高級轎車精鍛鋁車輪模具UG/CAD CAM應用

中信戴卡股份有限公司 （河北秦皇島 066011） 楊金嶺

精鍛鋁合金輪轂是高級轎車、卡車上重要關鍵安全件。其特點是造型美觀、重量輕、散熱好、省油、性能高等倍受歐美市場青睞?；谏鲜鎏攸c又由于精鍛鋁合金車轂生產(chǎn)工藝復雜、技術含量高、價錢貴、現(xiàn)階段一般只在高級轎車和高端卡車上使用。鋁合金輪轂精鍛技術是繼傳統(tǒng)的重力、擠壓、低壓等鋁合金車輪鑄造工藝后，國內鋁合金車輪生產(chǎn)工藝技術全新變革。此技術所生產(chǎn)的產(chǎn)品力學性能比常規(guī)低壓鑄造工藝的要高18%以上，材料可節(jié)約15%以上，可以大大降低與杜絕常規(guī)低壓鑄造的通病問題，是國際上較具競爭力的新技術，有較好的市場應用前景。中信戴卡股份有限公司是2003年在國內率先引進全自動化鍛造鋁合金輪轂生產(chǎn)線的廠家。借助歐美的先進設備，擁有先進的全自動化鍛造生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線將傳統(tǒng)的鍛造工藝與現(xiàn)代先進成形設備的完美結合，高效地生產(chǎn)高強度、高質量的高級轎車和高端卡車精鍛鋁合金輪轂。高級轎車精鍛鋁輪轂產(chǎn)品數(shù)字化設計開發(fā)制造一般流程如圖1所示。實際高級轎車精鍛鋁輪轂的生產(chǎn)流程如圖2所示。

圖 1

圖 2

1. UG NX在三維高級轎車精鍛鋁輪轂產(chǎn)品造型設計說明

（1）鍛造模具設計的前提和基礎是完善的3D產(chǎn)品造型設計 鍛造產(chǎn)品3D造型設計過程：①創(chuàng)造曲線，曲線的設計基礎是點，線由點生即由點到線。②創(chuàng)造曲面，曲面的設計基礎是線，面由線生即由線到面。③3D輪廓曲面的創(chuàng)建方法：由線到面方法有拉伸、旋轉、掃描、放樣等；通過曲面創(chuàng)建曲面方法有橋接、N邊曲面、延伸曲面、過渡曲面、圓角曲面、偏置曲面等；通過自由曲面創(chuàng)建曲面方法有曲面變換、曲面圓角、樣式曲面、樣式圓角曲面、樣式掃描、樣式拐角。

綜上所述，通過設定基準面、畫輪廓線、通過拉伸、旋轉、掃描、放樣、剪切、倒圓、曲面縫合、布爾運算、拔模及抽殼等命令完成鍛造產(chǎn)品三維造型（見圖3）。

2. UG NX在3D高級轎車精鍛鋁輪轂模具圖的設計應用說明

金屬毛坯鍛造過程是體積發(fā)生變化質量保持不變的過程，又受到金屬塑性變形程度比率的限制，所以鍛造一個產(chǎn)品毛坯是由幾套模具一步一步完成，一般可分為預鍛、初鍛、終鍛幾套鍛造模具。

圖3 鍛造產(chǎn)品

鍛造3D造型工步圖設計根據(jù)毛坯鍛造塑性變形過程體積不變的原理（見圖4）。這樣鍛造最終一個毛坯（即旋壓毛坯）需要通過預鍛、初鍛、終鍛、旋壓才能完成，這就需要分別設計對應的預鍛毛坯、初鍛毛坯、終鍛毛坯及旋壓毛坯三維造型。每套鍛造模具的上下模型腔是根據(jù)對應的工序毛坯來設計，而設計的過程正好同實際生產(chǎn)過程反過來，是先設計旋壓毛坯而后設計終鍛毛坯、初鍛毛坯及預鍛毛坯，倒置過程目的是防治設計紕漏。

圖 4

現(xiàn)以高級轎車鍛造鋁輪轂終鍛模具為例說明模具設計過程：①導入3D終鍛產(chǎn)品造型（即終鍛毛坯3D造型）。②設定材料熱收縮率。③建立分模線和分模面。④由三維終鍛產(chǎn)品圖通過抽殼、剪切、曲面縫合、布爾運算及拔模等命令完成上下模型腔基本體設計（見圖5）。⑤借助DFORM或QFORM鍛造模擬分析軟件進行鍛造過程數(shù)字化3D模擬分析。⑥如模擬中發(fā)現(xiàn)問題需要重新修改各個工序的模具型腔直到模擬沒有問題為止。⑦進行模具附件設計如模座、連接板、頂料器和模架等。⑧3D裝配各個部件然后通過UG NX－motion運動模擬檢查是否有干涉。⑨創(chuàng)建模具2D工程圖和標注尺寸。⑩打印工程圖、審批后出圖、曬制工程藍圖。

