現(xiàn)代模具制造的高速加工技術(shù)

現(xiàn)代模具制造的高速加工技術(shù) 
1.引言
  模具作為重要的工藝裝備，在消費(fèi)品、電器電子、汽車、飛機(jī)制造等工業(yè)行業(yè)中占有舉足輕重的地位。雖然近年來(lái)我國(guó)模具技術(shù)有了迅速的發(fā)展，但與制造強(qiáng)國(guó)相比尚有較大差距。目前我國(guó)技術(shù)含量較低的模具已供過(guò)于求，而精密、復(fù)雜的*模具則大量依靠進(jìn)口。

  提高模具生產(chǎn)技術(shù)水平和質(zhì)量是發(fā)展我國(guó)模具制造業(yè)的重要因素。由于采用模具高速切削技術(shù)可以明顯提高模具生產(chǎn)效率和模具精度及使用壽命，因此正逐漸取代電火花精加工模具，并已被國(guó)外的模具制造企業(yè)普遍采用，成為模具制造的大趨勢(shì)。但高速切削技術(shù)在模具生產(chǎn)中應(yīng)用時(shí)間比較短，而且在使用中技術(shù)要求比較高，我國(guó)大部分模具生產(chǎn)企業(yè)還不能掌握并應(yīng)用，以至不能發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。文中將著重介紹高速切削加工模具的一些實(shí)用技術(shù)和應(yīng)用的問(wèn)題。

  2.高速切削應(yīng)用于模具加工的優(yōu)勢(shì)和現(xiàn)階段需要解決的問(wèn)題

  模具加工的特點(diǎn)是單件小批量、幾何形狀復(fù)雜，因此加工周期長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低。在傳統(tǒng)的模具加工工藝中，精加工淬硬模具通常采用電火花加工和人工修光工藝，后期加工花費(fèi)了大量時(shí)間�？s短加工時(shí)間和降低生產(chǎn)成本是發(fā)展模具加工技術(shù)的主要目標(biāo)。近年來(lái)，模具加工工藝方面有了許多新技術(shù)，如高速切削、CAD/CAE 設(shè)計(jì)仿真、快速原型制模、電火花銑削成型加工和復(fù)合加工等，其中*引人注目、效果*好的是高速切削加工。

  高速切削加工模具是利用機(jī)床的高轉(zhuǎn)速和高進(jìn)給速度，以切削方式完成模具的多個(gè)生產(chǎn)工序。高速切削加工模具的優(yōu)越性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 

  ①高速切削粗加工和半精加工，大大提高金屬切除率。

  ②采用高速切削機(jī)床、刀具和工藝，可加工淬硬材料。對(duì)于小型模具，在材料熱處理后，粗、精加工可以在一次裝夾中完成；對(duì)于大型模具，在熱處理前粗加工和半精加工，熱處理淬硬后精加工。

  ③高速高精度硬切削代替光整加工，減少大量耗時(shí)的手工修磨，比電火花加工提高效率50% 。

  ④硬切削加工*后成型表面，提高表面質(zhì)量、形狀精度（不僅表面粗糙度低，而且表面光亮度高），用于復(fù)雜曲面的模具加工更具優(yōu)勢(shì)。

  ⑤避免了電火花和磨削產(chǎn)生的脫碳、燒傷和微裂紋現(xiàn)象，大大減少了模具精加工后的表面損傷，提高模具壽命20%。

  ⑥工件發(fā)熱少、切削力減小，熱變形小，結(jié)合CAD/CAM技術(shù)用于快速加工電極，特別是形狀復(fù)雜、薄壁類易變形的電極。

  高速切削的優(yōu)勢(shì)對(duì)模具加工的吸引力是不言而喻的，但與此同時(shí)，模具的高速切削加工成本高、對(duì)刀具的使用要求高、需要有復(fù)雜的計(jì)算機(jī)編程技術(shù)做支持、設(shè)備運(yùn)行成本高，因此，由于資金、技術(shù)等方面的原因，國(guó)內(nèi)對(duì)高速切削加工模具的應(yīng)用還不多，目前亟需要解決如何選擇和應(yīng)用高速加工模具的機(jī)床、高速切削刀具、合理的加工工藝、刀具軌跡編程層以及工藝實(shí)驗(yàn)等一系列問(wèn)題。

