一、引言

在计算机辅助制造设计中，NX是应用最为广泛的一种CAM设计软件。在这个平台上，用户可通过图形交互界面迅速而准确地实现数控编程，并且能快速地修改、调试程序。对于复杂曲面，NX CAM具有直接输出样条曲线的NURBS插补功能，可以快速加工出复杂而极其光滑的曲面，并采用高速加工技术，可满足各种复杂曲面和造型特征的高速度、高精度的要求，且容易编制合理有效的数控加工程序，以提高模具质量并缩短加工周期。

汽车转向节是底盘的关键部件之一，它必须具有强度高、抗冲击性能强、耐疲劳的品质，因此国内外一般采用模锻锤或者螺旋压力机对其锻打成型。本锻件材料为40Cr，其基本成形工艺过程为：下料→1200℃预热→镦粗→制坯→预锻→终锻→切边。由此可见，锻模的工况条件非常恶劣，模具必须承受巨大的打击力，为此通常选用具有高硬度、耐高温的5CrMnMo，此外，由于转向节成型工艺的复杂性，模具结构包含了不规则飞边、倒模斜角以及深沟槽等难加工特征（图1），本文针对这些难点，以NX8.5为编程平台，详细介绍转向节终锻模膛的高速加工策略。

图1 汽车转向节终锻模膛

二、汽车转向节终锻模膛的高速铣削策略

高速铣削的主轴转速约为15000~40000r/min，切削速度约为400m/min，为传统切削加工的5~10倍。高速铣削精度高，表面质量好，其加工精度一般为10μm左右；且加工过程中工件温升小、热变形小且表面质量好，可以在很大程度上减少甚至省略后续电极的加量，极大地缩短了工艺流程和加工时间。

但是，在高速切削过程中需要维持恒定的切削载荷，并保证无干涉、无碰撞，否则在高速切削状态下，刀具急剧磨损。因此，本转向节终锻模膛的高速铣削策略应的定制应注意以下几点：①在精加工阶段保持浅切削速度进行加工，切削速度约为刀具直径的15%；②尽量采用层优先的方式进行加工，以平衡切削负荷；③设置进刀为螺旋或圆弧式，避免刀具在进刀或退刀过程中运动的急剧变化。

1.刀具材料及参数的选择

刀具材料选用聚晶立方氮化硼（PCBN），它具有很高的硬度和耐磨性，非常适合高速切削淬硬刚。

由于模具结构上的特点，先采用大直径端铣刀对模具进行大面开粗，然后对型腔开粗选取φ10的端铣刀。在半精加工阶段，由于转向节盘部形状，在锻模上形成了难加工的深沟槽部分，故采用较小刀具将其与型腔半精加工区分开来。精加工之后，选用φ3的刀具清根。具体刀具参数如表1所示。

表1 高速加工刀具参数

2.高速铣削工艺规划

图2所示为转向节锻件图，该锻模特征可分为轴、盘和叉3个部分，由图2可见：盘部形状很扁，在锻模上形成了难加工的深沟槽部分；叉部小面多，曲面过度比较复杂；轴部为规则柱形，相对于其他两部分容易处理。为了确保刀路流畅和较好的加工质量，分别对其选用不同的铣削策略。

轴与叉部分型腔铣等高开粗之后，对轴部分曲面采用固定轴曲面轮廓铣。深沟槽部分通常情况下采用插铣进行加工，但考虑到高速加工时插铣对刀具及机头损害极大，故使用小直径刀具与轴、叉部分一并进行粗加工，并采用等高轮廓铣层优先加工壁面与底面，清根之后采用平面铣精铣锻模承击平面等其他平面。

图2 汽车转向轴锻件图

（1）粗加工

在加工之前使用NC助理分析模膛，以选择合适的刀具尽可能多地去除大部分余量。经分析，模膛最小园角为R3，深沟槽部分两壁的距离约为16mm，深度为58mm，毛坯尺寸为450mm×450mm×200mm，由于大铣刀无法直接加工到叉部的小特征和盘部，因此选用φ50和φ10的端铣刀分两部分开粗，余量分别为0.8mm和0.5mm，具体加工参数见表。

（2）半精加工

为了清除粗加工留下的刀痕，并为高速精加工准备均匀的余量，选用固定轴曲面轮廓铣中的“FIXED_COUNTOUR”对模膛进行半精加工。该铣削方法通过精确控制刀具轴和投影矢量，由驱动几何计算接触点，并补偿刀具半径值，以使刀具沿着非常复杂的曲面轮廓运动。该加工阶段采用φ6球刀铣深沟槽部，用φ8球刀铣轴部和叉部。在加工深沟槽部时应设置较大的切削深度0.5mm。

（3）精加工

本锻模的精铣包含3个部分：盘叉精铣、轴部垂直轴向走刀精铣和承击面等平面精铣。精铣阶段设置加工余量为0。首先采用φ10端铣刀精精铣承击面、矩形枕位等平面，加工方法为“FACE_MILLINHG_AREA”，并采用往复式切削走刀。其次，用φ6球刀精铣轴部曲面，为了取得较好的曲面质量和更好地加工过度圆角，修改走刀方向垂直与轴向，如图3所示。最后，不换刀继续精铣盘部与叉部曲面，切削深度和宽度均为0.2mm，主轴转速5000r/min，进给速度600r/min。

图3 轴部精铣走刀路径图

（4）清根加工

在一系列粗加工与精加工之后，模具上仍有一些残留余料，包括小曲面、圆角等位置。根据前面NC助理的分析数据选取φ3球刀清除死角余料和加工圆角部分。加工方法为“FLOWCUT_MULTIPLE”，该方法能够沿着部件表面的圆角或者凹面进行多刀路铣削。NX CAM处理器能自动选择最佳规则来确定清根的方法和路经，并优化刀轨，使得刀具与部件保持接触的同时最小化非切削移动。

（5）3D刀路仿真模拟。

在NX CAM中提供了刀路仿真功能，通过刀路仿真可直观地检查铣削过程中发生的干涉、碰撞和过切等现象，若有上述情况则修改刀具参数和切削路径，重新生成刀具路径并仿真检查，直到排除任何不合理刀路。对于过切，通常可以通过观察每个铣削步骤的IPW来确认是否有过切现象，若IPW不能完全包含部件几何体，则需要修改切削余量来排除。在确认刀路后，按NURBS格式执行后置处理并输出NC代码。

三、结语

本文针对汽车转向节硬度高、型腔复杂的特点，制定了铣削策略和刀路优化方案，主要体现在以下几个方面。

采用基于NX CAM模块的数控编程流程，便于合理地规划走刀路径，快速调整刀具参数和切削参数，并通过3D可视化迅速地处理编程中出现的问题，极大地简化了操作步骤和程序校核，缩短了模具的制造周期。

为提高加工效率、改善曲面加工精度，采用NURBS格式输出NC代码。此格式简化了程序结构，提高了程序的执行效率，从而大幅缩短了加工时间。

采用高速加工可使表面精度达到10μm左右，满足了该锻模对表面质量的需求，另外表面粗糙度也达到了1μm左右，可省去电火花和抛光等工序，节省了加工成本和时间。