氣缸頭模具葉片電極設計加工新方法簡介

一、摩

托車發動機氣缸頭模具的特點
氣缸頭是摩托車發動機的一個非常重要的關鍵零件，其作用是形成氣缸的工作容積和為活塞運動導向，在高溫、高壓、潤滑不良、交變載荷和腐蝕等條件下工作。為增加冷卻面積，保證散熱充分，在其外表面鑄有許多散熱片，并有大量的支撐筋。葉片、筋等在模具上就形成小的深而復雜凹槽，無法用刀具切削加工，必須制作電極用電火花加工來成型。因此，電火花加工在氣缸頭模具制造中有重要的作用。
散熱葉片特點是環繞氣缸頭四周、量大(5～14片不等)、厚度較小(3mm左右)、片間距較小(10～12mm)。模具結構采取三向抽芯。每個模具型芯有大量的深槽。三向抽芯的主要部分采取數控機床或線切割加工出基本形狀，而刀具加工不到的位置采取電火花最終成形。我們采取CAD/CAM/NC加工集成技術，用UG軟件作為產品和模具設計、數控編程的平臺，以HV45加工中心作為主要的加工手段加工模具型面和葉片電極，采用北京阿奇電火花機床加工葉片溝槽。下面介紹散熱葉片電極設計與加工方法。
二、葉片電極傳統的設計加工方法
我們以XX90氣缸頭為例。為保證散熱充分，該氣缸頭共有6片散熱葉片，片間隔12mm，其外邊緣厚度為2mm，為脫模方便，必須加上拔模角。而各葉片外邊緣距離中心遠近不同，因此，葉片型面為變拔模角的曲面模型，拔模角從1°到3°不等。
模具采取三側抽芯的分型結構，三側抽芯均需電極。如果每個抽芯采用整體電極的話，只能用直徑5mm以下而長度達100mm的細長刀具，根本無法切削。因此，通常采用單片電極組合的方法。是第一個葉片的模具和電極模型。每一個葉片需要三個電極，6個散熱葉片的XX90氣缸頭模具就需要18塊電極，同理，有12個散熱葉片的XX250的氣缸頭需要36塊電極。
制造時為加工方便，通常采取同樣形狀大小的毛坯。先鍛造18個相同的長方體毛坯，銑削毛坯六面，保證厚度12mm，每個毛坯鉆鉸兩個直徑相等位置一致的定位安裝孔。然后在UG中編制數控加工程序，在數控機床上分別加工每個葉片，最終將三個方向的各六片電極通過定位孔裝夾形成三個電極組合，在電加工機床上分別加工不同的三個抽芯。
設計編程時，XX90氣缸頭需要建立18個三維幾何模型和18個毛坯模型，XX250氣缸頭需要36個三維幾何模型和36個毛坯模型。每塊葉片電極需要3個程序，僅XX90氣缸頭就有54個程序，數控編制和數控加工時間長，而且煩瑣易出錯。因此葉片電極的設計加工極大地影響了模具的加工周期和成本。
三、改進的葉片電極設計和加工方法
1. 葉片電極設計
基于氣缸頭的特點，我們將每一層的三個電極改進成的一個整體葉片電極。矩形輪廓為12mm厚的毛坯，在其中間部分制作一個圓臺并鉆鉸4個直徑相等的定位夾緊孔，孔心線分別與抽芯方向平行或垂直。每個型面加工完成后通過定位夾緊孔形成一個完整的組合電極。當電加工左抽芯時，用與抽芯方向垂直的2個定位孔來定位夾緊。加工結束，旋轉90°加工下抽芯，最后旋轉90°加工右抽芯。
為什么可以這樣呢？首先氣缸頭葉片的中間部分為氣缸頭基體，在模具上是空腔，實際并不需電極成型，只有葉片電極四周部分才起作用；再者，葉片四周環繞，三個方向的抽芯各利用整體電極的一部分，在分型線處相連，各部分互不干涉。電加工時，相互并不發生干涉和電腐蝕，即使在分型線附近有少量腐蝕，由于這個區域的模具葉片槽是開放的，也可以采取鉗工方法來彌補，實踐證明腐蝕量非常小。
這樣，對于6個散熱葉片的XX90氣缸頭模具需要6塊電極，而有12個散熱葉片的XX250的氣缸頭僅需要12塊電極。在電加工時只要注意電極的正確定位，用這個整體組合葉片電極分別加工三個抽芯是完全可以的。電極材料大大減少，而且電極三維模型的設計建模工作量大大減輕。
2. 葉片電極的加工
