用于模具工业的高速加工技术（三）

HEATS

　　对于一些复杂模具的制造，可以釆用五轴联动加工中心。这种机床除三个坐标的直线运动外，主轴头上的刀具还可实现两个旋转坐标的圆周进给运动。铣头和工作台可以实现多轴联动，特别适用于加工具有复杂型腔曲面的模具零件。对于大型复杂模具，还可釆用龙门式五轴加工中心。

2 K) H, I" H) P8 I" r1 v

　　瑞士Mikron公司的HSM600U型高速加工中心，机床加工范围800mm×600mm×5000mm，主轴可选用Step-Tec公司最高转速为30000r/min、36000r/min、42000r/min或60000r/min的高速电主轴，当釆用36000r/min电主轴时，功率为32KW(40%ED)/24KW(100%ED)。主轴用氮化硅(Si3N4)陶瓷球轴承，配以油-气润滑。进给速度40m/min，加速度1.7g，刀库容量为15~68把刀，立柱釆用龙门式框架结构，刚度高，特别适用于模具制造。

　　模具制造中的高速刀具

　　在高速切削应用于模具工业的历程中，刀具的地位举足轻重。高速切削时产生的切削热和对刀具的磨损比普通速度切削时要高得多，因此高速切削对刀具材料的性能有更高的要求。要求刀具材料：(1)硬度高、强度高、耐磨性好；(2)韧度高、抗冲击能力强；(3)热硬性和化学稳定性好，抗热冲击能力强。在工程实际中，同时满足这些要求的刀具材料至今还没有找到。目前，一般都在有较高抗冲击能力刀具材料的基体上，覆盖一层或多层具有高热硬性和高耐磨性的涂层，做成高速刀具。另外，也可将CBN或金刚石等超硬材料烧结在硬质合金或陶瓷材料的基体上，形成综合性能非常好的高速加工刀具。刀具材料主要根据工件材料、加工工序、加工精度与表面质量的要求来选择。

　　除了正确选择刀具材料以外，刀具结构与精度、切削刃的几何参数、排屑与断屑功能、刀具的动平衡等对高速切削的生产效率、表面质量、刀具寿命等也有很大的影响，必须精心设计或选择。至于刀具和机床的连接方式，目前在高速加工中已基本上不用传统的7：24长锥度刀柄，而广泛釆用锥部与主轴端面同时接触的HSK空心刀柄，其锥度为1：10，以确保高速运转刀具的安全和轴向加工精度。

! v. x6 j* o& G9 T1 m1 g ~2 r, B , Q% S8 }! k0 y! H+ q. s

　　型腔的粗加工、半精加工和精加工一般釆用球头铣刀，球头铣刀的直径一般从1mm到12mm。最终的精加工应尽可能用同一把球头铣刀连续完成整个型面的加工，其直径应小于模具型腔曲面的最小曲率半径。

5 n2 y) f# s- E% j, [9 p

　　用球头铣刀，既可避免和模具型腔几何曲面发生干涉，又可避免一般铣刀中心区的切削速度等于零造成的麻烦。模具零件平面的粗、精加工则可采用带转位刀片的端铣刀。

　　高速铣削是目前高速切削技术中应用最多的一种工艺技术，所用的刀具包括端铣刀、立铣刀和球头铣刀，这类刀具以瑞典Sandvik公司和美国Kennametal公司的产品最为有名，中国也开始生产这类刀具。以往有不少企业家只重视机床设备的投资，却忽视了与之配套的高速刀具的购置，结果使高速机床不能充分发挥作用，这是认识上的一个误区，应该予以纠正。

　　CAD/CAM在模具工业中的应用

　　模具制造业是最早应用计算机技术来提高设计、制造水平的机械行业之一。自从高速加工技术被引进模具工业以来，计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助测量(CAT)、反求工程(RE)、计算机辅助工程(CAE)、计算机辅助制造(CAM)和快速原型制造(RP)等在模具制造中获得了广泛而有效的应用。下面只简要介绍高速加工中CAD技术和CAM技术的应用情况。

7 H. I% G) D7 x* g7 W8 O ' C# E j3 j8 c0 K' c7 |

　　计算机辅助设计(CAD)主要用来解决产品造型设计问题，可完成模具设计和产品可装配性检查等工作。常用的软件有UG，Pro/Engineer，Mastercam和Cimatron等，这些软件都具有模具设计开发功能。运用知识工程技术(KBE)，把模具设计的原理、经验、技能和规范等结合到系统中，设计人员只要输入工况参数、工程参数或应用要求，系统就能自动推理构造出符合要求的数字化几何模型。有的设计软件(如UG)还具有数据读入、零件建模、缩放控制、自动模型布局、分模等功能，通过使用过程模板和标准件库，把过程向导技术应用于模具的优化设计中，使只有最基础模具设计概念的初级设计人员也能设计出高质量的模具来，大大提高了模具设计工作的效率。

# U& b+ K2 K- a4 N

　　由于模具的型腔大多由复杂曲面构成，在高速数控机床上加工时，CAM的数控编程是一项繁重的工作，编程质量在很大程度上决定了模具的加工质量。影响模具零件编程质量的主要因素有：加工工艺路线、刀具类型、切削用量、转角清根的处理以及加工精度与过切的检查等。高速加工的工艺路线是影响模具制造质量的主要因素。以往加工工艺是否合理完全决定于编程人员的个人经验，一不小心，常会忽略一些技术细节，如：下刀点不正确、抬刀的安全高度不够、没有定义过切检查面等。如果复查不严，不及时纠正，轻者会降低模具制造质量，造成工件返工；重者造成工件报废，甚至发生人身设备事故。

; d/ I" J& i" l! f/ L/ J( g2 s

　　在高级CAM软件的虚拟加工仿真环境下，这个问题可以得到很好的解决：在计算机上虚构出高速数控机床的加工环境，放上一个预先做好的“毛坯”，让“刀具”进行动态模拟仿真，其情形就像真实加工过程一样。但仿真过程可以随时暂停，仿真时间可以自由控制，以便编程人员进行检查。模拟仿真结束後，编程人员即可根据“刀具”运行的情况和“工件”加工後的形状来调整加工工艺路线。这种虚拟加工技术，既可减轻编程人员的精神负担，又可保证模具的制造质量。釆用高速切削技术(HSC)和CAD/CAM技术後，模具的生产周期可缩短约40%。

( O1 i5 f) l4 ^4 Q8 W* [6 c _" ?# d/ h) u2 @) S1 z " Y& b6 c" g2 x( ~' p/ b( j2 ` + |4 y4 z2 g9 C; }/ P' a* j