一、引言

在計算機(jī)輔助制造設(shè)計中，NX是應(yīng)用最為廣泛的一種CAM設(shè)計軟件。在這個平臺上，用戶可通過圖形交互界面迅速而準(zhǔn)確地實現(xiàn)數(shù)控編程，并且能快速地修改、調(diào)試程序。對于復(fù)雜曲面，NX CAM具有直接輸出樣條曲線的NURBS插補(bǔ)功能，可以快速加工出復(fù)雜而極其光滑的曲面，并采用高速加工技術(shù)，可滿足各種復(fù)雜曲面和造型特征的高速度、高精度的要求，且容易編制合理有效的數(shù)控加工程序，以提高模具質(zhì)量并縮短加工周期。

汽車轉(zhuǎn)向節(jié)是底盤的關(guān)鍵部件之一，它必須具有強(qiáng)度高、抗沖擊性能強(qiáng)、耐疲勞的品質(zhì)，因此國內(nèi)外一般采用模鍛錘或者螺旋壓力機(jī)對其鍛打成型。本鍛件材料為40Cr，其基本成形工藝過程為：下料→1200℃預(yù)熱→鐓粗→制坯→預(yù)鍛→終鍛→切邊。由此可見，鍛模的工況條件非常惡劣，模具必須承受巨大的打擊力，為此通常選用具有高硬度、耐高溫的5CrMnMo，此外，由于轉(zhuǎn)向節(jié)成型工藝的復(fù)雜性，模具結(jié)構(gòu)包含了不規(guī)則飛邊、倒模斜角以及深溝槽等難加工特征（圖1），本文針對這些難點(diǎn)，以NX8.5為編程平臺，詳細(xì)介紹轉(zhuǎn)向節(jié)終鍛模膛的高速加工策略。

圖1 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)終鍛模膛

二、汽車轉(zhuǎn)向節(jié)終鍛模膛的高速銑削策略

高速銑削的主軸轉(zhuǎn)速約為15000~40000r/min，切削速度約為400m/min，為傳統(tǒng)切削加工的5~10倍。高速銑削精度高，表面質(zhì)量好，其加工精度一般為10μm左右；且加工過程中工件溫升小、熱變形小且表面質(zhì)量好，可以在很大程度上減少甚至省略后續(xù)電極的加量，極大地縮短了工藝流程和加工時間。

但是，在高速切削過程中需要維持恒定的切削載荷，并保證無干涉、無碰撞，否則在高速切削狀態(tài)下，刀具急劇磨損。因此，本轉(zhuǎn)向節(jié)終鍛模膛的高速銑削策略應(yīng)的定制應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①在精加工階段保持淺切削速度進(jìn)行加工，切削速度約為刀具直徑的15%；②盡量采用層優(yōu)先的方式進(jìn)行加工，以平衡切削負(fù)荷；③設(shè)置進(jìn)刀為螺旋或圓弧式，避免刀具在進(jìn)刀或退刀過程中運(yùn)動的急劇變化。

1.刀具材料及參數(shù)的選擇

刀具材料選用聚晶立方氮化硼（PCBN），它具有很高的硬度和耐磨性，非常適合高速切削淬硬剛。

由于模具結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，先采用大直徑端銑刀對模具進(jìn)行大面開粗，然后對型腔開粗選取φ10的端銑刀。在半精加工階段，由于轉(zhuǎn)向節(jié)盤部形狀，在鍛模上形成了難加工的深溝槽部分，故采用較小刀具將其與型腔半精加工區(qū)分開來。精加工之后，選用φ3的刀具清根。具體刀具參數(shù)如表1所示。

表1 高速加工刀具參數(shù)

2.高速銑削工藝規(guī)劃

圖2所示為轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件圖，該鍛模特征可分為軸、盤和叉3個部分，由圖2可見：盤部形狀很扁，在鍛模上形成了難加工的深溝槽部分；叉部小面多，曲面過度比較復(fù)雜；軸部為規(guī)則柱形，相對于其他兩部分容易處理。為了確保刀路流暢和較好的加工質(zhì)量，分別對其選用不同的銑削策略。

軸與叉部分型腔銑等高開粗之后，對軸部分曲面采用固定軸曲面輪廓銑。深溝槽部分通常情況下采用插銑進(jìn)行加工，但考慮到高速加工時插銑對刀具及機(jī)頭損害極大，故使用小直徑刀具與軸、叉部分一并進(jìn)行粗加工，并采用等高輪廓銑層優(yōu)先加工壁面與底面，清根之后采用平面銑精銑鍛模承擊平面等其他平面。

