用于模具工業(yè)的高速加工技術

    本文介紹高速加工技術的主要特點，論述用於模具工業(yè)的高速機床、高速刀具和高速CAD/CAM系統(tǒng)等關鍵技術，列舉一些應用實例和使用效果，指出高速加工技術在模具工業(yè)中廣闊的應用前景。 
    模具是制造業(yè)中使用量大、影響面廣的工具產品。沒有型腔模、壓鑄模、鑄模、深拉模和沖壓模，就無法生產出被廣泛應用和具有競爭價格的塑料件、合金壓鑄件、鋼板件和鍛件。在現代批量生產中，沒有高水平的模具，就沒有高質量的產品，它對企業(yè)提高生產效率、降低生產成本也有重要的作用。據國外最新統(tǒng)計分析，金屬零件粗加工的75%、精加工的50%和塑料零件的90%是用模具加工完成的。因此，模具工業(yè)也被稱為“皇冠工業(yè)”。如今，模具制造已成為先進制造技術的一個重要組成部分。 
    制造模具的材料通常是一類難加工材料，目前國內模具型腔一般都釆用電火花加工（EDM）成型。但電加工的生產效率很低，不論在模具開發(fā)速度方面還是模具制造質量方面，都不能滿足現代批量生產的要求。 
    高速加工技術的出現，為模具制造技術開辟了一條嶄新的道路。盡可能用高速加工來代替電加工，是加快模具開發(fā)速度、提高模具制造質量的必然趨勢。 
    模具高速加工的優(yōu)越性 
    不論是沖壓模具還是塑料模具（包括注射模、擠壓模、吹塑模等），為了提高其使用壽命，構成模具型腔的有關零件一般都用高強度的耐磨材料制造（如各種牌號的合金結構鋼、合金工具鋼和不銹鋼等），這些材料經過熱處理後硬度很高，很難用常規(guī)的機械加工方法進行加工。幾十年來，對付這類難加工材料的最好辦法就是釆用特種加工。 
    在中國，模具的型腔加工至今仍然是電火花加工一統(tǒng)天下，電火花加工（包括成形加工和線切割）在模具制造中一直起?十分重要的作用。 
    生產的發(fā)展和產品更新換代速度的加快，對模具的生產效率和制造質量提出了越來越高的要求，於是電火花加工存在的問題就逐漸暴露出來。從物理本質上說，電火花加工是一種靠放電燒蝕的“微切削”工藝，加工過程非常之緩慢；在電火花對工件表面進行局部高溫放電燒蝕過程中，工件材料表面的物理-機械性能會受到一定程度的損傷，常常會在型腔表面產生微細裂紋，表面粗糙度也達不到模具的要求，因而經過電加工後的型腔類零件一般還要進行費力、費時的手工研磨和拋光。因此，電火花加工的生產效率很低，制造質量不穩(wěn)定，在許多場合，模具已成為影響新產品開發(fā)速度的一個關鍵因素。 
    20世紀90年代以來，在國外模具工業(yè)中開始逐漸應用高速切削(HSC)方法進行型腔的加工，并且取得了很好的效果。和電火花加工相比，高速加工的主要優(yōu)點是：  
    產品質量好—高速切削以高於常規(guī)切速10倍左右的切削速度對零件進行高速加工，毛坯材料的馀量還來不及充分變形就在瞬間被切離工件，工件表面的殘馀應力非常小；切削過程中產生的絕大多數熱量（95%以上）被切屑迅速帶走，工件的熱變形�。桓咚偌庸み^程中，機床主軸以極高的轉速（10000~80000 r/min）運轉，激振頻率遠遠離開了“機床—刀具—工件”系統(tǒng)的固有頻率範圍，零件加工過程平穩(wěn)無沖擊。因此零件的加工精度高，表面質量好，粗糙度可達Ra 0.6μm以上。經過高速銑削的型腔，表面質量能達到磨削的水平，故常�？墒∪メ崂m(xù)的許多精加工工序。 
    生產效率高—用高速加工中心或高速銑床加工模具，可以在工件一次裝夾中，完成型腔的粗、精加工和模具零件其它部位的機械加工，即所謂“一次過”技術（One Pass Machining），切削速度很高，加工過程本身的效率比電加工要高出好幾倍。除此以外，它既不要做電極，常常也不需要後續(xù)的手工研磨與拋光，又容易實現加工過程自動化。因此，高速加工技術的應用，使模具的開發(fā)速度大為提高。 
