摘要：介紹了汽車前軸精密成形的工藝特點(diǎn)，利用UG軟件平臺(tái)完成了汽車前軸鍛件與模具的三維實(shí)體造型設(shè)計(jì)，利用UG軟件的CAM模塊生成了數(shù)控加工程序，用戶對加工程序進(jìn)行仿真檢驗(yàn)后完成模具的數(shù)控加工。 
關(guān)鍵詞：汽車前軸；精密成形；模具CAD/CAM；數(shù)控加工 

1引言 

   汽車前軸屬長軸類鍛件，其幾何形狀復(fù)雜，又是汽車上承受載荷較大的重要部件之一，要求具有較高的強(qiáng)度和疲勞壽命，其成形工藝、模具的設(shè)計(jì)制造都較為復(fù)雜。由于市場競爭日趨激烈，汽車行業(yè)對產(chǎn)品的質(zhì)量要求越來越高，同時(shí)又要求產(chǎn)品的開發(fā)周期盡可能短，這就對汽車配套產(chǎn)品的生產(chǎn)廠家提出了更加苛刻的要求。企業(yè)必須注重技術(shù)進(jìn)步、提高管理水平和生產(chǎn)效率，具備快速響應(yīng)市場競爭的能力。 

   對于汽車前軸這樣有高質(zhì)量要求的復(fù)雜制品，其產(chǎn)品的更新?lián)Q代在過去是一件非常復(fù)雜的工作，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的手工繪圖及二維CAD不僅繪圖效率較低，而且對于有復(fù)雜曲面的制品形狀表達(dá)幾乎是無能為力。在模具制造方面，由于數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用還不是很廣泛，因而模具加工效率低而且加工精度無法得到保證。有些企業(yè)雖然擁有數(shù)控機(jī)床，但由于采用手工編程或功能較差的CAM軟件而限制了數(shù)控機(jī)床功能的發(fā)揮。以上的種種因素極大地限制了企業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步，也使企業(yè)整體效益不高從而失去市場競爭力。近些年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)工業(yè)企業(yè)因?yàn)榈玫搅诵录夹g(shù)的支持而獲得了強(qiáng)勁的發(fā)展動(dòng)力，其發(fā)展的支撐技術(shù)主要有:①CAD、CAM、CAE、CAPP等自動(dòng)化系統(tǒng)的普及及應(yīng)用;②CAD/CAM/CAE/CAPP等信息集成系統(tǒng)的研究及應(yīng)用;③并行工程(CE)、企業(yè)經(jīng)營過程重構(gòu)(BPR)等對生產(chǎn)過程優(yōu)化的推動(dòng);④Intranet和Internet技術(shù)的飛速發(fā)展。 

   在傳統(tǒng)的精密成形輥鍛及整體模鍛復(fù)合工藝基礎(chǔ)上，利用UG軟件完成了產(chǎn)品及模具的實(shí)體造型，并生成數(shù)控加工代碼，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品及模具的CAD/CAM一體化，對產(chǎn)品質(zhì)量和加工效率的提高起到了重要的作用。 

2前軸成形工藝 

   以EQ140系列汽車前軸為例，最大長度達(dá)1650mm，重量為53～65kg。產(chǎn)品雖然左右形狀對稱，但其空間幾何形狀復(fù)雜，截面起伏較大，特別是鋼板位、限位塊部位具有深而窄的截面，因而其成形工藝和模具設(shè)計(jì)都獨(dú)具特點(diǎn)而且較為復(fù)雜。

   前軸鍛造成形的重點(diǎn)是要解決不均勻變形、毛坯的咬入及難成形區(qū)的成形問題。在成形輥鍛工藝的基礎(chǔ)上，引入整體模鍛工藝，采用精密成形輥鍛及整體模鍛復(fù)合工藝，很好地解決了以上難點(diǎn)并建成了生產(chǎn)線。其復(fù)合工藝的工藝流程為:①采用G4032帶鋸下料；②采用KGPS250_1中頻感應(yīng)爐加熱；③采用1000mm輥鍛機(jī)，進(jìn)行制坯、預(yù)成形、成形和終成形4次輥鍛；④采用25MN高能螺旋壓力機(jī)分2個(gè)工步進(jìn)行彎曲和整體模鍛；⑤采用10MN高能螺旋壓力機(jī)切邊；⑥采用16MN摩擦壓力機(jī)進(jìn)行熱校正。 

