一、前言
9 >" }||)) 在現(xiàn)代模具生產(chǎn)中，隨著對塑件的美觀度及功能要求得越來越高，塑件內(nèi)部
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得越來越復(fù)雜，模具的外形設(shè)計(jì)也日趨復(fù)雜，自由曲面所占比例不斷增加，相應(yīng)的模具結(jié)構(gòu)也設(shè)計(jì)得越來越復(fù)雜。這些都對模具加工技術(shù)提出了更高要求，不僅應(yīng)保證高的制造精度和表面質(zhì)量，而且要追求加工表面的美觀。隨著對高速加工技術(shù)研究的不斷深入，尤其在加工機(jī)床、數(shù)控
系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)、CAD/CAM軟件等相關(guān)技術(shù)不斷發(fā)展的推動(dòng)下，高速加工技術(shù)已越來越多地應(yīng)用于模具型腔的加工與制造中。
0<)Ep~! 數(shù)控高速切削加工作為模具制造中最為重要的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)，是集高效、優(yōu)質(zhì)、低耗于一身的先進(jìn)制造技術(shù)。相對于傳統(tǒng)的切削加工，其切削速度、進(jìn)給速度有了很大的提高，而且切削機(jī)理也不相同。高速切削使切削加工發(fā)生了本質(zhì)性的飛躍，其單位功率的金屬切除率提高了30%~40%，切削力降低了30%，刀具的切削壽命提高了70%，留于工件的切削熱大幅度降低，低階切削振動(dòng)幾乎消失。隨著切削速度的提高，單位時(shí)間毛坯
材料的去除率增加了，切削時(shí)間減少了，加工效率提高了，從而縮短了產(chǎn)品的制造周期，提高了產(chǎn)品的市場競爭力。同時(shí)，高速加工的小量快進(jìn)使切削力減少了，切屑的高速排出減少了工件的切削力和熱應(yīng)力變形，提高了剛性差和薄壁零件切削加工的可能性。由于切削力的降低，轉(zhuǎn)速的提高使切削系統(tǒng)的工作頻率遠(yuǎn)離機(jī)床的低階固有頻率，而工件的表面粗糙度對低階頻率最為敏感，由此降低了表面粗糙度。在模具的高淬硬鋼件(HRC45~HRC65)的加工過程中，采用高速切削可以取代電加工和磨削拋光的工序，從而避免了電極的制造和費(fèi)時(shí)的電加工，大幅度減少了鉗工的打磨與拋光量。對于一些市場上越來越需要的薄壁模具工件，高速銑削也可順利完成，而且在高速銑削CNC加工中心上，模具一次裝夾可完成多工步加工。
Y M,UM> 高速加工技術(shù)對模具加工工藝產(chǎn)生了巨大影響，改變了傳統(tǒng)模具加工采用的“退火→銑削加工→熱處理→磨削”或“電火花加工→手工打磨、拋光”等復(fù)雜冗長的工藝流程，甚至可用高速切削加工替代原來的全部工序。高速加工技術(shù)除可應(yīng)用于淬硬模具型腔的直接加工(尤其是半精加工和精加工)外，在EDM電極加工、快速樣件制造等方面也得到了廣泛應(yīng)用。大量生產(chǎn)實(shí)踐表明，應(yīng)用高速切削技術(shù)可節(jié)省模具后續(xù)加工中約80%的手工研磨時(shí)間，節(jié)約加工成本費(fèi)用近30%，模具表面加工精度可達(dá)1 m，刀具切削效率可提高1倍。
hEA; 5-m 二、高速銑削加工機(jī)床
HLX #RQ 高速切削技術(shù)是切削加工技術(shù)的主要發(fā)展方向之一，它隨著CNC技術(shù)、微
電子技術(shù)、新材料和新結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展而邁上更高的臺(tái)階。由于模具加工的特殊性以及高速加工技術(shù)的自身特點(diǎn)，對模具高速加工的相關(guān)技術(shù)及工藝系統(tǒng)(加工機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)、刀具等)提出了比傳統(tǒng)模具加工更高的要求。