  3.加工模具的高速切削機(jī)床

  選擇用于高速切削模具的高速機(jī)床時(shí)要注意以下問(wèn)題：

  （1）要求機(jī)床主軸功率大、轉(zhuǎn)速高，滿足粗、精加工。精加工模具要用小直徑刀具，主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到15000～20000rmp以上。主軸轉(zhuǎn)速在10000rpm以下的機(jī)床可以進(jìn)行粗加工和半精加工。如果需要在大型模具生產(chǎn)中同時(shí)滿足粗、精加工，則所選機(jī)床*好具有兩種轉(zhuǎn)速的主軸，或兩種規(guī)格的電主軸。

  （2）機(jī)床快速進(jìn)給對(duì)快速空行程要求不太高。但要具有比較高的加工進(jìn)給速度（30～60m/min）和高加減速度。

  （3）具有良好的高速、高精度控制系統(tǒng)，并具有高精度插補(bǔ)、輪廓前瞻控制、高加速度、高精度位置控制等功能。

  （4）選用與高速機(jī)床配套的CAD/CAM軟件，特別是用于高速切削模具的軟件。

  在模具生產(chǎn)中五軸機(jī)床的應(yīng)用逐漸增加，配合高速切削加工模具具有以下優(yōu)點(diǎn)：

  ①可以改變刀具切削角度，切削條件好，減少刀具磨損，有利于保護(hù)刀具和延長(zhǎng)刀具壽命；②加工路線靈活，減少刀具干涉，可以加工表面形狀復(fù)雜的模具以及深腔模具；③加工范圍大、適合多種類型模具加工。

  五軸機(jī)床通常有工作臺(tái)式和銑頭式五軸機(jī)床兩類，可以針對(duì)模具類型進(jìn)行選擇。銑頭式五軸機(jī)床中，可更換銑頭和更換電主軸頭的五軸機(jī)床可分別用于模具的粗、精加工。

  4.高速切削模具的刀具技術(shù)

  高速切削加工需配備適宜的刀具。硬質(zhì)合金涂層刀具、聚晶增強(qiáng)陶瓷刀具的應(yīng)用使得刀具同時(shí)兼具高硬度的刃部和高韌性的基體成為可能，促進(jìn)了高速加工的發(fā)展。聚晶立方氮化硼（PCBN）刀片的硬度可達(dá)3500～4500HV，聚晶金剛石（PCD）硬度可達(dá)6000～10000HV。近年來(lái)，德國(guó)SCS、日本三菱（神鋼）及住友、瑞士山特維克、美國(guó)肯納飛碩等國(guó)外著名刀具公司先后推出各自的高速切削刀具，不僅有高速切削普通結(jié)構(gòu)鋼的刀具，還有直接高速切削淬硬鋼的陶瓷刀具等超硬刀具，尤其是涂層刀具在淬硬鋼的半精加工和精加工中發(fā)揮著巨大作用。

  目前國(guó)內(nèi)高速加工刀具的開(kāi)發(fā)與國(guó)外還有較大差距，而進(jìn)口刀具的昂貴價(jià)格也成為阻礙高速切削模具應(yīng)用的重要因素。

  一般來(lái)說(shuō)，要求刀具以及刀夾的加速度達(dá)到3g以上時(shí)，刀具的徑向跳動(dòng)要小于0.015mm，而刀的長(zhǎng)度不大于刀具直徑的4倍。據(jù)SANDVIK公司的實(shí)際統(tǒng)計(jì)，在使用碳氮化鈦（TiCN）涂層的整體硬質(zhì)合金立銑刀（58HRC）進(jìn)行高速銑削時(shí)，粗加工刀具線速度約為100m/min，而精加工和超精加工時(shí)，線速度超過(guò)了280m/min。據(jù)國(guó)內(nèi)高速精加工模具的經(jīng)驗(yàn)，采用小直徑球頭銑刀進(jìn)行模具精加工時(shí)，線速度超過(guò)了400m/min。這對(duì)刀具材料（包括硬度、韌性、紅硬性）、刀具形狀（包括排屑性能、表面精度、動(dòng)平衡性等）以及刀具壽命都有很高的要求。因此，在高速硬切削精加工模具時(shí)，不僅要選擇高速度的機(jī)床，而且必須合理選用刀具和切削工藝。

  在高速加工模具時(shí)，要重點(diǎn)注意以下幾個(gè)方面：①根據(jù)不同的加工對(duì)象，合理選擇硬質(zhì)合金涂層刀具、CBN和金剛石燒結(jié)層刀具。