   該工藝將圓鋼通過制坯、預(yù)成形、成形輥鍛和終成形輥鍛4次輥鍛制成帶飛邊的直長鍛件，完成前軸中段工字型斷面的成形和兩端的制坯，接著在25MN高能螺旋壓力機(jī)上進(jìn)行彎曲和整體模鍛成形，整體模鍛成形主要是在限定長度尺寸的前提下對兩端進(jìn)行模鍛終成形。這種復(fù)合成形工藝克服了單純成形輥鍛前軸長度誤差大的缺點(diǎn)，又無需在昂貴的120MN熱模鍛壓力機(jī)上進(jìn)行整體模鍛，但是前軸的關(guān)鍵尺寸即前軸鍛件的長度尺寸精度達(dá)到120MN熱模鍛壓力機(jī)上整體模鍛的水平，其設(shè)備投資僅為整體模鍛工藝所需設(shè)備投資的1/10。其精密成形輥鍛工藝的特點(diǎn)為：①制坯模具設(shè)計(jì)了獨(dú)特的異型截面，禮帽型槽，解決了輥鍛中產(chǎn)生的不均勻變形問題并得到要求的寬展；②為解決輥鍛各道次周期嚙合，選取了合適的前滑值；③為解決鍛件2個(gè)“拳頭”的良好成形，需分別在后壁易成形區(qū)各成形1個(gè)“拳頭”；④為保證制坯輥鍛件平直出模，采用了“上壓力”軋制方式。 

3前軸精密成形輥鍛及精密模鍛三維CAD/CAM 

   由于采用二維CAD軟件(例如AutoCAD或者InterCAD)設(shè)計(jì)時(shí)，其設(shè)計(jì)精度低，不能滿足精密成形輥鍛和精密模鍛的設(shè)計(jì)要求，而且無法實(shí)現(xiàn)模具的CAD/CAM一體化，因而采用UG軟件進(jìn)行參數(shù)化三維實(shí)體造型，利用UG軟件的二次開發(fā)接口，開發(fā)出適用于長軸類鍛件的CAD系統(tǒng)，并應(yīng)用UG軟件的CAM模塊生成數(shù)控加工代碼，并且根據(jù)用戶機(jī)床的代碼格式要求自定義后置處理程序(.mdfa)，通過Internet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行代碼傳輸，然后進(jìn)行軌跡仿真，確認(rèn)無誤后通過企業(yè)局域網(wǎng)Intranet控制機(jī)床完成數(shù)控加工。整個(gè)過程方便、可靠、高效。

3.1零件和鍛件設(shè)計(jì) 

   根據(jù)零件的幾何尺寸、材料和工藝條件等信息，生成零件的三維實(shí)體，由于采用了參數(shù)化設(shè)計(jì)的方法，可以通過修改零件尺寸方便地變更零件設(shè)計(jì)，并可以根據(jù)需要輸出其二維工程圖。鍛件設(shè)計(jì)主要包括設(shè)計(jì)冷鍛件圖和熱鍛件圖，主要工作是補(bǔ)充機(jī)加工余量、添加圓角和拔模斜度、考慮熱膨脹系數(shù)等，參數(shù)化設(shè)計(jì)使冷熱鍛件圖的生成非常方便、快速。 

3.2工藝設(shè)計(jì) 

   首先從頭至尾掃描鍛件，得到一系列橫截面面積，保存到1個(gè)文本文檔里，由此可得到鍛件體積、最大長度和重量，然后根據(jù)截面面積數(shù)據(jù)繪制計(jì)算毛坯截面圖和計(jì)算毛坯直徑圖�？紤]到用戶的使用要求，例如數(shù)據(jù)查詢、截面圖的簡化、動(dòng)態(tài)縮放截面圖和直徑圖等，采用VC++進(jìn)行UG軟件的二次開發(fā)，模塊既可以獨(dú)立執(zhí)行也可以從主控界面直接調(diào)用，方便用戶使用，最后是確定輥鍛制坯時(shí)需要的次數(shù)以及每一次需要的延伸系數(shù)。 

3.3鍛模設(shè)計(jì) 

