辊锻模具的数控加工

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本文分析了辊锻模具结构特点，并介绍了辊锻模具数控加工技术、探讨加工策略和数控加工刀具匹配等，满足辊锻模具型槽加工效率和精度要求。

一、引言

辊锻作为锻造的制坯工艺可节约金属材料，提高材料利用率，同时有利于锻件成型，提高锻件精度，减轻后续模具磨损，提高模具寿命。经过多年的发展，我公司辊锻工艺应用较为成熟，而且辊锻模具已经采用专用软件进行设计。目前数控加工技术已经普及，探讨辊锻模具数控加工技术对提高加工效率和加工质量都有必要。

二、辊锻模具结构及加工工艺分析

1.辊锻模具结构特点

中小型2～4道辊锻型槽，上下两块组成一道型槽，每块模具是圆心角为85°的扇形块，在扇形圆周上加工型槽，然后安装在辊锻机上，如图1所示。

其中，R150内圆弧面与辊锻机外圆面配合，11°53′斜面作为圆周方向定位面，型槽以圆心分布。

2.机加工工艺

型槽安排在卧式加工中心上加工，加工工艺如表1所示。

三、辊锻模具数控加工

1.辊锻模具的三维建模

三维建模可以根据两维图样尺寸使用PowerSHAPE造型软件建模，通过绘制截面线和连接母线，应用曲面中的驱动曲线等面造型功能生成辊锻型槽。本公司中小型辊锻模具型槽设计采用专门的辊锻设计软件设计，输入各道辊锻毛坯的尺寸后自动生成辊锻模具型槽，如图2所示。

2.辊锻型槽的布排

在Delcam造型软件PowerSHAPE中运用旋转、对称等功能在要求的圆环上布排各个辊锻型槽。布排的原则是尽可能多的布排型槽，但要留出足够的切口位置，如果辊锻模具角度大于85°，为了能在一块圆环毛坯上加工尽可能多的型槽，可以将型槽连在一起，采用线切割加工切口。一般每个辊锻模的角度是85°，那么一个圆环毛坯上安排分布4个辊锻型槽，每块都有5°的切口位置，切口最小宽度最好大于10mm。本例中最小宽度是14.82mm，可以使用直径为10mm的刀具加工，直径小于10mm刀具加工难度较大，影响加工效率（图3）。

3.数控加工范围的确定

由于加工刀具伸长和工件的干涉问题，一次不能加工整个180°范围内的全部型槽，需要确定加工的角度范围。我们是确定左右各50°、一共100°的加工范围，各做50°两个面围住加工范围。在每2个100°加工范围内设置10°的重叠加工区域，消除接刀痕迹（图4）。

4.数控加工原点的确定

数控加工Z轴原点设在圆环毛坯外圆表面，一次加工范围为100°，加工完成后，卧式加工中心旋转工作台旋转90°后设为第二个加工原点，加工第二个100°范围。依此类推，每90°旋转一次，4次加工完成整个圆周型槽（图5）。

编程人员要把4次加工的旋转方向和次数在加工清单中注明，避免由于说明不清导致加工错误，操作者严格按加工说明装夹、找正并加工。

原点设置应平行一个端面，避免倒拔模情况的发生。

5.加工毛坯的确定

开粗加工时必须要先确定毛坯形状，PowerMILL提供丰富的毛坯定义方式，如可由方框、图形、三角形、边界和圆柱体等定义。辊锻模为圆环形状，一般都是使用三角形和边界定义毛坯。三角形定义毛坯是在造型软件PowerSHAPE中对圆环进行造型，然后以PowerMILL加工三角形.dmt格式输出，在PowerMILL中的毛坯设置中插入三角形毛坯，生成如图6所示形状的毛坯。

使用边界定义毛坯是在造型软件PowerSHAPE中画出圆环边界，然后导入到PowerMILL中，以边界定义毛坯，生成如图6所示形状的毛坯。实际加工中可以根据情况选用合适的毛坯定义方式。