  ②采用小直徑球頭銑刀進(jìn)行模具表面精加工，通常精加工刀具直徑＜10mm。根據(jù)被加工材料以及硬度，所選擇的刀具直徑也不同。在刀具材料的選用方面，TiAIN超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金涂層刀具潤(rùn)滑條件好，在切削模具鋼時(shí)，具有比TiCN硬質(zhì)合金涂層刀具更好的抗磨損性能。

  ③選擇合適的刀具參數(shù)，如負(fù)前角等。高速加工刀具要求比普通加工時(shí)抗沖擊韌性更高、抗熱沖擊能力更強(qiáng)。

  ④采取多種方法提高刀具壽命，如合適的進(jìn)給量、進(jìn)刀方式、潤(rùn)滑方式等，以降低刀具成本。

  ⑤采用高速刀柄。目前應(yīng)用*多的是HSK刀柄和熱壓裝夾刀具，同時(shí)應(yīng)注意刀具裝夾后主軸系統(tǒng)的整體動(dòng)平衡。

  5.高速切削模具的工藝技術(shù)

  高速加工模具技術(shù)中，工藝技術(shù)是配合機(jī)床和刀具使用的關(guān)鍵因素。以目前國(guó)內(nèi)模具生產(chǎn)的情況來(lái)看，工藝技術(shù)已經(jīng)在很大程度上制約了高速加工模具的應(yīng)用。一方面是由于高速加工應(yīng)用的時(shí)間比較短，還沒(méi)有形成比較成熟的、系統(tǒng)化的工藝體系和標(biāo)準(zhǔn)；另一方面是高速切削工藝試驗(yàn)成本高，需要投入較大的資金和較長(zhǎng)的時(shí)間。

  高速切削模具工藝技術(shù)主要包括：

  （1）針對(duì)不同材料的高速切削模具工藝試驗(yàn)

  在參考國(guó)外高速銑削加工零件的工藝參數(shù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，國(guó)外公司生產(chǎn)的刀具是依據(jù)進(jìn)口材料標(biāo)準(zhǔn)來(lái)做試驗(yàn)，用其推薦的參數(shù)在高速加工國(guó)產(chǎn)材料模具時(shí)，效果差別比較明顯。因此，使用國(guó)外刀具，除了需要參考廠家提供的參數(shù)外，實(shí)際的工藝試驗(yàn)也是必要的。

  國(guó)內(nèi)刀具廠家很少推薦高速銑削的技術(shù)參數(shù)，因此選用國(guó)產(chǎn)刀具更有必要做試驗(yàn)，以取得比較滿意的工藝參數(shù)。*好選用固定生產(chǎn)廠家的刀具，通過(guò)試驗(yàn)，形成加工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化出一套適合本企業(yè)的加工工藝參數(shù)，并納入企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

  （2）高速切削的加工刀具路徑及編程

  高速切削模具工藝技術(shù)中刀具路徑、進(jìn)刀方式和進(jìn)給量是主要內(nèi)容。高速切削模具工藝技術(shù)中的許多刀具路徑處理方法是為了減少刀具磨損、延長(zhǎng)刀具使用壽命，因此刀具在高速切削進(jìn)給中的軌跡比普通加工復(fù)雜得多。

  高速加工模具工藝處理應(yīng)該遵循以下原則：

  ①采用小直徑刀具精加工時(shí)，切削速度隨著材料硬度的增加而降低。

  ②保持相對(duì)平穩(wěn)的進(jìn)給量和進(jìn)給速度，切削載荷連續(xù)，減少突變，緩進(jìn)緩?fù)�。避免直接垂直向下進(jìn)刀而導(dǎo)致崩刃：斜線軌跡進(jìn)刀的銑削力逐漸加大，對(duì)刀具和主軸的沖擊小，可明顯減少崩刃；螺旋式軌跡進(jìn)刀切入，更適合型腔模具的高速加工。