圖2 汽車轉(zhuǎn)向軸鍛件圖

（1）粗加工

在加工之前使用NC助理分析模膛，以選擇合適的刀具盡可能多地去除大部分余量。經(jīng)分析，模膛最小園角為R3，深溝槽部分兩壁的距離約為16mm，深度為58mm，毛坯尺寸為450mm×450mm×200mm，由于大銑刀無法直接加工到叉部的小特征和盤部，因此選用φ50和φ10的端銑刀分兩部分開粗，余量分別為0.8mm和0.5mm，具體加工參數(shù)見表。

（2）半精加工

為了清除粗加工留下的刀痕，并為高速精加工準(zhǔn)備均勻的余量，選用固定軸曲面輪廓銑中的“FIXED_COUNTOUR”對模膛進(jìn)行半精加工。該銑削方法通過精確控制刀具軸和投影矢量，由驅(qū)動幾何計算接觸點(diǎn)，并補(bǔ)償?shù)毒甙霃街?，以使刀具沿著非常?fù)雜的曲面輪廓運(yùn)動。該加工階段采用φ6球刀銑深溝槽部，用φ8球刀銑軸部和叉部。在加工深溝槽部時應(yīng)設(shè)置較大的切削深度0.5mm。

（3）精加工

本鍛模的精銑包含3個部分：盤叉精銑、軸部垂直軸向走刀精銑和承擊面等平面精銑。精銑階段設(shè)置加工余量為0。首先采用φ10端銑刀精精銑承擊面、矩形枕位等平面，加工方法為“FACE_MILLINHG_AREA”，并采用往復(fù)式切削走刀。其次，用φ6球刀精銑軸部曲面，為了取得較好的曲面質(zhì)量和更好地加工過度圓角，修改走刀方向垂直與軸向，如圖3所示。最后，不換刀繼續(xù)精銑盤部與叉部曲面，切削深度和寬度均為0.2mm，主軸轉(zhuǎn)速5000r/min，進(jìn)給速度600r/min。

圖3 軸部精銑走刀路徑圖

（4）清根加工

在一系列粗加工與精加工之后，模具上仍有一些殘留余料，包括小曲面、圓角等位置。根據(jù)前面NC助理的分析數(shù)據(jù)選取φ3球刀清除死角余料和加工圓角部分。加工方法為“FLOWCUT_MULTIPLE”，該方法能夠沿著部件表面的圓角或者凹面進(jìn)行多刀路銑削。NX CAM處理器能自動選擇最佳規(guī)則來確定清根的方法和路經(jīng)，并優(yōu)化刀軌，使得刀具與部件保持接觸的同時最小化非切削移動。

（5）3D刀路仿真模擬。

在NX CAM中提供了刀路仿真功能，通過刀路仿真可直觀地檢查銑削過程中發(fā)生的干涉、碰撞和過切等現(xiàn)象，若有上述情況則修改刀具參數(shù)和切削路徑，重新生成刀具路徑并仿真檢查，直到排除任何不合理刀路。對于過切，通?？梢酝ㄟ^觀察每個銑削步驟的IPW來確認(rèn)是否有過切現(xiàn)象，若IPW不能完全包含部件幾何體，則需要修改切削余量來排除。在確認(rèn)刀路后，按NURBS格式執(zhí)行后置處理并輸出NC代碼。

三、結(jié)語

本文針對汽車轉(zhuǎn)向節(jié)硬度高、型腔復(fù)雜的特點(diǎn)，制定了銑削策略和刀路優(yōu)化方案，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

采用基于NX CAM模塊的數(shù)控編程流程，便于合理地規(guī)劃走刀路徑，快速調(diào)整刀具參數(shù)和切削參數(shù)，并通過3D可視化迅速地處理編程中出現(xiàn)的問題，極大地簡化了操作步驟和程序校核，縮短了模具的制造周期。

為提高加工效率、改善曲面加工精度，采用NURBS格式輸出NC代碼。此格式簡化了程序結(jié)構(gòu)，提高了程序的執(zhí)行效率，從而大幅縮短了加工時間。

采用高速加工可使表面精度達(dá)到10μm左右，滿足了該鍛模對表面質(zhì)量的需求，另外表面粗糙度也達(dá)到了1μm左右，可省去電火花和拋光等工序，節(jié)省了加工成本和時間。