制了数控机床功能的发挥。以上的种种因素极大地限制了企业的发展和进步，也使企业整体效益不高从而失去市场竞争力。近些年来，随着科学技术的进步和计算机技术的飞速发展，传统工业企业因为得到了新技术的支持而获得了强劲的发展动力，其发展的支撑技术主要有:①CAD、CAM、CAE、CAPP等自动化系统的普及及应用;②CAD/CAM/CAE/CAPP等信息集成系统的研究及应用;③并行工程(CE)、企业经营过程重构(BPR)等对生产过程优化的推动;④Intranet和Internet技术的飞速发展。
在传统的精密成形辊锻及整体模锻复合工艺基础上，利用UG软件完成了产品及模具的实体造型，并生成数控加工代码，实现了产品及模具的CAD/CAM一体化，对产品质量和加工效率的提高起到了重要的作用。
2前轴成形工艺
以EQ140系列汽车前轴为例，最大长度达1650mm，重量为53～65kg。产品虽然左右形状对称，但其空间几何形状复杂，截面起伏较大，特别是钢板位、限位块部位具有深而窄的截面，因而其成形工艺和模具设计都独具特点而且较为复杂。图1为零件的三维实体造型。
图1前轴锻件
前轴锻造成形的重点是要解决不均匀变形、毛坯的咬入及难成形区的成形问题。在成形辊锻工艺的基础上，引入整体模锻工艺，采用精密成形辊锻及整体模锻复合工艺，很好地解决了以上难点并建成了生产线。其复合工艺的工艺流程为:①采用G4032带锯下料；②采用KGPS250_1中频感应炉加热；③采用1000mm辊锻机，进行制坯、预成形、成形和终成形4次辊锻；④采用25MN高能螺旋压力机分2个工步进行弯曲和整体模锻；⑤采用10MN高能螺旋压力机切边；⑥采用16MN摩擦压力机进行热校正。
该工艺将圆钢通过制坯、预成形、成形辊锻和终成形辊锻4次辊锻制成带飞边的直长锻件，完成前轴中段工字型断面的成形和两端的制坯，接着在25MN高能螺旋压力机上进行弯曲和整体模锻成形，整体模锻成形主要是在限定长度尺寸的前提下对两端进行模锻终成形。这种复合成形工艺克服了单纯成形辊锻前轴长度误差大的缺点，又无需在昂贵的120MN热模锻压力机上进行整体模锻，但是前轴的关键尺寸即前轴锻件的长度尺寸精度达到120MN热模锻压力机上整体模锻的水平，其设备投资仅为整体模锻工艺所需设备投资的1/10。其精密成形辊锻工艺的特点为：①制坯模具设计了独特的异型截面，礼帽型槽，解决了辊锻中产生的不均匀变形问题并得到要求的宽展；②为解决辊锻各道次周期啮合，选取了合适的前滑值；③为解决锻件2个“拳头”的良好成形，需分别在后壁易成形区各成形1个“拳头”；④为保证制坯辊锻件平直出模，采用了“上压力”轧制方式。
3前轴精密成形辊锻及精密模锻三维CAD/CAM
由于采用二维CAD软件(例如AutoCAD或者InterCAD)设计时，其设计精度低，不能满足精密成形辊锻和精密模锻的设计要求，而且无法实现模具的CAD/CAM一体化，因而采用UG软件进行参数化三维实体造型，利用UG软件的二次开发接口，开发出适用于长轴类锻件的CAD系统，并应用UG软件的CAM模块生成数控加工代码，并且根据用户机床的代码格式要求自定义后置处理程序(.mdfa)，通过Internet网络进行代码传输，然后进行轨迹仿真，确认无误后通过企业局域网Intranet控制机床完成数控加工。整个过程方便、可靠、高效。图2为基于UG软件的前轴精密成形辊锻及精密模锻三维CAD/CAM系统总体结构图。其中的关键技术说明如下。
图2系统总体结构图
3.1零件和锻件设计
根据零件的几何尺寸、材料和工艺条件等信息，生成零件的三维实体，由于采用了参数化设计的方法，可以通过修改零件尺寸方便地变更零件设计，并可以根据需要输出其二维工程图。锻件设计主要包括设计冷锻件图和热锻件图，主要工作是补充机加工余量、添加圆角和拔模斜度、考虑热膨胀系数等，参数化设计使冷热锻件图的生成非常方便、快速。
3.2工艺设计
