楊 根 林 何魏忠軒

（1.西安工程大學工程訓練中心 西安 710048）（2.西安工程大學機電工程學院 西安 710048）

（3.西安北方光電科技防務(wù)有限公司 西安 710043）

1 引言

曲軸作為內(nèi)燃機的重要組成零件之一，廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機、汽車、船舶等行業(yè)，需求量較大。曲軸在內(nèi)燃機內(nèi)部主要起到傳遞扭矩的作用，工作環(huán)境惡劣，長期處在高壓、慣性力、交變載荷沖擊的工況下，主要的失效形式是連桿頸磨損、過渡處圓角裂紋以及整體的斷裂和彎曲，其性能的好壞直接影響內(nèi)燃機的正常運行［1～2］。因此曲軸要求應(yīng)具有良好的機械性能和加工精度。

目前，曲軸鍛造成形工藝的發(fā)展方向是突出精密凈成形，鍛造成形過程向著數(shù)字化、智能化方向發(fā)展?？紤]曲軸僅主軸頸、連桿頸及臺階軸需要機械加工外，其他表面加工較少，鍛造表面占到90%以上。可采用精密鍛造工藝生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、形狀復(fù)雜、高精度的曲軸鍛件。此外，曲軸需要采用大批量機械自動化生產(chǎn)方式，這就要求曲軸鍛件應(yīng)具有較高的重復(fù)精度，以滿足機械加工工藝的要求。UG軟件在鍛件模具制造方面應(yīng)用包括三方面：1）鍛件三維模型設(shè)計；2）鍛件模具的三維造型設(shè)計；3）模具的數(shù)控加工。

考慮該曲軸鍛件以上情況，該鍛件采用無余量精密鍛造工藝進行加工［1～2］，模具采用一模一腔的結(jié)構(gòu)形式，從而獲得金屬流線連續(xù)且分布合理的鍛件，保證曲軸具有較長的使用壽命、較高表面質(zhì)量、提高材料利用率。通過UG軟件完成曲軸三維模型設(shè)計、曲軸模具設(shè)計以及數(shù)控加工程序編制。借助企業(yè)現(xiàn)有設(shè)備，加工出滿足企業(yè)要求的模具，降低模具成本，提高模具的使用壽命，保證產(chǎn)品的質(zhì)量及生產(chǎn)效率［3～5］。

2 曲軸鍛件三維造型及工藝分析

在UG NX10.0軟件建模環(huán)境中，通過采用草圖、拉伸、鏡像實體等操作完成曲軸的三維造型設(shè)計，如圖1所示。如圖2所示為曲軸的零件圖，曲軸呈軸線彎曲，細而長，且具有多拐及多個平衡塊，全長截面變化較大，作為傳動扭矩的重要零件，其力學性能要求高［6～7］。曲軸材料選用 49MnVS3，材質(zhì)系數(shù)為M1，鍛件質(zhì)量為19.5kg，外形尺寸為538mm×140mm×118.1 mm。該曲軸屬于水平分模的四拐曲軸，帶8個平衡塊，是形狀較復(fù)雜的中小型曲軸，如表1所示為曲軸鍛件的基本參數(shù)。

分模面位置直接關(guān)系到模具制造、鍛件成形、出模及材料利用率等問題，水平分模曲軸，位置容易確定，空間分模曲軸相對就有一定難度。根據(jù)該曲軸結(jié)構(gòu)形狀和工藝要求，確定為水平分模，如圖1所示。

圖1 曲軸三維造型及分模面

為了便于鍛件出模，模具需設(shè)置一定的模鍛斜度，模鍛斜度較小時，鍛件不易取出；模鍛角度較大時，增加金屬的消耗和機械加工余量。因此，在保證鍛件能順利取出的前提下，模鍛斜度應(yīng)盡可能的取最小值。如圖1所示鍛件的尺寸圖，可知H/B=140/118.1=1.18、L/B=583/118.1=3.22，根據(jù)表2可知該鍛件模鍛斜度取5°較合理。

圖2 曲軸鍛件圖

表1 曲軸鍛件基本參數(shù)

表2 模鍛斜度表

鍛件的復(fù)雜系數(shù)是鍛件的體積與鍛件外包容體的體積之比

式中Gf為鍛件質(zhì)量或體積；Vf為鍛件外包容體的質(zhì)量或體積。將表1中數(shù)據(jù)代入式（1），得到復(fù)雜系數(shù)C為0.28，根據(jù)復(fù)雜系數(shù)0.16＜C≤0.32屬于較復(fù)雜鍛件。此外，該零件最大寬度為140.0mm，最小寬度為24.0 mm，兩者相差近5倍，突變曲面之間將阻礙金屬的流動，容易產(chǎn)生折疊、充不滿等缺陷。

3 曲軸鍛模結(jié)構(gòu)設(shè)計

Mold Wizard是UG NX系列軟件中專門用于模具自動化設(shè)計的模塊，利用該模塊可以更容易、更快捷地實現(xiàn)產(chǎn)品的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計。借助Mold Wizard模塊進行曲軸終鍛模具的設(shè)計，其具體過程如下。

1）模具項目初始化，包括裝載曲軸模型、設(shè)置收縮率、單位設(shè)置以及材料設(shè)置等；

2）設(shè)置模具裝配坐標系，旋轉(zhuǎn)坐標系和更改方向，保證ZC軸的正方向為開模方向，XY平面設(shè)為模具分型面；

3）設(shè)置模具收縮率，鍛件冷卻之后其尺寸一般小于相應(yīng)模具尺寸，需將鍛件收縮量補償?shù)侥＞叩南鄳?yīng)尺寸中，以得到符合設(shè)計要求的工件。

