一、引言

在計算機輔助制造設計中，NX是應用最為廣泛的一種CAM設計軟件。在這個平臺上，用戶可通過圖形交互界面迅速而準確地實現數控編程，并且能快速地修改、調試程序。對于復雜曲面，NX CAM具有直接輸出樣條曲線的NURBS插補功能，可以快速加工出復雜而極其光滑的曲面，并采用高速加工技術，可滿足各種復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控加工程序，以提高模具質量并縮短加工周期。

汽車轉向節是底盤的關鍵部件之一，它必須具有強度高、抗沖擊性能強、耐疲勞的品質，因此國內外一般采用模鍛錘或者螺旋壓力機對其鍛打成型。本鍛件材料為40Cr，其基本成形工藝過程為：下料→1200℃預熱→鐓粗→制坯→預鍛→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，由于轉向節成型工藝的復雜性，模具結構包含了不規則飛邊、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，以NX8.5為編程平臺，詳細介紹轉向節終鍛模膛的高速加工策略。

圖1 汽車轉向節終鍛模膛

二、汽車轉向節終鍛模膛的高速銑削策略

高速銑削的主軸轉速約為15000~40000r/min，切削速度約為400m/min，為傳統切削加工的5~10倍。高速銑削精度高，表面質量好，其加工精度一般為10μm左右；且加工過程中工件溫升小、熱變形小且表面質量好，可以在很大程度上減少甚至省略后續電極的加量，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下，刀具急劇磨損。因此，本轉向節終鍛模膛的高速銑削策略應的定制應注意以下幾點：①在精加工階段保持淺切削速度進行加工，切削速度約為刀具直徑的15%；②盡量采用層優先的方式進行加工，以平衡切削負荷；③設置進刀為螺旋或圓弧式，避免刀具在進刀或退刀過程中運動的急劇變化。

1.刀具材料及參數的選擇

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。

由于模具結構上的特點，先采用大直徑端銑刀對模具進行大面開粗，然后對型腔開粗選取φ10的端銑刀。在半精加工階段，由于轉向節盤部形狀，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分開來。精加工之后，選用φ3的刀具清根。具體刀具參數如表1所示。

表1 高速加工刀具參數

2.高速銑削工藝規劃

圖2所示為轉向節鍛件圖，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，曲面過度比較復雜；軸部為規則柱形，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行加工，但考慮到高速加工時插銑對刀具及機頭損害極大，故使用小直徑刀具與軸、叉部分一并進行粗加工，并采用等高輪廓銑層優先加工壁面與底面，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，并為高速精加工準備均勻的余量，選用固定軸曲面輪廓銑中的“FIXED_COUNTOUR”對模膛進行半精加工。該銑削方法通過精確控制刀具軸和投影矢量，由驅動幾何計算接觸點，并補償刀具半徑值，以使刀具沿著非常復雜的曲面輪廓運動。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設置較大的切削深度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，不換刀繼續精銑盤部與叉部曲面，切削深度和寬度均為0.2mm，主軸轉速5000r/min，進給速度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。根據前面NC助理的分析數據選取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行多刀路銑削。NX CAM處理器能自動選擇最佳規則來確定清根的方法和路經，并優化刀軌，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生的干涉、碰撞和過切等現象，若有上述情況則修改刀具參數和切削路徑，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，通常可以通過觀察每個銑削步驟的IPW來確認是否有過切現象，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。在確認刀路后，按NURBS格式執行后置處理并輸出NC代碼。

三、結語

本文針對汽車轉向節硬度高、型腔復雜的特點，制定了銑削策略和刀路優化方案，主要體現在以下幾個方面。

采用基于NX CAM模塊的數控編程流程，便于合理地規劃走刀路徑，快速調整刀具參數和切削參數，并通過3D可視化迅速地處理編程中出現的問題，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構，提高了程序的執行效率，從而大幅縮短了加工時間。

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