  ③小進(jìn)給量、小刀紋切削。通常進(jìn)給量小于銑刀直徑10%，進(jìn)給寬度小于銑刀直徑40%。

  ④保留均勻精加工余量。

  ⑤保持單刃切削。

  根據(jù)上述規(guī)則，通常使用的進(jìn)給路徑方式有以下幾種：

  ①盡量避免直拐角的銑削運(yùn)動(dòng)；拐角處用螺旋線進(jìn)給切削，保持切削載荷的平穩(wěn)。

  ②盡量避免工件外的進(jìn)刀與退刀運(yùn)動(dòng)，直接從輪廓進(jìn)入下一個(gè)深度。而是采用斜向逐漸進(jìn)給切入或螺旋線切入。

  ③恒定每刃進(jìn)給，以螺旋線或擺線路徑進(jìn)給加工平面，并且保持單刃切削。孔加工時(shí)采用銑削高速進(jìn)給完成，不僅可提高表面質(zhì)量，而且可延長(zhǎng)刀具壽命。

  ④輪廓加工時(shí)保持在水平面上（等高線），每層進(jìn)刀深度相同。在進(jìn)入下一個(gè)深度時(shí)，逐漸進(jìn)給切入。

  ⑤加工槽等較小尺寸形狀時(shí)，選用直徑小于形狀尺寸的刀具，以螺旋線或擺線路徑進(jìn)給，保持單刃切削。

  這些高速切削模具中使用的刀具路徑處理策略需要編程實(shí)現(xiàn)，過(guò)于復(fù)雜的路徑手工編程難度和工作量都很大，在一定程度上影響了高速切削模具技術(shù)的應(yīng)用，因此*好能夠通過(guò)自動(dòng)編程軟件實(shí)現(xiàn)。高速切削精加工對(duì)CAM的編程提出要求，自動(dòng)編程軟件需要適應(yīng)生產(chǎn)適時(shí)推出。

  Delcam公司幾年前就開(kāi)始了高速切削加工編程技術(shù)的研究，開(kāi)發(fā)了高速切削自動(dòng)編程軟件模塊PowerMILL；模具加工使用量*大的MasterCAM 公司也開(kāi)發(fā)了高速切削自動(dòng)編程HSM軟件模塊。通過(guò)這些自動(dòng)編程軟件模塊，前文所提到的高速切削路徑處理方法均可實(shí)現(xiàn)。目前國(guó)內(nèi)軟件企業(yè)也在開(kāi)發(fā)高速切削自動(dòng)編程軟件模塊。

  6.高速加工模具的其它技術(shù)和實(shí)例

  高速加工模具時(shí)還應(yīng)考慮HSM和EDM的選擇、干切削和潤(rùn)滑冷卻及安全等問(wèn)題。

  （1）對(duì)高速切削和電火花加工進(jìn)行選擇的一般原則是：加工高硬度、小直徑、尖角、窄槽時(shí)使用電火花機(jī)床，具體參數(shù)可以根據(jù)各企業(yè)的技術(shù)和設(shè)備情況作出判斷。例如Delcam提供的一個(gè)加工實(shí)例采用1.6mm直徑的刀具加工窄槽，切削參數(shù)為：轉(zhuǎn)速40000rpm，切削深度0.1mm，進(jìn)給速度30m/min。

  （2）高速切削硬模具材料時(shí)，采用適當(dāng)?shù)睦鋮s和潤(rùn)滑可以減少刀具磨損，提高表面質(zhì)量。但用于高速硬切削的刀具大多抗熱沖擊能力差，因此高速切削多采用干切削或微量油霧潤(rùn)滑。

  （3）高速切削模具時(shí)還應(yīng)考慮刀具磨損和破壞的監(jiān)測(cè)、刀片連接的強(qiáng)度等安全問(wèn)題。和采用普通機(jī)床加工不同，安全防護(hù)和開(kāi)機(jī)前對(duì)機(jī)床和刀具的嚴(yán)格檢查對(duì)高速切削非常重要。

  7.結(jié)語(yǔ)

  模具市場(chǎng)對(duì)高速加工有強(qiáng)烈需求，國(guó)內(nèi)模具企業(yè)和研究單位已經(jīng)取得了一些成績(jī)，獲得了一些經(jīng)驗(yàn)。例如黃巖地區(qū)某模具廠采用南京四開(kāi)公司生產(chǎn)的高速精加工機(jī)床精加工大型汽車輪胎模具獲得較好的效果。但高速加工模具在我國(guó)應(yīng)用時(shí)間較短，應(yīng)用基礎(chǔ)較差，缺乏成熟經(jīng)驗(yàn)，整體技術(shù)水平不高，發(fā)展緩慢，在高速機(jī)床和刀具應(yīng)用以及加工工藝方面還存在很多問(wèn)題，需要產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，加大投入，綜合各方面力量推動(dòng)高速切削在模具制造中的應(yīng)用。