向極限挑戰(zhàn)的高速加工技術(shù)

高速加工技術(shù)開發(fā)重點是速度與切削效率 

優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品短期交貨 

隨著用戶需求多樣化，希望縮短產(chǎn)品開發(fā)制造周期的呼聲也在提高。作為批量生產(chǎn)零部件時不可缺少的金屬 模具，其制造和用這個模具生產(chǎn)的鍛造部件、鑄造部件也達到優(yōu)質(zhì)、短時間交貨的方法，是使切削工具、磨削砂輪高速旋轉(zhuǎn)。在此以模具切削加工技術(shù)為主，說明一下為實現(xiàn)高精度、高效率加工的關(guān)鍵制造工藝。

為何要高速切削加工 

加工中心的加工時間，是包括了排出鐵屑的切削時間和交換工具、軸的定位時間等非切削時間組成的。在加工鍛造、鑄造的引擎等部件時，為縮短同一產(chǎn)品的批量加工時間，盡量縮短非切削時間是有效的�，F(xiàn)在有高速自動工具交換裝置，也實現(xiàn)了100m／min以上高速化的軸的快速進給。
        
在加工金屬模具的形狀部位時，切削時間占的比率較高，因此想辦法提高切削效率對于縮短加工時間會產(chǎn)生很大的效果。
         
現(xiàn)在看一看高速加工的有利之點。首先是加工精度和加工效率。高速加工的進刀量使每刃為小進給，使工具高速旋轉(zhuǎn)進行加工，這就提高了進給速度。結(jié)果是降低了切削阻力，抑制了剛性較低工具在加工中的變形，使形狀精度得到提高。
        
 最近的切削工具在切削鐵方面的材料時，100-500m／min的切削速度成為推薦條件得到開發(fā)。這樣，高速加工的效率同過去的加工相比可以提高兩倍。
         
再是切削發(fā)熱。進行切削時切削點的發(fā)熱，是工具的前傾面、后隙面的摩擦熱和鐵屑被剪斷變形導(dǎo)致的發(fā)熱為主，隨著切削速度的提高，整體發(fā)熱量會增加，但90％以上被鐵屑吸收，熱傳導(dǎo)基本上不會到工具、工件上。很好地利用這一特點，就可以在抑制工具磨損的同時提高加工效率。
         
能夠很好地運用上述有利之點，是高速加工成功地達到高精度、高效率的關(guān)鍵。下面再看一看金屬模具加工的特點、為實現(xiàn)高速切削的設(shè)備、刀具、工具CAM等。  
        
細微直線組成的金屬模具形狀     
       
 加工模具形狀部位采用的數(shù)據(jù)，是把要達到的3次元曲面以微細的點群進行直線插補，屬于大量微細直線的集結(jié)。加工中心按照這微細直線動作時，要使直線和直線相接部分保證加工精度，就要按照銜接部分的折曲角度和直線長度的比率降低切削進給速度，通過銜接部位后，需要反復(fù)進行達到切削進給速度時的加減速。 
        
就像開汽車一樣，在大的R彎道上可以高速通過，但在V字形彎道時，如果不充分減速，汽車就會越出道路。 
        
因此，對于加工中心各進給軸的指令都是以非常短的間隔作出指示的。變化進給軸的加速度、對進給軸進行移動指令時，從停止?fàn)顟B(tài)到達到指令的進給速度有個必要的距離。例如，作出5m／min的進給速度指示時，原來加工中心采用的1．6m／s²的進給軸加速度就要達到2．2mm的加速距離，如使用高加速的9．8/s²時，就成為0．4mm的短加速距離。 再引用一下開車的例子，就像大型卡車(低加速機)和賽車(高加速機)并排啟動，看哪一輛先達到預(yù)定的速度一樣。
         
 一般來說，模具形狀部位加工用的NC數(shù)據(jù)，很多是2mm到3mm以下，短的也有為0.1mm以下的�，F(xiàn)在有提高刀具軌跡公差、生產(chǎn)更高精度模具的傾向，因此也有時將線分長縮短，這樣，低加速的加工中心作出高速的進給速度指示時，實際的進給速度也不會達到指示的速度。也就是說僅提高了進給指令速度，不會縮短加工時間，為提高加工效率，需要有高加速、高速進給軸的加工中心。 
        
高速加工中心 
        
這幾年，進給結(jié)構(gòu)采用高導(dǎo)引滾珠絲杠或直線電機，加減速度從9.8到19.6m/s²、進給速度從60m/min到120m/min的高速快速進給加工中心正在商品化。
        