4）設(shè)置模具工件。鍛模模膛應(yīng)有足夠的壁厚，以保證鍛模在鍛造強度和剛度。模具工件設(shè)計采用長方體模塊，尺寸按模膛最大外形尺寸加模壁厚度確定，上下模尺寸均設(shè)置為695mm×320mm×160mm。

5）型腔布局。模膛數(shù)目及布局有一模一件、一模兩件、一模多件等多種形式，根據(jù)該曲軸尺寸以及精度要求，本模具采用一模一腔的結(jié)構(gòu)形式［8］，具有模膛布局緊湊，曲軸質(zhì)量波動小，金屬流線形好等優(yōu)點。

圖3 曲軸鍛件的上模

圖4 曲軸鍛件的下模

本產(chǎn)品根據(jù)企業(yè)實際情況，結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特性，如圖3、圖4所示分別為曲軸鍛件的上、下模的外形尺寸及布局形式，模具材料均為5CrNiMo。

4 鍛件模具的數(shù)控加工

UG NX以CAM基礎(chǔ)模塊作為連接所有加工模塊的基礎(chǔ)，可根據(jù)現(xiàn)有的模具三維模型，通過選擇相應(yīng)的模塊進行自動編程。根據(jù)點位加工編輯功能，按照用戶需求進行靈活的修改和剪裁、定義標準化刀具庫、加工工藝參數(shù)樣板庫，使用粗加工、半精加工、精加工等操作，實現(xiàn)數(shù)控加工。

4.1 模具加工工藝分析

模具零件在具體加工過程中，選擇合適的加工工藝至關(guān)重要，其直接影響模具零件的加工精度。如圖3、4所示為模具的零件圖，外形尺寸為695mm×320mm×160mm，根據(jù)零件圖可知零件尺寸較大、加工特征面較多、加工難度較大；同時，模具材料采用5CrNiMo，具有良好的韌性、強度和高耐磨性，屬熱作模具鋼。加工工藝按照先粗后精、先主后次的原則，根據(jù)不同的特征面選擇合適的刀具以及加工工藝參數(shù)，如表3所示為該模具加工的具體工藝路線方案［9～10］。

表3 曲軸模具數(shù)控加工工藝流程

4.2 編程及生成刀路軌跡

根據(jù)表3模具的加工工藝方案，利用UG軟件的CAM模塊創(chuàng)建加工工序，具體詳細步驟如下［11～12］。

1）創(chuàng)建坐標系主要創(chuàng)建加工坐標系MCS和指定安全平面。保證加工坐標系和工作坐標系的位置和方向統(tǒng)一，將MCS設(shè)在毛坯上表面中心位置；安全平面設(shè)定在距離毛坯上表面20mm，避免刀具碰撞工件或夾具，如圖5所示。

圖5 創(chuàng)建MCS及安全平面

2）定義切削材料范圍，包括指定部件、毛坯幾何以及切削區(qū)域。

3）創(chuàng)建使用的刀具，定義相關(guān)刀具參數(shù)。該模具加工選用的銑刀包括 D18、D10R0.2、SD6、SD4等，創(chuàng)建刀具信息包括刀具類型、尺寸、材質(zhì)以及刀柄尺寸等。

4）指定工藝方案，創(chuàng)建加工工序，生成加工軌跡。工件加工工序一般需經(jīng)過粗加工→半精加工→精加工，如圖6所示為上、下模型腔粗加工刀路。

5）模擬仿真加工，所有刀路軌跡生成后，通過可視化刀軌進行驗證，觀察刀具切除材料過程，判斷切削結(jié)果是否正確、零件是否存在過切或者欠切現(xiàn)象，如圖7所示。

圖6 模具上、下模粗加工軌跡

圖7 下模型腔仿真加工

4.3 后置處理過程

經(jīng)NX UG10.0軟件生成的刀路軌跡包含了切削刀具位置及機床控制指令的加工刀軌文件［13］，該刀軌文件不能直接驅(qū)動機床加工，需要調(diào)用專用后處理器，如圖8所示。將其轉(zhuǎn)換為特定機床控制器所能接受的NC程序，對刀路軌跡文件進行后置處理，自動轉(zhuǎn)換為符合設(shè)備加工要求的編程代碼，最后將代碼程序?qū)雽?yīng)的數(shù)控機床，加工出符合圖紙要求的模具。

圖8 專用后處理器及下模型腔粗加工程序

5 結(jié)語

本文結(jié)合曲軸鍛件自身的結(jié)構(gòu)特點，利用UG NX10.0軟件的CAD建模環(huán)境完成對曲軸的三維模型設(shè)計；利用UG中的Mold Wizard模塊可以快速、準確地完成曲軸鍛件模具設(shè)計；利用UG軟件的CAM模塊完成曲軸鍛件模具的數(shù)控加工，通過優(yōu)化加工路線、刀路軌跡、切削參數(shù)等工藝參數(shù)，生成加工該曲軸模具的編程代碼，經(jīng)仿真檢驗無誤后，直接用于指導生產(chǎn)實踐。加工出來的模具鍛造的曲軸零件性能滿足使用要求，為曲軸類鍛件模具設(shè)計及數(shù)控加工工藝方案提供提供一定的理論依據(jù)和參考價值，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。