   包括精密成形輥鍛和精密模鍛模具型腔、模具結(jié)構(gòu)的自動(dòng)設(shè)計(jì)，可以方便地修改鍛模尺寸，得到新的模具實(shí)體，可以輸出模具的二維工程圖。

3.4刀具軌跡生成 

   由于鍛模的模具材料為熱作模具鋼，其硬度較高，加工困難，且工件長度尺寸大而寬度尺寸較小，尤其是型腔底部很窄，根據(jù)零件特點(diǎn)及加工經(jīng)驗(yàn)確定加工工藝。 

（1）粗加工，由于型腔底部有深而窄的槽，因而無法選用大直徑銑刀進(jìn)行粗加工，否則會(huì)導(dǎo)致余量不均勻而給后續(xù)加工帶來更大的麻煩(如斷刀等)，因而選用刀具為12mm的平底合金刀，加工余量（stock）為0.5mm，采用UG軟件的cavity milling加工方法，走刀軌跡為環(huán)切，采用變深度切削，0～-20mm每層下刀量為2mm，-20～-60mm每層下刀量為1mm(因?yàn)榍邢鳁l件愈來愈差)。由于采用了預(yù)鉆孔下刀的方法，從而有效地避免了“扎刀”對刀具的損壞，因此切削過程平穩(wěn)、高效。

（2）半精加工，由于型腔形狀復(fù)雜而且空間曲面較多，因而用平底刀粗加工后各處余量差別很大，此時(shí)如果直接精加工可能會(huì)斷刀而且加工質(zhì)量會(huì)很差。因此采用12mm硬質(zhì)合金球頭刀進(jìn)行半精加工，加工余量為0.3mm，采用UG軟件的fixed contour加工方法，走刀軌跡Zig-Zag雙向平行軌跡，用加工區(qū)的最大輪廓作為加工邊界，半精加工完成后，獲得了較為均勻的余量分布，為精加工打下了良好基礎(chǔ)。 

（3）精加工，因?yàn)楣ぜ�的最小圓角半徑為5mm，因而選用10mm硬質(zhì)合金球頭刀進(jìn)行精加工，加工余量為0.02mm，采用UG軟件的fixed contour加工方法，走刀軌跡Zig-Zag雙向平行軌跡，設(shè)定毛刺高度為0.01mm，由軟件決定行距，注意使用零件輪廓包容以避免傷及其他非加工表面。圖7為在UG軟件中生成的精鍛下模精加工刀具軌跡。 

（4）輸出刀位文件(.cls)，根據(jù)用戶機(jī)床所規(guī)定的數(shù)控代碼格式自定義后置處理程序，經(jīng)后置處理后通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，代碼格式完全符合用戶要求，不必進(jìn)行編輯和修改即可進(jìn)行數(shù)控加工。 

3.5刀具軌跡仿真 

   為了能對所生成的刀具軌跡有感性的認(rèn)識和評估，開發(fā)了刀具軌跡仿真軟件，其特點(diǎn)為不依賴于任何CAD/CAM系統(tǒng)，直接對數(shù)控代碼進(jìn)行仿真，通過仿真程序，可使工程技術(shù)人員和操作工人對進(jìn)刀點(diǎn)、走刀方式等有直觀的認(rèn)識，從而有效地避免可能出現(xiàn)的加工問題。 

4結(jié)束語 

   采用汽車前軸精密成形輥鍛和精密模鍛復(fù)合工藝，產(chǎn)品質(zhì)量好，設(shè)備投資少，建設(shè)周期短，材料利用率高，能耗低，生產(chǎn)效率高，更適合多品種大批量生產(chǎn)。開發(fā)的前軸精密成形輥鍛及精密模鍛工藝與模具CAD系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)前軸鍛件生產(chǎn)所需全部鍛模的自動(dòng)化設(shè)計(jì)，能提高設(shè)計(jì)速度6～８倍，加速了新產(chǎn)品的開發(fā)。采用高檔的CAD/CAM軟件作為技術(shù)平臺(tái)，不但極大地提高了設(shè)計(jì)及制造效率，而且提高了模具的加工精度，從而保證了產(chǎn)品的質(zhì)量，提高了產(chǎn)品和企業(yè)的市場競爭力，取得了較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 

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