+[`
)t/ 1.高穩(wěn)定性的機(jī)床支撐部件
_&RGhA 高速切削機(jī)床的床身等支撐部件應(yīng)具有很好的動(dòng)、靜剛度，熱剛度和最佳的阻尼特性。大部分機(jī)床都采用高質(zhì)量、高剛性和高抗張性的灰鑄鐵作為支撐部件材料，有的機(jī)床公司還在底座中添加高阻尼特性的聚合物混凝土，以增加其抗振性和熱穩(wěn)定性，這不但可保證機(jī)床精度穩(wěn)定，也可防止切削時(shí)刀具振顫。采用封閉式床身設(shè)計(jì)，整體鑄造床身，對稱床身結(jié)構(gòu)并配有密布的加強(qiáng)筋等也是提高機(jī)床穩(wěn)定性的重要措施。一些機(jī)床公司的研發(fā)部門在設(shè)計(jì)過程中，還采用模態(tài)分析和有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算等，
優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，使機(jī)床支撐部件更加穩(wěn)定可靠。
'[vC C' 2.機(jī)床主軸
NpH:5hi 高速機(jī)床的主軸性能是實(shí)現(xiàn)高速切削加工的重要條件。高速切削機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速范圍為10000~100000m/min，主軸功率大于15kW。通過主軸壓縮空氣或冷卻系統(tǒng)控制刀柄和主軸間的軸向間隙不大于0.005mm。還要求主軸具有快速升速、在指定位置快速準(zhǔn)停的性能(即具有極高的角加減速度)，因此高速主軸常采用液體靜壓軸承式、空氣靜壓軸承式、熱壓氮化硅(Si3N4)陶瓷軸承磁懸浮軸承式等結(jié)構(gòu)形式。潤滑多采用油氣潤滑、噴射潤滑等技術(shù)。主軸冷卻一般采用主軸內(nèi)部水冷或氣冷。
4jw q$G 3.機(jī)床驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
=bOMtQ] 為滿足模具高速加工的需要，高速加工機(jī)床的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)具有下列特性：
*pYawT (1)高的進(jìn)給速度。研究表明，對于小直徑刀具，提高轉(zhuǎn)速和每齒進(jìn)給量有利于降低刀具磨損。目前常用的進(jìn)給速度范圍為20~30m/min，如采用大導(dǎo)程滾珠絲杠傳動(dòng)，進(jìn)給速度可達(dá)60m/min;采用直線電機(jī)則可使進(jìn)給速度達(dá)到120m/min。
Ov;q]Vn> (2)高的加速度。對三維復(fù)雜曲面廓形的高速加工要求驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有良好的加速度特性，要求提供高速進(jìn)給的驅(qū)動(dòng)器(快進(jìn)速度約40m/min，3D輪廓加工速度為10m/min)，能夠提供0.4m/s2到10m/s2的加速度和減速度。
=>- W!Of 機(jī)床制造商大多采用全閉環(huán)位置伺服控制的小導(dǎo)程、大尺寸、高質(zhì)量的滾珠絲杠或大導(dǎo)程多頭絲杠。隨著電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)的直線電動(dòng)機(jī)已經(jīng)問世，并成功應(yīng)用于CNC機(jī)床。先進(jìn)的直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)使CNC機(jī)床不再有質(zhì)量慣性、超前、滯后和振動(dòng)等問題，加快了伺服響應(yīng)速度，提高了伺服控制精度和機(jī)床加工精度。
e8 c.&j3m 4.數(shù)控系統(tǒng)
jG%J.u^k 先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)是保證模具復(fù)雜曲面高速加工質(zhì)量和效率的關(guān)鍵因素，模具高速切削加工對數(shù)控系統(tǒng)的基本要求為：
