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气缸头模具叶片电极设计与加工方法

一、摩托车发动机气缸头模具的特点
　　气缸头是摩托车发动机的一个非常重要的关键零件，其作用是形成气缸的工作容积和为活塞运动导向，在高温、高压、润滑不良、交变载荷和腐蚀等条件下工作。为增加冷却面积，保证散热充分，在其外表面铸有许多散热片，并有大量的支撑筋。叶片、筋等在模具上就形成小的深而复杂凹槽，无法用刀具切削加工，必须制作电极用电火花加工来成型。因此，电火花加工在气缸头模具制造中有重要的作用。
　　散热叶片特点是环绕气缸头四周(参见图1、图2)、量大(5～14片不等)、厚度较小(3mm左右)、片间距较小(10～12mm)。模具结构采取三向抽芯(见图3)。每个模具型芯有大量的深槽(见图4)。三向抽芯的主要部分采取数控机床或线切割加工出基本形状，而刀具加工不到的位置采取电火花最终成形。我们采取CAD/CAM/NC加工集成技术，用UG软件作为产品和模具设计、数控编程的平台，以HV45加工中心作为主要的加工手段加工模具型面和叶片电极，采用北京阿奇电火花机床加工叶片沟槽。下面介绍散热叶片电极设计与加工方法。
　　二、叶片电极传统的设计加工方法
　　我们以XX90气缸头为例。为保证散热充分，该气缸头共有6片散热叶片，片间隔12mm，其外边缘厚度为2mm，为脱模方便，必须加上拔模角。而各叶片外边缘距离中心远近不同，因此，叶片型面为变拔模角的曲面模型，拔模角从1°到3°不等。
　　模具采取三侧抽芯的分型结构，三侧抽芯均需电极。如果每个抽芯采用整体电极的话，只能用直径5mm以下而长度达100mm的细长刀具，根本无法切削。因此，通常采用单片电极组合的方法。图5是第一个叶片的模具和电极模型。图中标号为1、2和3处是三个方向的抽芯，标号为11、22和33处为相对应的电极。每一个叶片需要三个电极，6个散热叶片的XX90气缸头模具就需要18块电极，同理，有12个散热叶片的XX250的气缸头需要36块电极。
　　制造时为加工方便，通常采取同样形状大小的毛坯。先锻造18个相同的长方体毛坯，铣削毛坯六面，保证厚度12mm，每个毛坯钻铰两个直径相等位置一致的定位安装孔。然后在UG中编制数控加工程序，在数控机床上分别加工每个叶片，最终将三个方向的各六片电极通过定位孔装夹形成三个电极组合，在电加工机床上分别加工不同的三个抽芯。
　　设计编程时，XX90气缸头需要建立18个三维几何模型和18个毛坯模型，XX250气缸头需要36个三维几何模型和36个毛坯模型。每块叶片电极需要3个程序，仅XX90气缸头就有54个程序，数控编制和数控加工时间长，而且烦琐易出错。因此叶片电极的设计加工极大地影响了模具的加工周期和成本。
　　三、改进的叶片电极设计和加工方法
　　1. 叶片电极设计
　　基于气缸头的特点，我们将每一层的三个电极改进成图6所示的一个整体叶片电极。图中矩形轮廓为12mm厚的毛坯，在其中间部分制作一个圆台并钻铰4个直径相等的定位夹紧孔，孔心线分别与抽芯方向平行或垂直。每个型面加工完成后通过定位夹紧孔形成一个完整的组合电极，如图7所示。当电加工左抽芯时，用与抽芯方向垂直的2个定位孔来定位夹紧。加工结束，旋转90°加工下抽芯，最后旋转90°加工右抽芯。
　　为什么可以这样呢？首先气缸头叶片的中间部分为气缸头基体，在模具上是空腔，实际并不需电极成型，只有叶片电极四周部分才起作用；再者，叶片四周环绕，三个方向的抽芯各利用整体电极的一部分，在分型线处相连，各部分互不干涉。电加工时，相互并不发生干涉和电腐蚀，即使在分型线附近有少量腐蚀，由于这个区域的模具叶片槽是开放的，也可以采取钳工方法来弥补，实践证明腐蚀量非常小。
　　这样，对于6个散热叶片的XX90气缸头模具需要6块电极，而有12个散热叶片的XX250的气缸头仅需要12块电极。在电加工时只要注意电极的正确定位，用这个整体组合叶片电极分别加工三个抽芯是完全可以的。电极材料大大减少，而且电极三维模型的设计建模工作量大大减轻。
　　2. 叶片电极的加工
　　数控加工之前，电极毛坯的预加工工艺与原来工艺一样，采取锻造→铣削6面→钻铰4个直径相等的孔。但必须注意，除厚度为12mm外，电极的大小和4个直径相等的孔及圆台的位置必须在CAD软件中准确确定。其原则为：电极最小的长和宽尺寸必须包容所有叶片的最大轮廓，圆台的直径必须在所有叶片最小工作轮廓之内，4个直径相等的孔必须在圆台范围之内。最后利用4个直径相等的孔作为安装定位基准，安装在设计的夹具上，在HV45立式加工中心上加工叶片电极型面。
与原来图5右图所示的电极立式安装方式不同，改进后的叶片电极采取水平放置(见图7)，先加工一面，结束后反面安装加工另一面。由于6个叶片可以采取一样的毛坯、加工定位坐标系、编程坐标系、加工方法、加工余量、刀具和切削参数，在设计编程时，只需要用另一个叶片代替第一个叶片就可以生成新的叶片加工程序，大大减少了编程工作量和加工效率，降低了出错率。图8是在UG上进行的数控工艺规划。可以看出在生成电极 PIAN-2加工程序时，只需COPY电极PIAN-1程序到PIAN-2之下，然后重新生成即可，所有叶片电极只需30个程序。
　　我们以第一片为例说明。首先加工上表面。先用Φ20圆角半径为1mm的高速钢平底铣刀，沿电极零件外轮廓走一圈，采取平面铣PLANAR MILLING的加工方式，切削轨迹类型PROFILE方式。表面余量－0.1mm(放电间隙)，主轴转速1000r/min，进给速度100mm/min，切削深度为1mm。加工出的叶片轮廓形状如图9左图所示。然后用CAVITY MILL的等高切削方式去除叶片型面上的大量材料。用Φ20圆角半径为1mm的高速钢立铣刀加工，用常规的FOLLOW切削方式，表面余量为0mm，主轴转速1000r/min，切削深度为1mm。切削时，进给速度200mm/min，刀具轨迹模拟如图9右图所示。
　　对于曲面精加工通常采用固定轴投影加工FIXED CONTOUR驱动方式或射线RADIAL LINE的切削方式。由于三轴连动加工走刀速度较低，切削力较大，而电极在中间采用四个螺钉装夹，夹持力较小，因此我们采取了CAVITY MILL等高切削方式中的PROFILE方式，加工轨迹见图10(为表达清楚，轨迹曲线已稀释)。用Φ20圆角半径为1mm的高速钢立铣刀加工，为满足电腐蚀工艺中要求的放电间隙0.1mm，我们把表面余量设置为－0.1mm，主轴转速2000r/min，进给速度1000mm/min，切削深度为0.03mm。虽然电极型面的拔模角最小1°，型面非常平缓，但根据铣削加工理论表面粗糙度公式，当切削深度降低，表面粗糙度减小。因此使用0.03mm的切削深度加工效果很好，最后通过少量的抛光，获得了较好的表面质量。

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