山東泰安某摩配鍛造有限公司是生產各種型號摩托車連桿鍛件的企業，該企業傳統連桿模具電火花加工所用的電極是采用二維AutoCAD繪圖，手工制作。其方法是：用線切割機床切割出模板，用手工方法加工出電極的曲面形狀。這種方法存在精度難以得到保證、一致性非常差、新產品的開發周期很長等問題。由于鍛模的設計要滿足精度以及達到組織性能良好等要求，同時模具要有足夠的強度和較高的壽命，要求制造簡單、安裝、調試及維修方便。

　　螺旋壓力機模鍛是一種投資較少的生產工藝，且生產的連桿質量較好，得到了廣泛應用。本文根據廠家提供的冷鍛件進行了針對螺旋壓力機設備連桿鍛模型槽的設計以及連桿鍛模的高速切削加工。

1 模具型槽設計

　　以螺旋壓力機用鍛模作為研究對象，確定連桿的生產工藝為：加熱(感應加熱)→制坯（輥鍛機）→預鍛→終鍛→切邊→校正。

　　1.1 鍛坯圖

　　模鍛生產過程、工藝規程制訂、鍛模設計、鍛件檢驗及鍛模制造都依賴于鍛件圖，它是根據零件圖而設計，分為冷鍛件圖和熱鍛件圖兩種。冷鍛件圖用于最終鍛件檢驗，熱鍛件圖用于鍛模設計和加工制造。冷鍛件圖通稱為鍛件圖，以下為其所需內容。

　　(1)JC125摩托車連桿鍛坯圖。

　　(2)技術要求：未注圓角R2，未注拔模斜度7°，非加工面應圓滑過渡；不允許有鍛造裂紋、夾渣、折疊、缺肉等缺陷存在；大小端面的扭曲≤0.2，平行度≤0.2；縱向剖面金屬纖維不得間斷、紊亂；未注鍛造公差按GB1084-791T15級；熱處理：正火；表面經拋丸處理，并防銹。

　　1.2 設備噸位的確定

　　結合企業現有設備和經驗公式選擇鍛造連桿的噸位，螺旋壓力機的噸位選擇計算公式如下：

P=-KS/q

　　式中：P為螺旋壓力機公稱壓力；K為系數，在熱鍛和精壓時，約為80kN/cm2，在鍛件輪廓比較簡單時，約為50kN/cm2；S為鍛件總變形面積，它包括鍛件面積、沖孔連皮面積及飛邊面積；q為鍛件變形系數，變形程度小的取1.6、不大的取1.3、大的取0.9～1.1。上式適用于錘擊一次成形所需設備的噸位，若采用2～3次錘擊成形，則按計算值減半。

　　由于連桿模鍛屬熱鍛，且鍛件變形程度較大，所以系數K取80kN/cm2，鍛件變形系數q取1.1，而經過估算S為7000.751mm2。最后算得螺旋壓力機公稱壓力P為5090kN，采用2～3次錘擊成形，因此按計算值減半，為2545kN。基于以上計算結果，并為確保鍛件質量，故選用4000kN螺旋壓力機。

　　通過后續的Deform-3D數值模擬，可發現，連桿鍛造過程中壓力逐漸上升，在形成飛邊時壓力達到最大，載荷達到2.51×106N，與經驗公式的計算相符合。

　　1.3 終鍛模膛的設計

　　終鍛模膛是鍛件最后成形的模膛．通過它獲得帶飛邊的鍛件。終鍛模膛按照熱鍛件制造，其模膛的設計包括熱鍛件和飛邊槽的設計。

　　(1)熱鍛件的設計是按冷鍛件以一定的收縮率經計算后得到，熱鍛時鋼材的收縮率一般取1.2%～1.5%，熱鍛件尺寸計算公式如下：

L=l(1+δ%)

　　式中：L為熱鍛件尺寸，mm；l為冷鍛件尺寸，mm；δ為終鍛溫度下金屬的收縮率。

　　JC125摩托連桿材料為40Cr．始鍛溫度為1180℃，終鍛溫度為850℃。材料熱脹系數δ取12%，兩孔間尺寸熱脹系數取1.0%，因兩孔在鍛造時經多次打擊易被拉長。

　　將鍛件圖按比例縮放，繪制基體，在SolidWorks中進行建模，得到連桿的熱鍛件模型，如圖2所示。

　　(2)飛邊槽的設計飛邊槽形式多種多樣，根據螺旋壓力機的噸位選取飛邊槽的形式，如圖3所示。它適用于連桿這一形狀比較復雜的鍛件。

　　通過連桿的模型，在SolidWorks中利用布爾運算得到連桿的模具型腔，在此基礎上進行模具飛邊槽的運算，得到了連桿的終鍛模具型槽。通過數值模擬發現，連桿的大端和小端及橋部的充型良好，同時，通過數值模擬改變了連桿大端的遠角半徑。鍛件圖原有的大端尺寸圓角為R1=R2=R3=1.5mm，通過對不同圓角半徑進行模擬后對比發現，半徑增大，充型能力較好；但是研究大端破壞性發現，并非圓角半徑越大越好，圖5即為最優的圓角半徑，R1=R2=1.5mm，R3=2mm。