X2mZ~RB(p (1)高速的數(shù)字控制回路(Digital control loop)，包括：32位或64位并行處理器及1.5Gb以上的硬盤;極短的直線電機(jī)采樣時(shí)間。
Zf ibHivz (2)速度和加速度的前饋控制(Feed forward control);數(shù)字驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的爬行控制(Jerk control)。
XG!^[ZDs (3)先進(jìn)的插補(bǔ)方法(基于NURBS的樣條插補(bǔ))，以獲得良好的表面質(zhì)量、精確的尺寸和高的幾何精度。
+fN2%aC (4)預(yù)處理(Look-ahead)功能。要求具有大容量緩沖寄存器，可預(yù)先閱讀和檢查多個(gè)程序段(如DMG機(jī)床可多達(dá)500個(gè)程序段，Simens系統(tǒng)可達(dá)1000~2000個(gè)程序段)，以便在被加工表面形狀(曲率)發(fā)生變化時(shí)可及時(shí)采取改變進(jìn)給速度等措施以避免過切等。
lE8(BWzw (5)誤差補(bǔ)償功能，包括因直線電機(jī)、主軸等發(fā)熱導(dǎo)致的熱誤差補(bǔ)償、象限誤差補(bǔ)償、測量系統(tǒng)誤差補(bǔ)償?shù)裙δ�。此外，模具高速切削加工對�?shù)據(jù)傳輸速度的要求也很高。
_LFABG= (6)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，如RS232串行口的傳輸速度為19.2kb，而許多先進(jìn)的加工中心均已采用以太局域網(wǎng)(Ethernet)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，速度可達(dá)200kb。
|* g\-2j{ 5.冷卻潤滑
u`"Y!*[ - 高速加工采用帶涂層的硬質(zhì)合金刀具，在高速、高溫的情況下不用切削液，切削效率更高。這是因?yàn)椋恒娤髦鬏S高速旋轉(zhuǎn)，切削液若要達(dá)到切削區(qū)，首先要克服極大的離心力;即使它克服了離心力進(jìn)入切削區(qū)，也可能由于切削區(qū)的高溫而立即蒸發(fā)，冷卻效果很小甚至沒有;同時(shí)切削液會(huì)使刀具刃部的溫度激烈變化，容易導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，所以要采用油/氣冷卻潤滑的干式切削方式。這種方式可以用高壓氣體迅速吹走切削區(qū)產(chǎn)生的切削，從而將大量的切削熱帶走，同時(shí)經(jīng)霧化的潤滑油可以在刀具刃部和工件表面形成一層極薄的微觀保護(hù)膜，可有效地延長刀具壽命并提高零件的表面質(zhì)量。
ao"Z%#Jb~ 三、高速切削加工的刀柄和刀具
^[VEr"X 由于高速切削加工時(shí)離心力和振動(dòng)的影響，要求刀具具有很高的幾何精度和裝夾重復(fù)定位精度以及很高的剛度和高速動(dòng)平衡的安全可靠性。由于高速切削加工時(shí)較大的離心力和振動(dòng)等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的7:24錐度刀柄系統(tǒng)在進(jìn)行高速切削時(shí)表現(xiàn)出明顯的剛性不足、重復(fù)定位精度不高、軸向尺寸不穩(wěn)定等缺陷，主軸的膨脹引起刀具及夾緊機(jī)構(gòu)質(zhì)心的偏離，影響刀具的動(dòng)平衡能力。目前應(yīng)用較多的是HSK高速刀柄和國外現(xiàn)今流行的熱脹冷縮緊固式刀柄。熱脹冷縮緊固式刀柄有加熱系統(tǒng)，刀柄一般都采用錐部與主軸端面同時(shí)接觸，其剛性較好，但是刀具可換性較差，一個(gè)刀柄只能安裝一種連接直徑的刀具。由于此類加熱系統(tǒng)比較昂貴，在初期時(shí)采用HSK類的刀柄系統(tǒng)即可。當(dāng)企業(yè)的高速機(jī)床數(shù)量超過3臺(tái)以上時(shí)，采用熱脹冷縮緊固式刀柄比較合適。
