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汽车钢制模锻活塞制造的奥秘

来源:国际汽车设计及制造 发布时间:2022-11-03 562
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如何提升活塞锻造模具加工表面质量,提高加工效率,将成为一个企业能否承接钢制模锻活塞的重要技术能力衡量指标。

近年来,随着燃油发动机环保性要求不断提高和排放要求的日益严格,活塞作为燃油发动机的核心关键部件,承受了燃油发动机内热负荷和机械负荷,因此对活塞结构及强度要求更加严格,传统的铸造活塞、铝合金活塞和组合式活塞越来越不能满足未来燃油发动机的快速发展。钢铁材料由于具有良好的热力学性能和抗磨损性能以及良好的热加工和机械加工工艺性,成为进一步提高活塞性能的首选材料。


目前,国外钢质模锻活塞已广泛应用于卡曼、卡特彼勒、康明斯、戴姆勒、沃尔沃、奔驰、马克等公司的高性能中重型柴油机上。随着汽车制造业的发展,以及国家对节能环保的严格管控,中国汽车尾气排放标准开始按国六标准实施,钢制模锻活塞凭借其自身性能优势和寿命长的特点,需求量与日俱增,加工精度要求越来越高。因此如何提升活塞锻造模具加工表面质量,提高加工效率,将成为一个企业能否承接钢制模锻活塞的重要技术能力衡量指标。


为了更好、更专业的满足活塞锻件加工质量和周期的需求,本文作者特根据钢制模锻活塞市场需求,结合公司实际生产状况定制了一种车铣复合工艺模式(基于Cimatron模块)来实现半智能化加工,助推汽车钢制模锻行业的发展。

一、目前活塞模具淬火前粗切编程加工存在的问题


1.活塞模具淬火前粗加工数控车和加工中心分开编程,加工中心加工时不能参考车削后的剩余毛胚,不能充分发挥现代软件智能化的优势,导致空切过多浪费资源,违背智能制造发展方向。


2.相对于回转体类模具未能充分发挥高效车削的效率优势,优先采用车削模式实现“能车不铣、车铣复合”的加工模式。

二、Cimatron软件车铣复合模式编程解决方案及实例应用


(1)准备工作
先用集合、组合曲线和颜色等功能将3D图档归类,以方便控制加工范围和根据精度要求区分不同的加工曲面,留取不同的加工余量(比如模具型腔内要留取余量用于放电粗加工和最后的淬火后精加工;仓面、桥面、挤压筒、倒角及方向槽淬火前直接车削或加工中心铣削到位)。如图所示,该产品为活塞预下模,先建立预下模集合,为方便做成模版再分别建立32R6基准轮廓、内轮廓、外轮廓、挤压筒轮廓、毛胚等集合。并用颜色将型腔(红色)和挤压筒(蓝色)区别开来,同时根据公司的刀具实际使用情况提前做好数控车刀和加工中心刀具库备用(见图1、图2)。


QQ截图20221103104559.jpg


(2)建立机床文件、零件、毛胚
建立机床文件:设置好机床名称、加工材质、机床类型、夹持类型、后处理、NC报告等,并根据需要设置合理的零件和夹具安全间隙。建立机床文件后再分别建立零件文件和毛胚文件等,完成后需要进行实际加工模拟,检测工装夹具和刀柄刀具,防止加工过切和撞刀导致零件报废甚至重大安全事故发生;建立毛胚文件主要是发挥Cimatron强悍的毛胚识别自适应加工的优势,充分利用软件的智能制造特点,减少人为干预,高度集中模块化应用(见图3、图4)。


图3

图4


(3)建立车削TP
以中文建立车削TP预下模新制车削,进入车削环境。先用外圆车刀车削桥外部分,再用最新的高效车工艺使用R5的端面圆弧槽刀车削挤压筒及部分型腔区域。高效车削充分发挥了保持机床恒定负载的优势,尤其是在R角车削量大的位置刀路自动加密,有效降低机床主轴负载,而且使用全圆弧进退刀,有效防止了端面槽刀扎刀碎刀片想象的发生,从而使其能够实现高效车削。根据实际加工数据统计,采用“以车代铣”效率提升了三分之一,而且这种R角端面圆弧槽刀经济实惠,性价比超高,成本比之前降低了一半。粗车完成后,继续使用R5的端面圆弧槽刀精车一次,保证挤压筒、倒角等位置尺寸到位。车削完成后自动更新剩余毛胚,为下步的加工中心铣削做准备(见图5、图6)。


QQ截图20221103104615.jpg


(4) 建立加工中心铣削TP
以中文建立加工中心铣削TP预下模新制双工位,进入铣削环境。为了提高加工中心的使用效率,在加工中心上采用双工位装夹,采用四爪卡盘+销钉定位,有效减轻了操作工的劳动强度。先用32R6牛鼻刀接着车削毛胚开粗,软件会自动参考车削剩余毛胚自适应加工,有效的避免了空切,大幅提高了加工效率。后面一直采用自动更新剩余毛胚也就是俗称的“二粗三粗”,再直接使用软件的刀路阵列功能,充分利用软件智能化的优势,大幅降低了程序编制的难度,易学易用。(见图7、图8)。


QQ截图20221103104625.jpg


(5)机床模拟并批量生成后处理及创建加工工艺报表
考虑到公司现有设备老化(前置刀架数控车和不带刀库的数控铣),为充分利用并提升老设备的使用效率。程序模拟时采用先进的车铣复合机床,同步模拟车削和铣削刀具路径,有效规避刀柄刀具、工装夹具等的干涉,确保程序模拟时正确无误。后处理采用GPP2批量定制后置。创建的后处理文件夹按车削和加工中心铣削自动归类并自动创建与工艺匹配的加工工艺报表,软件支持程序和后处理全中文路径,做到清晰明了的存储归档,方便后期的修改(锻造模具大修较多),大幅节约了后处理和填写加工工艺报表的时间,有效避免了手动归档和手动填写加工工艺报表的遗漏现象(见图9、图10)。


QQ截图20221103104640.jpg

 
三、结束语


以上介绍了Cimatron软件车铣复合模式在汽车钢制模锻活塞模具中的应用,随着近几年国家在智能制造方面的步伐加快,一次装夹加工到位,减少重复定位的复合型数控设备是未来的发展趋势,车铣复合工艺编制模式程序编制时尽量应用现代软件的智能化方案,保证加工工艺与时俱进。后处理时既可以分开应用到现有的老设备上,也可以直接应用的后期先进的车铣复合高端设备上。这样既能充分利用老旧设备使其继续充满活力,又可以为将来更多的复合加工设备做好技术储备,随时应用。

参考文献:
[1] 张梦欣.  数控加工工艺学[M]. 北京:中国劳动社会保障出版社,2011.
[2] 曹结根.  金属加工.冷加工[J]. 北京:机械工业出版社,2014.
[3] 孟少农.  机械加工工艺手册[M]. 北京:机械工业出版社,1991.


作者:曹结根,安徽安簧机械股份有限公司


来源:荣格-《国际汽车设计及制造》

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