现代模具制造的高速加工技术

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  1.引言

    模具作为重要的工艺装备，在消费品、电器电子、汽车、飞机制造等工业行业中占有举足轻重的地位。虽然近年来我国模具技术有了迅速的发展，但与制造强国相比尚有较大差距。目前我国技术含量较低的模具已供过于求，而精密、复杂的高档模具则大量依靠进口。

    提高模具生产技术水平和质量是发展我国模具制造业的重要因素。由于采用模具高速切削技术可以明显提高模具生产效率和模具精度及使用寿命，因此正逐渐取代电火花精加工模具，并已被国外的模具制造企业普遍采用，成为模具制造的大趋势。但高速切削技术在模具生产中应用时间比较短，而且在使用中技术要求比较高，我国大部分模具生产企业还不能掌握并应用，以至不能发挥优势。文中将着重介绍高速切削加工模具的一些实用技术和应用的问题。

    2.高速切削应用于模具加工的优势和现阶段需要解决的问题

    模具加工的特点是单件小批量、几何形状复杂，因此加工周期长，生产效率低。在传统的模具加工工艺中，精加工淬硬模具通常采用电火花加工和人工修光工艺，后期加工花费了大量时间。缩短加工时间和降低生产成本是发展模具加工技术的主要目标。近年来，模具加工工艺方面有了许多新技术，如高速切削、CAD/CAE 设计仿真、快速原型制模、电火花铣削成型加工和复合加工等，其中最引人注目、效果最好的是高速切削加工。
    高速切削加工模具是利用机床的高转速和高进给速度，以切削方式完成模具的多个生产工序。高速切削加工模具的优越性主要表现在以下几个方面：
    ①高速切削粗加工和半精加工，大大提高金属切除率。
    ②采用高速切削机床、刀具和工艺，可加工淬硬材料。对于小型模具，在材料热处理后，粗、精加工可以在一次装夹中完成；对于大型模具，在热处理前粗加工和半精加工，热处理淬硬后精加工。
    ③高速高精度硬切削代替光整加工，减少大量耗时的手工修磨，比电火花加工提高效率50% 。
    ④硬切削加工最后成型表面，提高表面质量、形状精度（不仅表面粗糙度低，而且表面光亮度高），用于复杂曲面的模具加工更具优势。
    ⑤避免了电火花和磨削产生的脱碳、烧伤和微裂纹现象，大大减少了模具精加工后的表面损伤，提高模具寿命20%。
    ⑥工件发热少、切削力减小，热变形小，结合CAD/CAM技术用于快速加工电极，特别是形状复杂、薄壁类易变形的电极。
    高速切削的优势对模具加工的吸引力是不言而喻的，但与此同时，模具的高速切削加工成本高、对刀具的使用要求高、需要有复杂的计算机编程技术做支持、设备运行成本高，因此，由于资金、技术等方面的原因，国内对高速切削加工模具的应用还不多，目前亟需要解决如何选择和应用高速加工模具的机床、高速切削刀具、合理的加工工艺、刀具轨迹编程层以及工艺实验等一系列问题。

    3.加工模具的高速切削机床

    选择用于高速切削模具的高速机床时要注意以下问题：
    （1）要求机床主轴功率大、转速高，满足粗、精加工。精加工模具要用小直径刀具，主轴转速达到15000～20000rmp以上。主轴转速在10000rpm以下的机床可以进行粗加工和半精加工。如果需要在大型模具生产中同时满足粗、精加工，则所选机床最好具有两种转速的主轴，或两种规格的电主轴。
    （2）机床快速进给对快速空行程要求不太高。但要具有比较高的加工进给速度（30～60m/min）和高加减速度。
    （3）具有良好的高速、高精度控制系统，并具有高精度插补、轮廓前瞻控制、高加速度、高精度位置控制等功能。
    （4）选用与高速机床配套的CAD/CAM软件，特别是用于高速切削模具的软件。
    在模具生产中五轴机床的应用逐渐增加，配合高速切削加工模具具有以下优点：
    ①可以改变刀具切削角度，切削条件好，减少刀具磨损，有利于保护刀具和延长刀具寿命；②加工路线灵活，减少刀具干涉，可以加工表面形状复杂的模具以及深腔模具；③加工范围大、适合多种类型模具加工。
    五轴机床通常有工作台式和铣头式五轴机床两类，可以针对模具类型进行选择。铣头式五轴机床中，可更换铣头和更换电主轴头的五轴机床可分别用于模具的粗、精加工。