0v|qP 刀具是高速切削加工中最活躍重要的因素之一，它直接影響著加工效率、制造成本和產(chǎn)品的加工精度。刀具在高速加工過程中要承受高溫、高壓、摩擦、沖擊和振動(dòng)等載荷，高速切削刀具應(yīng)具有良好的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性，即具有良好的抗沖擊、耐磨損和抗熱疲勞的特性。高速切削加工的刀具技術(shù)發(fā)展速度很快，應(yīng)用較多的如金剛石(PCD)、立方氮化硼(CBN)、陶瓷刀具、涂層硬質(zhì)合金、(碳)氮化鈦硬質(zhì)合金TIC(N)等。
i(YR-vYK 在加工鑄鐵和合金鋼的切削刀具中，硬質(zhì)合金是最常用的刀具材料。硬質(zhì)合金刀具耐磨性好，但硬度比立方氮化硼和陶瓷低。為提高硬度和表面光潔度，采用刀具涂層技術(shù)，涂層材料為氮化鈦(TiN)、氮化鋁鈦(TiALN)等。涂層技術(shù)使涂層由單一涂層發(fā)展為多層、多種涂層材料的涂層，已成為提高高速切削能力的關(guān)鍵技術(shù)之一。直徑在10~40mm范圍內(nèi)，且有碳氮化鈦涂層的硬質(zhì)合金刀片能夠加工洛氏硬度小于42的材料，而氮化鈦鋁涂層的刀具能夠加工洛氏硬度為42甚至更高的材料。高速切削鋼材時(shí)，刀具材料應(yīng)選用熱硬性和疲勞強(qiáng)度高的P類硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金、立方氮化硼(CBN)與CBN復(fù)合刀具材料(WBN)等。切削鑄鐵，應(yīng)選用細(xì)晶粒的K類硬質(zhì)合金進(jìn)行粗加工，選用復(fù)合氮化硅陶瓷或聚晶立方氮化硼(PCNB)復(fù)合刀具進(jìn)行精加工。精密加工有色金屬或非金屬材料時(shí)，應(yīng)選用聚晶金剛石PCD或CVD金剛石涂層刀具。選擇切削
參數(shù)時(shí)，針對圓刀片和球頭銑刀，應(yīng)注意有效直徑的概念。高速銑削刀具應(yīng)按動(dòng)平衡設(shè)計(jì)制造。刀具的前角比常規(guī)刀具的前角要小，后角略大。主副切削刃連接處應(yīng)修圓或?qū)Ы牵瑏碓龃蟮都饨�，防止刀尖處熱磨損。應(yīng)加大刀尖附近的切削刃長度和刀具材料體積，提高刀具剛性。在保證安全和滿足加工要求的條件下，刀具懸伸盡可能短，刀體中央韌性要好。刀柄要比刀具直徑粗壯，連接柄呈倒錐狀，以增加其剛性。盡量在刀具及刀具系統(tǒng)中央留有冷卻液孔。球頭立銑刀要考慮有效切削長度，刃口要盡量短，兩螺旋槽球頭立銑刀通常用于粗銑復(fù)雜曲面，四螺旋槽球頭立銑刀通常用于精銑復(fù)雜曲面。
E Y@KWs3"H 四、模具高速加工工藝及策略
H<"EE15 高速加工包括以去除余量為目的的粗加工、殘留粗加工，以及以獲取高質(zhì)量的加工表面及細(xì)微結(jié)構(gòu)為目的的半精加工、精加工和鏡面加工等。
ybv]wBpM: 1.粗加工
n] 8*yoge 模具粗加工的主要目標(biāo)是追求單位時(shí)間內(nèi)的材料去除率，并為半精加工準(zhǔn)備工件的幾何輪廓。高速加工中的粗加工所應(yīng)采取的工藝方案是高切削速度、高進(jìn)給率和小切削用量的組合。等高加工方式是眾多CAM軟件普遍采用的一種加工方式。應(yīng)用較多的是螺旋等高和等Z軸等高兩種方式，也就是在加工區(qū)域僅一次進(jìn)刀，在不抬刀的情況下生成連續(xù)光滑的刀具路徑，進(jìn)、退刀方式采用圓弧切入、切出。螺旋等高方式的特點(diǎn)是，沒有等高層之間的刀路移動(dòng)，可避免頻繁抬刀、進(jìn)刀對零件表面質(zhì)量的影響及機(jī)械設(shè)備不必要的耗損。對陡峭和平坦區(qū)域分別處理，計(jì)算適合等高及適合使用類似3D偏置的區(qū)域，并且可以使用螺旋方式，在很少抬刀的情況下生成優(yōu)化的刀具路徑，獲得更好的表面質(zhì)量。在高速加工中，一定要采取圓弧切入、切出連接方式，以及拐角處圓弧過渡，避免突然改變刀具進(jìn)給方向，禁止使用直接下刀的連接方式，避免將刀具埋入工件。加工模具型腔時(shí)，應(yīng)避免刀具垂直插入工件，而應(yīng)采用傾斜下刀方式(常用傾斜角為20°~30°)，最好采用螺旋式下刀以降低刀具載荷。加工模具型芯時(shí)，應(yīng)盡量先從工件外部下刀然后水平切入工件。刀具切入、切出工件時(shí)應(yīng)盡可能采用傾斜式(或圓弧式)切入、切出，避免垂直切入、切出。采用攀爬式切削可降低切削熱，減小刀具受力和加工硬化程度，提高加工質(zhì)量。
