高速加工技术在模具加工中的应用初探

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　　摘 要：文章在概述高速加工的技术优势的基础上，探讨模具高速加工工艺技术与策略，并论述模具高速加工对加工系统的要求。
　　关键词：高速加工技术 模具加工 应用
　　
　　随着数控加工设备和高性能加工刀具技术的发展而日益成熟，模具加工的速度也大大提高，加工工序也随之减少，缩短甚至消除了耗时的钳工修复工作，从而大大的缩短了模具的生产周期。高速加工技术在模具加工中的使用逐渐成为模具工业技术改造最主要的内容之一。
　　
　　1 高速加工的技术优势
　　与传统加工方式相比，在常规切削加工中备受困扰的一系列问题，通过高速切削加工的应用得到了解决。高速加工时间短，产品精度高，可以获得十分光滑的加工表面，能有效地加工高硬度材料和淬硬钢，避免了电极的制造和费时的电加工 (EDM)时间，大幅度减少了钳工的打磨与抛光量。同时，模具表面因电加工 (EDM)产生白硬层消失了，提高了模具的寿命，减少了返修。因为电极的制造工作不需要了，所以模具改型只需通过CAD／CAM，使改型加快。一些市场上越来越需要的薄壁模具工件，高速加工可又快又好地完成。而且在高速铣削CNC加工中心上模具一次装夹可完成多工步加工。
　　大量生产实践表明，应用高速切削技术可节省模具后续加工中约 80％ 的手工研磨时间，节约加工成本费用近30％，模具表面加工精度可达1μm，刀具切削效率可提高一倍。
　　
　　2 模具高速加工工艺技术与策略
　　2．1 粗加工时采用的加工策略
　　模具粗加工的主要目标是追求单位时间内材料的去除率，并为半精加工准备工件的几何轮廓。在切削过程中因切削层金属面积发生变化， 导致刀具承受的载荷发生变化，使切削过程不稳定，刀具磨损速度不均匀，加工表面质量下降。 可通过以下措施保持切削条件恒定，从而获得 良好的加工质量：
　　(1)通过计算获得恒定的切削层面积和材料去除率，使切削载荷与刀具磨损速率保持均衡， 以提高刀具寿命和加工质量。
　　(2)应避免刀具轨迹中走刀方向的突然变化，以免因局部过切而造成刀具或设备的损坏。
　　(3)应保持刀具轨迹的平稳，避免突然加速或减速 。
　　(4)下刀或行间过渡部分最好采用斜式下刀或圆弧下刀，避免垂直下刀直接接近工件材料。
　　(5)采用攀爬式切削可降低切削热，减小刀具受力和加工硬化程度，提高 加工质量。
　　2．2 半精加工采用的加工策略
　　模具半精加工的主要目标是使工件轮廓形状平整，表面精加工余量均匀，这对于工具钢模具尤为重要，因为它将影响精加工时刀具切削层面积的变化及刀具载荷的变化，从而影响切削过程的稳定性及精加工表面质量。
　　粗加工是基于体积模型，精加工则是基于面模型。现有的模具高速加工CAD／CAM软件大都具备剩余加工余量分析功能，并能根据剩余加工余量的大小及分布情况采用合理的半精加工策略。例如 Pro／E软件提供的局部铣削功能，如果局部铣削工序的剩余加工余量取值与粗加工相等，该工序只用一把小直径铣刀来清除粗加工未切到的角落，然后再进行半精加工；如果取局部铣削工序的剩余加工余量值作为半精加工的剩余加工余量，则该工序不仅可清 除粗加工未切到的角落，还可完成半精加工。
　　2．3 精加工采用的加工策略
　　模具的高速精加工策略取决于刀具与工件的接触点，而刀具与工件的接触点随着加工表面的 曲面斜率和刀具有效半径的变化而变化。对于由多个曲面组合而成的复杂曲面加工，应尽可能在一个工序中进行连续加工，而 是对各个曲面分别进行加工，以减少抬刀、下刀的次数。 由于加工中表面斜率的变化，如果只定义加工的侧吃刀量，就可能造成在斜率／f 同的表面上实际步距均匀，从而影响加工质量。Hyper Mill软件提供了等步距加工方式，可保证在走刀路径中均匀的侧吃刀量，而 受表面斜率及曲率的限制，保证刀具在切削过程中始终承受均匀的载荷。