首先从头至尾扫描锻件，得到一系列横截面面积，保存到1个文本文档里，由此可得到锻件体积、最大长度和重量（图3为系统获取锻件截面面积的用户界面），然后根据截面面积数据绘制计算毛坯截面图和计算毛坯直径图，图4为绘制计算毛坯截面图的用户界面。考虑到用户的使用要求，例如数据查询、截面图的简化、动态缩放截面图和直径图等，采用VC++进行UG软件的二次开发，模块既可以独立执行也可以从主控界面直接调用，方便用户使用，最后是确定辊锻制坯时需要的次数以及每一次需要的延伸系数。
图3获取截面面积界面
图4绘制计算毛坯截面图
3.3锻模设计
包括精密成形辊锻和精密模锻模具型腔、模具结构的自动设计，可以方便地修改锻模尺寸，得到新的模具实体，可以输出模具的二维工程图。图5为利用UG软件完成的整体锻模三维实体造型，图6为制坯、预成形、成形和终成形4次辊锻模三维实体造型。
图5整体锻模三维实体造型
图6辊锻模三维实体造型
3.4刀具轨迹生成
由于锻模的模具材料为热作模具钢，其硬度较高，加工困难，且工件长度尺寸大而宽度尺寸较小，尤其是型腔底部很窄，根据零件特点及加工经验确定加工工艺。
（1）粗加工，由于型腔底部有深而窄的槽，因而无法选用大直径铣刀进行粗加工，否则会导致余量不均匀而给后续加工带来更大的麻烦(如断刀等)，因而选用刀具为12mm的平底合金刀，加工余量（stock）为0.5mm，采用UG软件的cavity milling加工方法，走刀轨迹为环切，采用变深度切削，0～-20mm每层下刀量为2mm，-20～-60mm每层下刀量为1mm(因为切削条件愈来愈差)。由于采用了预钻孔下刀的方法，从而有效地避免了“扎刀”对刀具的损坏，因此切削过程平稳、高效。
（2）半精加工，由于型腔形状复杂而且空间曲面较多，因而用平底刀粗加工后各处余量差别很大，此时如果直接精加工可能会断刀而且加工质量会很差。因此采用12mm硬质合金球头刀进行半精加工，加工余量为0.3mm，采用UG软件的fixed contour加工方法，走刀轨迹Zig-Zag双向平行轨迹，用加工区的最大轮廓作为加工边界，半精加工完成后，获得了较为均匀的余量分布，为精加工打下了良好基础。
（3）精加工，因为工件的最小圆角半径为5mm，因而选用10mm硬质合金球头刀进行精加工，加工余量为0.02mm，采用UG软件的fixed contour加工方法，走刀轨迹Zig-Zag双向平行轨迹，设定毛刺高度为0.01mm，由软件决定行距，注意使用零件轮廓包容以避免伤及其他非加工表面。图7为在UG软件中生成的精锻下模精加工刀具轨迹。
图7精锻下模精加工刀具轨迹
（4）输出刀位文件(.cls)，根据用户机床所规定的数控代码格式自定义后置处理程序，经后置处理后通过网络进行传输，代码格式完全符合用户要求，不必进行编辑和修改即可进行数控加工。
3.5刀具轨迹仿真
为了能对所生成的刀具轨迹有感性的认识和评估，开发了刀具轨迹仿真软件，其特点为不依赖于任何CAD/CAM系统，直接对数控代码进行仿真，通过仿真程序，可使工程技术人员和操作工人对进刀点、走刀方式等有直观的认识，从而有效地避免可能出现的加工问题。
4结束语
采用汽车前轴精密成形辊锻和精密模锻复合工艺，产品质量好，设备投资少，建设周期短，材料利用率高，能耗低，生产效率高，更适合多品种大批量生产。开发的前轴精密成形辊锻及精密模锻工艺与模具CAD系统，能实现前轴锻件生产所需全部锻模的自动化设计，能提高设计速度6～８倍，加速了新产品的开发。采用高档的CAD/CAM软件作为技术平台，不但极大地提高了设计及制造效率，而且提高了模具的加工精度，从而保证了产品的质量，提高了产品和企业的市场竞争力，取得了较高的经济效益和社会效益。
参考文献：
［1］李之文，黄鹰，刘才正.前轴精锻---模锻工艺应用［J］.锻压技术，1999，(6):35～37.
［2］胡道钟.微机平台的UG二次开发技巧［J］.计算机辅助设计与制造，2000，(1):13～15.
［3］严隽琪，倪炎榕，马登哲.基于网络的敏捷制造［J］.中国机械工程，2000，(1-2):101～104.(end)
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(11/29/2004) |
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