    能加工形狀復雜的硬質零件和薄壁零件—由高速切削機理可知，高速切削時，切削力大為減少，切削過程變得比較輕松。高速切削可以加工淬火鋼，材料硬度可高達60HRC以上，加工過程甚至可以不用切削液，這就是所謂的硬切削（Hard Machining）和乾切削(Dry Machining)。尤其可貴的是，在高速加工中，橫向切削力（Py）很小，這就有利於加工復雜模具型腔中一些細筋和薄壁，其壁厚甚至可以小於1mm。圖1所示為高速加工方法加工出的零件，其各個薄壁的壁厚分別為0.2mm、0.3mm和0.4mm，薄壁高度為20mm。 
    近幾年來，高速加工技術在國外已廣泛用於模具工業(yè)。在工業(yè)發(fā)達國家，據統(tǒng)計目前有85%左右的模具電火花成形加工工序已被高速加工所替代。高速加工在國際模具制造工藝中的主流地位已經確立。原來一些從事電加工設備制造的著名公司（如瑞士Agie公司），已敏感地看到這一技術發(fā)展趨勢，為了不被模具設備巿場淘汰出局，已釆取了與高速機床制造廠家（如瑞士Mikron）聯手合并的措施。 
    模具工業(yè)中的高速機床 
    對模具工業(yè)中使用的高速機床主要有下列要求：  
    主軸轉速高、功率大—為了適應模具型腔曲面的高速加工，刀具的半徑應小于型腔曲面的最小圓角半徑，以免加工過程中刀具與工件發(fā)生“干涉”（實際上是過切），所以加工中常用小直徑的球頭銑刀。由于刀具直徑�。�<12mm），因此要求主軸的轉速非常高，有的高達20000-80000 r/min，以便實現高速切削；型腔的粗、精加工常常在工件一次裝夾中完成，故主軸功率要大，中等尺寸加工中心的主軸功率常為10KW到40KW，有的甚至更高。 
    機床剛度好—模具材料的強度和硬度都很高，加上常常釆用伸長量較大的小直徑端銑刀加工模具型腔，因此加工過程容易發(fā)生顫振，一般都釆用精度高、剛度大的高速電主軸。為了確保零件的加工精度和表面質量，用於模具制造的高速機床必須有很高的靜、動剛度，以提高機床的定位精度、跟蹤精度和抗振能力。 
    主軸轉動和工作臺（溜板）直線運動都要有極高的加速度—主
軸從啟動加速到最高轉速（一般高于10000 r/min），通常只用1~2秒的時間。工作臺的加、減速度也從常規(guī)數控機床的0.1g?0.2g 提高到1~5g（g為重力加速度，g=9.81m/s²），以便可靠地實現小圓角半徑曲面的高速加工，并達到必要的型面幾何精度。在模具制造中，對機床的進給速度則不要求太高，一般有30m/min即可。近年來，矢量控制的變頻調速永磁式主軸電動機和大推力、大行程直線電動機在高速機床上的應用，為模具制造中廣泛釆用高速加工技術提供了更加有利的條件。  
    對于一些復雜模具的制造，可以釆用五軸聯動加工中心。這種機床除三個坐標的直線運動外，主軸頭上的刀具還可實現兩個旋轉坐標的圓周進給運動。銑頭和工作臺可以實現多軸聯動，特別適用于加工具有復雜型腔曲面的模具零件。對于大型復雜模具，還可釆用龍門式五軸加工中心。 
    瑞士Mikron公司的HSM600U型高速加工中心，機床加工範圍800mm×600mm×5000mm，主軸可選用Step-Tec公司最高轉速為30000r/min、36000r/min、42000r/min或60000r/min的高速電主軸，當釆用36000r/min電主軸時，功率為32KW(40%ED)/24KW(100%ED)。主軸用氮化硅（Si3N4）陶瓷球軸承，配以油－氣潤滑。進給速度40m/min，加速度1.7g，刀庫容量為15~68把刀，立柱釆用龍門式框架結構，剛度高，特別適用于模具制造。 
    模具制造中的高速刀具 
    在高速切削應用于模具工業(yè)的歷程中，刀具的地位舉足輕重。高速切削時產生的切削熱和對刀具的磨損比普通速度切削時要高得多，因此高速切削對刀具材料的性能有更高的要求。要求刀具材料：（1）硬度高、強度高、耐磨性好；（2）韌度高、抗沖擊能力強；（3）熱硬性和化學穩(wěn)定性好，抗熱沖擊能力強。在工程實際中，同時滿足這些要求的刀具材料至今還沒有找到。目前，一般都在有較高抗沖擊能力刀具材料的基體上，覆蓋一層或多層具有高熱硬性和高耐磨性的涂層，做成高速刀具。另外，也可將CBN或金剛石等超硬材料燒結在硬質合金或陶瓷材料的基體上，形成綜合性能非常好的高速加工刀具。刀具材料主要根據工件材料、加工工序、加工精度與表面質量的要求來選擇。 