　　1.4 預鍛模膛的設計

　　預鍛模膛是在終鍛模膛的基礎上進行設計，但又有所其差別，下面主要介紹連桿預鍛模膛的設計要點：

　　①預鍛模膛的高度要比終鍛模膛的高度高2～5mm，而寬度要比終鍛模膛小1～2mm。此外，預鍛模膛的容積要稍大于終鍛模膛的，因為預鍛模膛不設飛邊槽。②預鍛模膛的圓角半徑一般要比終鍛模膛相應之處的圓角半徑大。③由于連桿蓋和大頭端是合成一體鍛造的，因此這部分的設計是介于叉形劈開和內孔成形之間。內模斜度比終鍛模膛稍大，選為10°，在切斷分離部分與平底連皮之間也設計成圓角過渡。④桿體工字形部分：模膛寬度和終鍛模膛相同，高度比終鍛高2mm，這樣以便在終鍛變形一開始，金屬就受到模膛外壁的阻力，有利于充滿模膛和防止產生折疊。內模斜度為終鍛的2倍，這主要是減緩金屬外流，防止工字形內側充不滿而引起反流折疊。

2 連桿模具的CAM

　　CAXA是我國制造業信息化CAD/CAM和PLM領域研發的擁有自主知識產權軟件的優秀代表。它可通過CAM模塊生成刀具路徑，經過后置處理轉換成NC程序，生成數控G代碼，傳送至數控機床中進行加工。對于復雜模具的數控加工，利用CAXA軟件中的曲面加工則很易實現，并且通過模擬加工來驗證程序的可行性，并通過后置處理，最后生成符合加工條件的數控程序。

　　2.1 連桿模具的CAM

　　CAXAME軟件加工管理功能強大，能夠提供多軸數控機床的圖形加工軌跡和NC代碼，并可進行加工軌跡的動態仿真。最后用CAXAME 2007對連桿凹模進行處理并生成加工軌跡。

　　2.1.1 加工前的準備工作

　　①在造型之前已對零件進行了的三維尺寸的放大。所以毛坯的尺寸采用參照模型，毛坯的類型采用鍛件。②設置機床的參數及數控代碼。⑨設置刀具類型和刀具參數。④加工刀路設計。

　　根據鍛模的特點，經反復比較，確定加工類型為等高線粗加工。此加工方法能快速除去大量的毛坯材料，使用球頭立銑刀，采用垂直下刀，加工方式為往復切削方式。精加工的方式與粗加工一樣，采用等高線精加工，參數設置大致一樣。

　　2.1.2 粗加工刀具軌跡的生成

　　①根據零件的尺寸確定毛坯的大小。②在等高線粗加工參數設置對話框，設定刀具參數、加工參數和切削用量參數等。③設定完成后，按提示拾取加工對象，計算機開始分析加工模型、計算刀具軌跡，最終生成數控粗加工刀具軌跡。　　2.1.3 精加工刀具軌跡的生成

　　①在彈出的等高線精加工參數設置對話框，設定刀具參數、加工參數和切削用量參數；②設定完成后，按提示拾取加工對象，計算機開始分析加工模型、計算刀具軌跡，最終生成數控精加工軌跡。

　　刀具軌跡生成后，利用CAXAME的軌跡仿真功能進行軌跡仿真，若對仿真結果不滿意，可根據需要對加工參數進行修改，重新生成刀具軌跡，進行軌跡仿真，直到在加工的過程中未出現干涉和過切的現象。見經軌跡仿真確定后，利用CAXAME的后置處理生成數控機床所使用的NC代碼。因是數控銑加工，不具備換刀功能，故在做后置處理時要把各模組分別進行后處理（可以按刀具進行劃分），生成對應的數控加工程序，加工時，根據工藝選擇相應的刀具和加工程序。

　　2.2 高速銑削加工參數的選擇

　　本模具加工使用的是FIDIA高速數控銑床D165，主軸最高轉速36000r/min，最大加工速度25m/min。

　　2.2.1 刀具的選擇

　　選擇刀具時應考慮待加工面情況和現場實際刀具貯備情況。根據毛坯（為一矩形塊）和加工面情況，先選擇一把直徑較大的刀具去除大部分的余量再用一把小直徑刀具去除未加工到的部位（上接第194頁）（需留精加工余量），最后用球刀進行曲面精加工（因為是采用數控銑床加工，沒有自動換刀功能，工序要集中，故應盡量減少刀具數量）。選用的刀具是專用高速切削刀具GC1610，硬質合金基體上的TiAIN涂層刀具。

　　No1、φ6R3-硬質合金球頭銑刀（用于粗加工）；

　　N02、φ4R2-硬質合金球頭銑刀（用于粗加工）；

　　N03、φ2R1-硬質合金球頭銑刀（用于精加工）。

　　2.2.2 切削參數的選擇

　　高速銑削加工用量的確定主要考慮加工效率、加工表面質量、刀具磨損以及加工成本。不同刀具加工不同工件材料時，加工用量會有很大差異，目前尚無完整的加工數據，通常可根據實際選用的刀具和加工對象參考刀具廠商提供的加工用量選擇。

3 結語

　　利用CAD/CAM/CAE軟件可進行連桿鍛模型槽的設計和加工，能縮短模具的生產周期，以及確保模具的表面品質和加工精度，最后可取得良好的經濟效益。