一、摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸頭模具的特點(diǎn) 

   氣缸頭是摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)非常重要的關(guān)鍵零件，其作用是形成氣缸的工作容積和為活塞運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向，在高溫、高壓、潤(rùn)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(fù)雜凹槽，無(wú)法用刀具切削加工，必須制作電極用電火花加工來(lái)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(diǎn)是環(huán)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(jié)構(gòu)采取三向抽芯。每個(gè)模具型芯有大量的深槽。三向抽芯的主要部分采取數(shù)控機(jī)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(shù)，用UG軟件作為產(chǎn)品和模具設(shè)計(jì)、數(shù)控編程的平臺(tái)，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(jī)床加工葉片溝槽。下面介紹散熱葉片電極設(shè)計(jì)與加工方法。 

二、葉片電極傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(yuǎn)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(cè)抽芯的分型結(jié)構(gòu)，三側(cè)抽芯均需電極。如果每個(gè)抽芯采用整體電極的話，只能用直徑5mm以下而長(zhǎng)度達(dá)100mm的細(xì)長(zhǎng)刀具，根本無(wú)法切削。因此，通常采用單片電極組合的方法。第一個(gè)葉片的模具和電極模型中標(biāo)號(hào)為1、2和3處是三個(gè)方向的抽芯，標(biāo)號(hào)為11、22和33處為相對(duì)應(yīng)的電極。每一個(gè)葉片需要三個(gè)電極，6個(gè)散熱葉片的XX90氣缸頭模具就需要18塊電極，同理，有12個(gè)散熱葉片的XX250的氣缸頭需要36塊電極。 

   制造時(shí)為加工方便，通常采取同樣形狀大小的毛坯。先鍛造18個(gè)相同的長(zhǎng)方體毛坯，銑削毛坯六面，保證厚度12mm，每個(gè)毛坯鉆鉸兩個(gè)直徑相等位置一致的定位安裝孔。然后在UG中編制數(shù)控加工程序，在數(shù)控機(jī)床上分別加工每個(gè)葉片，最終將三個(gè)方向的各六片電極通過(guò)定位孔裝夾形成三個(gè)電極組合，在電加工機(jī)床上分別加工不同的三個(gè)抽芯。 

   設(shè)計(jì)編程時(shí)，XX90氣缸頭需要建立18個(gè)三維幾何模型和18個(gè)毛坯模型，XX250氣缸頭需要36個(gè)三維幾何模型和36個(gè)毛坯模型。每塊葉片電極需要3個(gè)程序，僅XX90氣缸頭就有54個(gè)程序，數(shù)控編制和數(shù)控加工時(shí)間長(zhǎng)，而且煩瑣易出錯(cuò)。因此葉片電極的設(shè)計(jì)加工極大地影響了模具的加工周期和成本。 

三、改進(jìn)的葉片電極設(shè)計(jì)和加工方法 

1. 葉片電極設(shè)計(jì) 

   基于氣缸頭的特點(diǎn)，我們將每一層的三個(gè)電極改進(jìn)成一個(gè)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(gè)圓臺(tái)并鉆鉸4個(gè)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(gè)型面加工完成后通過(guò)定位夾緊孔形成一個(gè)完整的組合電極。當(dāng)電加工左抽芯時(shí)，用與抽芯方向垂直的2個(gè)定位孔來(lái)定位夾緊。加工結(jié)束，旋轉(zhuǎn)90°加工下抽芯，最后旋轉(zhuǎn)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(shí)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(huán)繞，三個(gè)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(shí)，相互并不發(fā)生干涉和電腐蝕，即使在分型線附近有少量腐蝕，由于這個(gè)區(qū)域的模具葉片槽是開(kāi)放的，也可以采取鉗工方法來(lái)彌補(bǔ)，實(shí)踐證明腐蝕量非常小。 

   這樣，對(duì)于6個(gè)散熱葉片的XX90氣缸頭模具需要6塊電極，而有12個(gè)散熱葉片的XX250的氣缸頭僅需要12塊電極。在電加工時(shí)只要注意電極的正確定位，用這個(gè)整體組合葉片電極分別加工三個(gè)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(shè)計(jì)建模工作量大大減輕。 

2. 葉片電極的加工 

   數(shù)控加工之前，電極毛坯的預(yù)加工工藝與原來(lái)工藝一樣，采取鍛造→銑削6面→鉆鉸4個(gè)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(gè)直徑相等的孔及圓臺(tái)的位置必須在CAD軟件中準(zhǔn)確確定。其原則為：電極最小的長(zhǎng)和寬尺寸必須包容所有葉片的最大輪廓，圓臺(tái)的直徑必須在所有葉片最小工作輪廓之內(nèi)，4個(gè)直徑相等的孔必須在圓臺(tái)范圍之內(nèi)。最后利用4個(gè)直徑相等的孔作為安裝定位基準(zhǔn)，安裝在設(shè)計(jì)的夾具上，在HV45立式加工中心上加工葉片電極型面。 

   與原來(lái)的電極立式安裝方式不同，改進(jìn)后的葉片電極采取水平放置，先加工一面，結(jié)束后反面安裝加工另一面。由于6個(gè)葉片可以采取一樣的毛坯、加工定位坐標(biāo)系、編程坐標(biāo)系、加工方法、加工余量、刀具和切削參數(shù)，在設(shè)計(jì)編程時(shí)，只需要用另一個(gè)葉片代替第一個(gè)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(cuò)率。在生成電極PIAN-2加工程序時(shí)，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(gè)程序。 

   我們以第一片為例說(shuō)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(zhuǎn)速1000r/min，進(jìn)給速度100mm/min，切削深度為1mm。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(guī)的FOLLOW切削方式，表面余量為0mm，主軸轉(zhuǎn)速1000r/min，切削深度為1mm。切削時(shí)，進(jìn)給速度200mm/min。  

   對(duì)于曲面精加工通常采用固定軸投影加工FIXED CONTOUR驅(qū)動(dòng)方式或射線RADIAL LINE的切削方式。由于三軸連動(dòng)加工走刀速度較低，切削力較大，而電極在中間采用四個(gè)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。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(shè)置為－0.1mm，主軸轉(zhuǎn)速2000r/min，進(jìn)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(jù)銑削加工理論表面粗糙度公式，當(dāng)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(guò)少量的拋光，獲得了較好的表面質(zhì)量。 

   當(dāng)一面加工結(jié)束后，反面的加工與前述方法一樣，由于電極輪廓前面已經(jīng)到位，因此只需后兩個(gè)程序。需要注意的是，由于裝夾接觸面進(jìn)一步減小，因此切削深度應(yīng)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(gè)螺釘裝夾，夾持力較小，因此必須降低切削力。根據(jù)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(zhì)合金相比，雖然硬度低，但刀具鋒利，切薄能力更強(qiáng)，由于工件材料為銅，硬度不成問(wèn)題。實(shí)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(zhì)合金刀具更好的結(jié)果。 

四、結(jié)束語(yǔ) 

   摩托車氣缸頭模具大量采用電火花加工。傳統(tǒng)的葉片電極的設(shè)計(jì)加工方法，浪費(fèi)材料，加工周期長(zhǎng)，通過(guò)改進(jìn)散熱葉片電極的設(shè)計(jì)加工工藝并結(jié)合先進(jìn)的三維CAD/CAM技術(shù)，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(shí)踐證明是行之有效的。