6.加工策略

Delcam公司的PowerMILL自动编程软件提供了丰富的加工策略，粗加工可分为偏置区域清除、轮廓区域清除和平行区域清除3种，对于辊锻模具我们采用偏置区域清除加工策略。粗加工的下切或行间过渡部分采用写式下刀或圆弧下刀，刀具路径的尖角处要采用圆角的光顺处理，这样才能尽可能地保持刀具负荷的稳定，减少任何切削方向的突然变化。应从工件中心开始向外加工，尽量减少全刀宽切削。

对于镶片刀具进行偏置粗加工，要启用切削区域过滤选项，通过计算合适的过滤阀值使系统自动过滤掉刀具盲区干涉区域的粗加工路径。过滤阀值按[（D-4R）+D]/D计算（其中，D―刀具直径，R―刀具圆角半径），以避免对刀具的损坏。第一刀开粗后，还可使用残留加工方式，其能自动识别上一道工序的残留区域和拐角区域，自动判别在上一道工序留有的台阶的层间进行切削，为后面的精加工去除余量（图7）。

PowerMILL的精加工常用加工策略有3D偏置加工、等高加工和平行等。这里采用等高、平行加工，精加工连接短轴为直、长轴为掠过、切入切出均为无的方式，尽量减少抬刀次数和减少刀具路径频繁方向的变化。根据辊锻模具结构特点设计的加工策略，如表2所示。

7.编程技巧

（1）策略匹配和刀具组合。

等高精加工取代区域清除粗加工残留加工平行加浅滩局部清根。区域清除粗加工策略在计算刀路时由于考虑到毛坯形状和刀具的切入、切出连接等因素，刀路抬刀较多。由于辊锻模具的形状比较陡峭，可以通过采用合适直径的刀具和等高精加工策略取代区域清除策略，可以减少抬刀，提高加工效率。本例中切口处采用区域清除，型槽部位采用等高策略加工，抬刀减少433次，效率提升30%（图8）。

刀具参数组合：第一把开粗圆鼻刀具直径按≥型槽宽度一半；第二把圆鼻刀具按前一把刀具直径的一半选取进行残留加工；第三把刀具尽量选用大直径（R15＼R10）球头刀精加工全部；第四把刀具选用小于最小圆角的球头刀进行清根加工。

（2）参考路径策略中提高加工效率的方法。

参考路径加工是PowerMILL中重要且最安全可靠的一种常用加工策略，常在开粗加工中使用。但在实际加工中发现参考路径产生的刀具路径比较凌乱，抬刀和空刀较多。经过实践，我们将公差和余量设置大于要参考路径的公差和余量值。本例中加工余量配置：第一把开粗刀路加工公差、余量均取0.1mm；第二把残留加工公差、余量均取0.15mm。这样产生的参考路径刀路简洁，并基本消除了抬刀和空刀，提高了加工效率。

8.刀具路径与加工模拟

PowerMILL提供了可靠而直观的刀具轨迹校验和仿真模拟，可以观察刀具路径是否合理。刀具路径校验是通过动态模拟刀具路径来观察刀具的下刀点、加工方向等信息。刀具路径仿真是通过刀具对材料进行切除的模拟来观察加工余量、加工部位等情况，通过上述2种方法可以修改刀具路径达到加工要求。

9.后置处理、加工代码生成

加工模拟通过后，选取已完成的刀具路径产生独立NC程序，设置输出目录、机床后处理文件，然后写入程序，这时系统开始编译刀具路径，生成G代码文件。

通过对后置处理程序的修改，在G代码文件的开头部分增加刀具、余量、加工深度以及加工时间等信息，有利于操作者对加工的了解和质量的控制。

四、结语

应用PowerMILL加工软件，通过加工策略和刀具的合理匹配，加工效率可以提高30%，一个辊子（4块）可减少数控加工工时6小时，节省数控加工工时费用：6×100=600元；满足了精度要求，达到锻模高效生产的目的。