圖5 鍛造模芯造型

3. UG NX在高級轎車鋁輪轂精鍛模具CAM數(shù)控制造加工過程

（1）數(shù)控加工的基本原則 鍛造模具數(shù)控加工主要是針對要求精度較高的模芯進行數(shù)控加工，而一般精度要求不高的附件為了降低成本一般在成本較低的普通機床上加工。

（2）模芯進行數(shù)控的工藝路線 ①粗加工：粗銑開粗→去余量→清根。②半精加工：半精銑→去余量→清根。③精加工：精銑→清根。

4. UG NX在CAM方面高級轎車鋁輪轂精鍛模具應用

（1）UG NX在CAM制造加工實際經(jīng)驗技巧由于UG NX－CAM功能強大、一般沒有一定數(shù)控加工基礎知識的新手不知如何入手、所以認為UG－CAM比較難學，其實你要是有一定數(shù)控加工基礎知識、UG NX－CAM學起來同其他加工軟件學起來一樣簡單、而且UG NX－CAM功能強大、靈活性強。

（2）UG NX數(shù)控加工一般過程研究 ①可以用原有的3D鍛造凸凹模數(shù)據(jù)模型導入UG NX－CAM中或直接用UG NX－CAD設計鍛造凸凹模數(shù)據(jù)模型切換到UG NX－CAM中（見CAD部分）。②模型分析如長寬高、拐角大小，加工方案工藝流程策劃、分析、方案確定。③機加毛坯定置方式：一種是通過數(shù)據(jù)導入方式來定義毛坯；第二種是通過自己在UG NX－CAD設計方式來定義毛坯形狀、此方式自由度比較高，可以通過不同圖層來顯現(xiàn)或隱藏來決定是否選??；第三種是用UG凸凹模造型通過偏置方式定義圓形或方形模具毛坯，此方式定義毛坯自由度比較低。④鍛造模具數(shù)控加工編程基準點的確定型式：第一種方式是用毛坯下端面中心點定義基準點：此方式好處是數(shù)控加工后此點依然存在、數(shù)控修改模具時可再利用此點；第二種方式是用毛坯上端面中心點定義基準點：好處加工好找正；第三種方式是用毛坯邊面頂點定義基準點。⑤設定機加工安全平面。⑥鍛模加工精度等級分序是：粗加工、半精加工、精加工及清角加工（見圖6）。⑦刀具選擇：根據(jù)粗、精、清角加工位置不同特點選擇刀具（主要包括刀具種類、刀具材料選擇、刀頭形式、刀片尺寸、刀桿形狀及刀桿尺寸），如圖7所示。⑧刀具主軸轉速：根據(jù)粗、精、清角加工位置和造型的不同特點制定加工轉速。如圖8所示。⑨刀具進給率：根據(jù)粗、精、清角加工位置和造型的不同特點制定進給率。⑩切削方法按加工形式分為：面加工、型腔加工（凸凹處）、側壁或橫切加工（側面或斜面）、曲面加工、小曲面精加工和曲面加工，如圖9所示?！銮邢鲄?shù)設定包括：步進距離、切削層、拐角控制及非切削參數(shù)等。■ 鍛造車輪模加工軌跡生成如圖10所示?！鲥懺燔囕喣７抡婺M加工如圖11所示：將加工出的模型與最終要求成品進行對比，觀察有無過切現(xiàn)象?！龈鶕?jù)機床G代碼類型如西門子、發(fā)那科等不同系統(tǒng)選擇生產(chǎn)后處理程序生成G代碼?！鲇脗鬏敊C將后處理生成G代碼文件傳輸?shù)綌?shù)控機床供機床使用。

圖6 按加工精度定工序

圖7 刀具參數(shù)設定

圖8 刀具主軸轉速和進給率

圖9 加工方式設定

圖10 切削加工軌跡

圖11 加工軌跡生成

5. 結語

通過結合高級轎車精鍛鋁輪轂生產(chǎn)實際流程和舉例應用UG NX進行鍛造鋁輪轂模具設計、制造CAD/CAM的分析研究，可以得出結論，要想降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高設計精度，縮短設計周期，提高生產(chǎn)效率，增強企業(yè)競爭力，必須有好的設計工具，通過學習和引進國內外設計軟件對提高我國企業(yè)精鍛鋁合金設計、制造工作具有巨大的幫助。