可是，并非所有這些設(shè)備都能有效地進行金屬模具的高速加工。正如前面所述，模具形狀部位的加工 是三次元曲面，這在加工時就需要頻繁地加減速。為做到保持指標(biāo)精度的同時進行加工，就要在不能因快 速的加減速產(chǎn)生的慣性導(dǎo)致機械本體變形方面下功夫。 
       
高速模具加工設(shè)備是將導(dǎo)軌配置于移動體的兩端，各軸的移動體都有兩端支持，是以兩面支撐的狀態(tài)支 持高剛性的。滾珠絲杠每個軸都是移動體兩端各有兩個的配置，這樣重心附近也能驅(qū)動，能夠適應(yīng)60m/min、 9.8m/s²的高速快速加減速的進給。 

高速刀具 
        
刀夾是使機械和工具結(jié)合的要素，原來只約束錐面的BT夾具，在主軸回轉(zhuǎn)速度超過20,000min-1時，錐口會由于離心膨脹而張開，刀頭的振擺就會加大。刀頭的振擺直接影響工具壽命，這就會使工具壽命縮短。于是，為做到高速加工，就必須采用可約束錐面和端面兩個面的雙面高速夾具。關(guān)于此類型夾具，HSK和KM公司，還有其他夾具廠家都提出了有特長的夾具方案。

工具的保持方式從離心膨脹及加工精度考慮，多采用高速旋轉(zhuǎn)時也具有可靠精度的熱壓配合式夾具。原來 采用的簡夾控制方式也提高了精度，可用于高速加工。 
        
用于高速的切削工具 
        
由于使用超微原料的超微粒子超硬開發(fā)得到推進，硬度和韌性值得到提高，使得高速高效加工成為可能。 又由于開發(fā)出了在工具表面施以耐熱性和硬度都非常好的涂層，更具提高壽命的效果。在硬度和耐熱性方 面具有比超硬還好的性質(zhì)的CBN、最近又出現(xiàn)了提高CBN含量的燒結(jié)體，實驗報告結(jié)果顯示，超過1，000m/min的切削速度時，工具磨損也很少。 
         
CAM 
         
CAM將切削出來的形狀以點群數(shù)據(jù)表示，這樣，決定工具移動軌跡的刀具對于實現(xiàn)高精度加工起到很大作用。為達到較高的形狀精度，就要盡量減少切削阻力的變動，需采用相對固定工具變形量的切削方法。 
         
實現(xiàn)了這一方法的是等高線加工 
         
等高線加工是高度在同樣位置時的連續(xù)切削，工具和工件的接觸位置不產(chǎn)生變化。這樣，鐵屑的厚度是固 定的，切削阻力的變動就很小。這種加工方法對豎壁等可達到很細小的節(jié)距型縫，但加工緩面時節(jié)距就會變 粗，使得表面光潔度不理想。最近在型縫較粗的地方加上了使型縫輸出的功能，從而得到很好的加工面。 
        
將點群進行直線插補時，需要在短時間處理大量的NC數(shù)據(jù)，如果CNC裝置能力不足時，就要產(chǎn)生NC 數(shù)據(jù)處理的等待時間，這會導(dǎo)致進給軸控制不能平緩，使加工面出現(xiàn)凹凸現(xiàn)象。
         
為提高處理速度，采用圓弧插補和NURBS插補可以消除NC數(shù)據(jù)處理的等待時間，實現(xiàn)高速高精度加 工。實際已有報告顯示，研制出了對模具形狀部位的直線插補數(shù)據(jù)進行圓弧插補，平均線分長度粗工序時 為5倍、精加工序為2倍，適合高速切削的NC數(shù)據(jù)。 

削減了手工研磨工序 
        
曲軸模具是以放電加工方式對形狀部位進行加工，對于電加工后的痕跡都是用手工研磨方法去掉的。這 是因為曲軸模具需采用深雕加工法，但工具探出的長度與工具直徑比大時，切削面則容易發(fā)生“振顫” 而不會得到良好的加工面。
         
也有引用上述高速加工技術(shù)，使用高剛性主軸的加工中心、采用降低切削阻力的工具徑路和高剛性工 具，得到平滑理想的加工面，從而削減手工研磨工序的做法。
        
為實現(xiàn)高速切削加工，就需采用相應(yīng)高速的加工中心、可適應(yīng)快速進給的刀具軌跡、考慮到加工中心特性的有編制NC數(shù)據(jù)功能的CAM、再加上可以進行高速、高效加工的切削工具、振擺小的工具刀夾等， 注重提高這些周邊技術(shù)，并將這些技術(shù)都充分運用到切削加工技術(shù)中去，總之是需要多方面的協(xié)調(diào)配合。