wlDo(]mj=O 2.半精加工
j>3Fwg9V 模具半精加工的主要目標(biāo)是使工件輪廓形狀平整，表面精加工余量均勻，這對于工具鋼模具尤為重要，因?yàn)樗鼘⒂绊懢庸r(shí)刀具切削層面積的變化及刀具載荷的變化，從而影響切削過程的穩(wěn)定性及精加工表面質(zhì)量。
x@*?~1ai 粗加工是基于體積
模型，精加工則是基于面模型。以前開發(fā)的CAD/CAM系統(tǒng)對零件的幾何描述是不連續(xù)的，由于沒有描述粗加工后、精加工前加工模型的中間信息，故粗加工表面的剩余加工余量分布及最大剩余加工余量均是未知的。因此應(yīng)對半精加工策略進(jìn)行優(yōu)化以保證半精加工后工件表面具有均勻的剩余加工余量。優(yōu)化過程包括：粗加工后輪廓的計(jì)算、最大剩余加工余量的計(jì)算、最大允許加工余量的確定、對剩余加工余量大于最大允許加工余量的型面分區(qū)(如凹槽、拐角等過渡半徑小于粗加工刀具半徑的區(qū)域)以及半精加工時(shí)刀心軌跡的計(jì)算等。
$S^rKp# 現(xiàn)有的模具高速加工C A D /CAM軟件大都具備剩余加工余量分析功能，并能根據(jù)剩余加工余量的大小及分布情況采用合理的半精加工策略。如MasterCAM軟件提供了束狀銑削(Pencil milling)和剩余銑削(Rest milling)等方法來清除粗加工后剩余加工余量較大的角落以保證后續(xù)工序均勻的加工余量。
} x
Kv N 3.精加工
Mehp]5* 模具的高速精加工策略取決于刀具與工件的接觸點(diǎn)，而刀具與工件的接觸點(diǎn)隨著加工表面的曲面斜率和刀具有效半徑的變化而變化。對于由多個(gè)曲面組合而成的復(fù)雜曲面加工，應(yīng)盡可能在一個(gè)工序中進(jìn)行連續(xù)加工，而不是對各個(gè)曲面分別進(jìn)行加工，以減少抬刀、下刀的次數(shù)。然而，由于加工中表面斜率的變化，如果只定義加工的側(cè)吃刀量(Step over)，就可能造成在斜率不同的表面上實(shí)際步距不均勻，從而影響加工質(zhì)量。
k- exqM2x= 一般情況下，精加工曲面的曲率半徑應(yīng)大于刀具半徑的1.5倍，以避免進(jìn)給方向的突然轉(zhuǎn)變。在模具的高速精加工中，在每次切入、切出工件時(shí)，進(jìn)給方向的改變應(yīng)盡量采用圓弧或
曲線轉(zhuǎn)接，避免采用直線轉(zhuǎn)接，以保持切削過程的平穩(wěn)性。
W~5 gTiBZ] 高速精加工策略包括三維偏置、等高精加工和最佳等高精加工、螺旋等高精加工等策略。這些策略可保證切削過程光順、穩(wěn)定，確保能快速切除工件上的材料，得到高精度、光滑的切削表面。精加工的基本要求是要獲得很高的精度、光滑的零件表面質(zhì)量，輕松實(shí)現(xiàn)精細(xì)區(qū)域的加工，如小的圓角、溝槽等。對許多形狀來說，精加工最有效的策略是使用三維螺旋策略。使用這種策略可避免使用平行策略和偏置精加工策略中會(huì)出現(xiàn)的頻繁的方向改變，從而提高加工速度，減少刀具磨損。這個(gè)策略可以在很少抬刀的情況下生成連續(xù)光滑的刀具路徑。這種加工技術(shù)綜合了螺旋加工和等高加工策略的優(yōu)點(diǎn)，刀具負(fù)荷更穩(wěn)定，提刀次數(shù)更少，可縮短加工時(shí)間，減小刀具損壞機(jī)率。它還可以改善加工表面質(zhì)量，最大限地減小精加工后手工打磨的需要。在許多場合需要將陡峭區(qū)域的等高精加工和平坦區(qū)域三維等距精加工方法結(jié)合起來使用。
#!>