    4.高速切削模具的刀具技术

    高速切削加工需配备适宜的刀具。硬质合金涂层刀具、聚晶增强陶瓷刀具的应用使得刀具同时兼具高硬度的刃部和高韧性的基体成为可能，促进了高速加工的发展。聚晶立方氮化硼（PCBN）刀片的硬度可达3500～4500HV，聚晶金刚石（PCD）硬度可达6000～10000HV。近年来，德国SCS、日本三菱（神钢）及住友、瑞士山特维克、美国肯纳飞硕等国外著名刀具公司先后推出各自的高速切削刀具，不仅有高速切削普通结构钢的刀具，还有直接高速切削淬硬钢的陶瓷刀具等超硬刀具，尤其是涂层刀具在淬硬钢的半精加工和精加工中发挥着巨大作用。
    目前国内高速加工刀具的开发与国外还有较大差距，而进口刀具的昂贵价格也成为阻碍高速切削模具应用的重要因素。
    一般来说，要求刀具以及刀夹的加速度达到3g以上时，刀具的径向跳动要小于0.015mm，而刀的长度不大于刀具直径的4倍。据SANDVIK公司的实际统计，在使用碳氮化钛（TiCN）涂层的整体硬质合金立铣刀（58HRC）进行高速铣削时，粗加工刀具线速度约为100m/min，而精加工和超精加工时，线速度超过了280m/min。据国内高速精加工模具的经验，采用小直径球头铣刀进行模具精加工时，线速度超过了400m/min。这对刀具材料（包括硬度、韧性、红硬性）、刀具形状（包括排屑性能、表面精度、动平衡性等）以及刀具寿命都有很高的要求。因此，在高速硬切削精加工模具时，不仅要选择高速度的机床，而且必须合理选用刀具和切削工艺。
    在高速加工模具时，要重点注意以下几个方面：①根据不同的加工对象，合理选择硬质合金涂层刀具、CBN和金刚石烧结层刀具。
    ②采用小直径球头铣刀进行模具表面精加工，通常精加工刀具直径＜10mm。根据被加工材料以及硬度，所选择的刀具直径也不同。在刀具材料的选用方面，TiAIN超细晶粒硬质合金涂层刀具润滑条件好，在切削模具钢时，具有比TiCN硬质合金涂层刀具更好的抗磨损性能。
    ③选择合适的刀具参数，如负前角等。高速加工刀具要求比普通加工时抗冲击韧性更高、抗热冲击能力更强。
    ④采取多种方法提高刀具寿命，如合适的进给量、进刀方式、润滑方式等，以降低刀具成本。
    ⑤采用高速刀柄。目前应用最多的是HSK刀柄和热压装夹刀具，同时应注意刀具装夹后主轴系统的整体动平衡。
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    5.高速切削模具的工艺技术