　　精加工曲面的曲率半径应大于刀具半径的1.5倍，以避免进给方向的突然转变。在模具的高速精加工中，在每次切入、切出工件时，进给方向的改变应尽量采用圆弧或曲线转接，避免采用直线转接，以保持切削过程的平稳性。
　　
　　3 模具高速加工对加工系统的要求
　　高速切削系统主要由高速切削 CNC机床、高性能的刀具夹持系统、高速切削刀具、高速切削的CAM系统软件等几部分组成。
　　3．1 高速切削CNC机床
　　3．1．1 高稳定性的机床支撑部件
　　高速切削机床的床身等支撑部件应具有很好的动、静刚度，热刚度和最佳的阻尼特性。大部分机床都采用高质量、高刚性和高抗张性的灰铸铁作为支撑部件材料，采用封闭式床身设计，整体铸造床身，对称床身结构并配有密布的加强筋，如德国Deckel Maho公司的桥式结构或龙门结构的DMC系列高速立式加工中心，使机床获得了在静态和动态方面史大限度的稳定性。
　　3．1．2 高速运动系统
　　高速运动系统包括高速主轴系统和高速进给系统两部分。
　　3．1．3 高性能CNC控制系统
　　先进的数控系统是保证模具复杂曲面高速加工质量和效率的关键因素，模具高速切削加工要 求数控系统有：CNC控制系统高速的数字控制回路、先进的插补方法 (基于NURBS的样条插补)、预处理 (Look．ahead)功能、误差补偿功能等。
　　3．2 高性能的刀具夹持系统
　　夹持系统高速铣床的刀具夹持系统要求其有很高的动平衡性，且具有绝对的定心性。主轴、 刀柄、刀具三者在旋转时只有具有极高的同心度，才能保证高速、高精度加工。否则转速越高离心力越大，当其达到系统的临界状态将会使刀具系统发生激振，其结果是加工质量 F降，刀具寿命缩短，加速主轴轴承磨损，严重时会使刀具与主轴损坏。它的主要发展趋势是空心锥部和主轴端面同时接触的双定位式刀柄 (如德国OTT公司的HSK刀柄)，其轴向定位精度可达0．001mm。在高速旋转的离心力作用下，刀夹锁紧更为牢固，其径向跳动不超过 5gm。
　　3．3 高速切削刀具
　　刀具技术和机床制造，从一开始就相辅相成共同发展，高速切削刀具应具有良好的机械性能 和热稳定性，即具有良好的抗冲击、耐磨损和抗热疲劳的特性。为满足模具高速加工的要求，其采用的刀具材料主要是硬质合金，并且普遍采用刀具涂层技术，涂层材料为氮化钛 (TiN)、氮化铝钛 (TiALN)等。
　　3．4 高速切削的CAM系统软件
　　高速切削具有合适的CAM编程软件也是至关重要的。高速加工CAM编程系统应具有很高的计算速度，较强的插补功能，全程自动过切检查及处理能力，自动刀柄与夹具干涉检查、绕避功能，进给率优化处理功能，待加工轨迹监控功能，刀具轨迹编辑优化功能，加工残余分析功能等。数控编程可分为CAD和CAM，在使用CAM系统进行高速加工数控编程时，除刀具和加工参数根据具体情况选择外，加工方法的选择和采用的编程策略就成为了关键。所以，还应有一名出色编程工程师对零件的几何结构有一个正确的理解，具备对于理想工序安排以及合理刀具轨迹设计的知识和概念 。才能注意加工方法的安全性和有效性，尽一切可能保证刀具轨迹光滑平稳和刀具载荷均匀，使高速切削发挥其最大的效能。
　　4 结束语
　　模具高速加工技术是先进的加工技术，不仅涉及到高速加工工艺，而且还包括高速加工机 床、数控系统、高速切削刀具及CAD／CAM技术等。模具高速加工技术目前已在发达国家的模具制造业中普遍应用，而在我国的应用范围及应用水平仍有待提高，大力发展和推广应用模具高速加工技术，对促进我国模具制造业整体技术水平的提高具有重要意义。
　　参考文献
　　[1] 郭树栋.高速加工技术在模具制造中的应用.山西煤炭管理干部学院学报. 2009年第02期.
　　[2] 郭铁君.模具高速加工技术与策略.科技咨询导报，2007年第20期.

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