數控加工之前，電極毛坯的預加工工藝與原來工藝一樣，采取鍛造→銑削6面→鉆鉸4個直徑相等的孔。但必須注意，除厚度為12mm外，電極的大小和4個直徑相等的孔及圓臺的位置必須在CAD軟件中準確確定。其原則為：電極最小的長和寬尺寸必須包容所有葉片的最大輪廓，圓臺的直徑必須在所有葉片最小工作輪廓之內，4個直徑相等的孔必須在圓臺范圍之內。最后利用4個直徑相等的孔作為安裝定位基準，安裝在設計的夾具上，在HV45立式加工中心上加工葉片電極型面。
與原來的電極立式安裝方式不同，改進后的葉片電極采取水平放置，先加工一面，結束后反面安裝加工另一面。由于6個葉片可以采取一樣的毛坯、加工定位坐標系、編程坐標系、加工方法、加工余量、刀具和切削參數，在設計編程時，只需要用另一個葉片代替第一個葉片就可以生成新的葉片加工程序，大大減少了編程工作量和加工效率，降低了出錯率。在UG上進行的數控工藝規劃。可以看出在生成電極PIAN-2加工程序時，只需COPY電極PIAN-1程序到PIAN-2之下，然后重新生成即可，所有葉片電極只需30個程序。
我們以第一片為例說明。首先加工上表面。先用Φ20圓角半徑為1mm的高速鋼平底銑刀，沿電極零件外輪廓走一圈，采取平面銑PLANAR MILLING的加工方式，切削軌跡類型PROFILE方式。表面余量－0.1mm(放電間隙)，主軸轉速1000r/min，進給速度100mm/min，切削深度為1mm。加工出的葉片輪廓形狀。然后用CAVITY MILL的等高切削方式去除葉片型面上的大量材料。用Φ20圓角半徑為1mm的高速鋼立銑刀加工，用常規的FOLLOW切削方式，表面余量為0mm，主軸轉速1000r/min，切削深度為1mm。切削時，進給速度200mm/min，刀具軌跡模擬。
對于曲面精加工通常采用固定軸投影加工FIXED CONTOUR驅動方式或射線RADIAL LINE的切削方式。由于三軸連動加工走刀速度較低，切削力較大，而電極在中間采用四個螺釘裝夾，夾持力較小，因此我們采取了CAVITY MILL等高切削方式中的PROFILE方式，加工軌跡見圖10(為表達清楚，軌跡曲線已稀釋)。用Φ20圓角半徑為1mm的高速鋼立銑刀加工，為滿足電腐蝕工藝中要求的放電間隙0.1mm，我們把表面余量設置為－0.1mm，主軸轉速2000r/min，進給速度1000mm/min，切削深度為0.03mm。雖然電極型面的拔模角最小1°，型面非常平緩，但根據銑削加工理論表面粗糙度公式，當切削深度降低，表面粗糙度減小。因此使用0.03mm的切削深度加工效果很好，最后通過少量的拋光，獲得了較好的表面質量。
當一面加工結束后，反面的加工與前述方法一樣，由于電極輪廓前面已經到位，因此只需后兩個程序。需要注意的是，由于裝夾接觸面進一步減小，因此切削深度應減小，所以粗加工用0.5mm，精加工0.03mm。
在加工和編程中需特別注意的是由于電極只在中間采取四個螺釘裝夾，夾持力較小，因此必須降低切削力。根據切削理論，降低切削深度可以有效降低切削力，而且降低切削深度可以有效降低電極的型面表面粗糙度。因此我們選擇較高切削速度和較小切削深度，精加工切削深度為0.03mm。刀具材料采取高速鋼，和硬質合金相比，雖然硬度低，但刀具鋒利，切薄能力更強，由于工件材料為銅，硬度不成問題。實踐證明，在銅電極加工中選擇高速鋼刀具和合理的切削用量可以得到比硬質合金刀具更好的結果。
四、結束語
摩托車氣缸頭模具大量采用電火花加工。傳統的葉片電極的設計加工方法，浪費材料，加工周期長，通過改進散熱葉片電極的設計加工工藝并結合先進的三維CAD/CAM技術，并采取合理的加工和安裝定位，可極大地提高了模具加工效率。目前我們已在多副氣缸頭模具上采取這種方法，實踐證明是行之有效的。