    高速加工模具技术中，工艺技术是配合机床和刀具使用的关键因素。以目前国内模具生产的情况来看，工艺技术已经在很大程度上制约了高速加工模具的应用。一方面是由于高速加工应用的时间比较短，还没有形成比较成熟的、系统化的工艺体系和标准；另一方面是高速切削工艺试验成本高，需要投入较大的资金和较长的时间。
    高速切削模具工艺技术主要包括：
    （1）针对不同材料的高速切削模具工艺试验
    在参考国外高速铣削加工零件的工艺参数时发现，国外公司生产的刀具是依据进口材料标准来做试验，用其推荐的参数在高速加工国产材料模具时，效果差别比较明显。因此，使用国外刀具，除了需要参考厂家提供的参数外，实际的工艺试验也是必要的。
    国内刀具厂家很少推荐高速铣削的技术参数，因此选用国产刀具更有必要做试验，以取得比较满意的工艺参数。最好选用固定生产厂家的刀具，通过试验，形成加工技术标准，并在此基础上优化出一套适合本企业的加工工艺参数，并纳入企业标准。
    （2）高速切削的加工刀具路径及编程
    高速切削模具工艺技术中刀具路径、进刀方式和进给量是主要内容。高速切削模具工艺技术中的许多刀具路径处理方法是为了减少刀具磨损、延长刀具使用寿命，因此刀具在高速切削进给中的轨迹比普通加工复杂得多。
    高速加工模具工艺处理应该遵循以下原则：
    ①采用小直径刀具精加工时，切削速度随着材料硬度的增加而降低。
    ②保持相对平稳的进给量和进给速度，切削载荷连续，减少突变，缓进缓退。避免直接垂直向下进刀而导致崩刃：斜线轨迹进刀的铣削力逐渐加大，对刀具和主轴的冲击小，可明显减少崩刃；螺旋式轨迹进刀切入，更适合型腔模具的高速加工。
    ③小进给量、小刀纹切削。通常进给量小于铣刀直径10%，进给宽度小于铣刀直径40%。
    ④保留均匀精加工余量。
    ⑤保持单刃切削。
    根据上述规则，通常使用的进给路径方式有以下几种：
    ①尽量避免直拐角的铣削运动；拐角处用螺旋线进给切削，保持切削载荷的平稳。
    ②尽量避免工件外的进刀与退刀运动，直接从轮廓进入下一个深度。而是采用斜向逐渐进给切入或螺旋线切入。
    ③恒定每刃进给，以螺旋线或摆线路径进给加工平面，并且保持单刃切削。孔加工时采用铣削高速进给完成，不仅可提高表面质量，而且可延长刀具寿命。
    ④轮廓加工时保持在水平面上（等高线），每层进刀深度相同。在进入下一个深度时，逐渐进给切入。
    ⑤加工槽等较小尺寸形状时，选用直径小于形状尺寸的刀具，以螺旋线或摆线路径进给，保持单刃切削。
    这些高速切削模具中使用的刀具路径处理策略需要编程实现，过于复杂的路径手工编程难度和工作量都很大，在一定程度上影响了高速切削模具技术的应用，因此最好能够通过自动编程软件实现。高速切削精加工对CAM的编程提出要求，自动编程软件需要适应生产适时推出。
    Delcam公司几年前就开始了高速切削加工编程技术的研究，开发了高速切削自动编程软件模块PowerMILL；模具加工使用量最大的MasterCAM 公司也开发了高速切削自动编程HSM软件模块。通过这些自动编程软件模块，前文所提到的高速切削路径处理方法均可实现。目前国内软件企业也在开发高速切削自动编程软件模块。

    6.高速加工模具的其它技术和实例

    高速加工模具时还应考虑HSM和EDM的选择、干切削和润滑冷却及安全等问题。
    （1）对高速切削和电火花加工进行选择的一般原则是：加工高硬度、小直径、尖角、窄槽时使用电火花机床，具体参数可以根据各企业的技术和设备情况作出判断。例如Delcam提供的一个加工实例采用1.6mm直径的刀具加工窄槽，切削参数为：转速40000rpm，切削深度0.1mm，进给速度30m/min。
    （2）高速切削硬模具材料时，采用适当的冷却和润滑可以减少刀具磨损，提高表面质量。但用于高速硬切削的刀具大多抗热冲击能力差，因此高速切削多采用干切削或微量油雾润滑。
    （3）高速切削模具时还应考虑刀具磨损和破坏的监测、刀片连接的强度等安全问题。和采用普通机床加工不同，安全防护和开机前对机床和刀具的严格检查对高速切削非常重要。

    7.结语

    模具市场对高速加工有强烈需求，国内模具企业和研究单位已经取得了一些成绩，获得了一些经验。例如黄岩地区某模具厂采用南京四开公司生产的高速精加工机床精加工大型汽车轮胎模具获得较好的效果。但高速加工模具在我国应用时间较短，应用基础较差，缺乏成熟经验，整体技术水平不高，发展缓慢，在高速机床和刀具应用以及加工工艺方面还存在很多问题，需要产学研结合，加大投入，综合各方面力量推动高速切削在模具制造中的应用。

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