    除了正確選擇刀具材料以外，刀具結構與精度、切削刃的幾何參數、排屑與斷屑功能、刀具的動平衡等對高速切削的生產效率、表面質量、刀具壽命等也有很大的影響，必須精心設計或選擇。至於刀具和機床的連接方式，目前在高速加工中已基本上不用傳統(tǒng)的7：24長錐度刀柄，而廣泛釆用錐部與主軸端面同時接觸的HSK空心刀柄，其錐度為1：10，以確保高速運轉刀具的安全和軸向加工精度。 
    型腔的粗加工、半精加工和精加工一般釆用球頭銑刀，球頭銑刀的直徑一般從1mm到12mm。最終的精加工應盡可能用同一把球頭銑刀連續(xù)完成整個型面的加工，其直徑應小於模具型腔曲面的最小曲率半徑。 
    用球頭銑刀，既可避免和模具型腔幾何曲面發(fā)生干涉，又可避免一般銑刀中心區(qū)的切削速度等于零造成的麻煩。模具零件平面的粗、精加工則可采用帶轉位刀片的端銑刀。 
    高速銑削是目前高速切削技術中應用最多的一種工藝技術，所用的刀具包括端銑刀、立銑刀和球頭銑刀，這類刀具以瑞典Sandvik公司和美國Kennametal公司的產品最為有名，中國也開始生產這類刀具。以往有不少企業(yè)家只重視機床設備的投資，卻忽視了與之配套的高速刀具的購置，結果使高速機床不能充分發(fā)揮作用，這是認識上的一個誤區(qū)，應該予以糾正。 
    CAD/CAM在模具工業(yè)中的應用 
    模具制造業(yè)是最早應用計算機技術來提高設計、制造水平的機械行業(yè)之一。自從高速加工技術被引進模具工業(yè)以來，計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助測量（CAT）、反求工程（RE）、計算機輔助工程（CAE）、計算機輔助制造（CAM）和快速原型制造（RP）等在模具制造中獲得了廣泛而有效的應用。下面只簡要介紹高速加工中CAD技術和CAM技術的應用情況。 
    計算機輔助設計（CAD）主要用來解決產品造型設計問題，可完成模具設計和產品可裝配性檢查等工作。常用的軟件有UG，Pro/Engineer，Mastercam和Cimatron等，這些軟件都具有模具設計開發(fā)功能。運用知識工程技術(KBE)，把模具設計的原理、經驗、技能和規(guī)範等結合到系統(tǒng)中，設計人員只要輸入工況參數、工程參數或應用要求，系統(tǒng)就能自動推理構造出符合要求的數字化幾何模型。有的設計軟件（如UG）還具有數據讀入、零件建模、縮放控制、自動模型布局、分模等功能，通過使用過程模板和標準件庫，把過程向導技術應用於模具的優(yōu)化設計中，使只有最基礎模具設計概念的初級設計人員也能設計出高質量的模具來，大大提高了模具設計工作的效率。 
    由于模具的型腔大多由復雜曲面構成，在高速數控機床上加工時，CAM的數控編程是一項繁重的工作，編程質量在很大程度上決定了模具的加工質量。影響模具零件編程質量的主要因素有：加工工藝路線、刀具類型、切削用量、轉角清根的處理以及加工精度與過切的檢查等。高速加工的工藝路線是影響模具制造質量的主要因素。以往加工工藝是否合理完全決定于編程人員的個人經驗，一不小心，常會忽略一些技術細節(jié)，如：下刀點不正確、抬刀的安全高度不夠、沒有定義過切檢查面等。如果復查不嚴，不及時糾正，輕者會降低模具制造質量，造成工件返工；重者造成工件報廢，甚至發(fā)生人身設備事故。 
    在高級CAM軟件的虛擬加工仿真環(huán)境下，這個問題可以得到很好的解決：在計算機上虛構出高速數控機床的加工環(huán)境，放上一個預先做好的“毛坯”，讓“刀具”進行動態(tài)模擬仿真，其情形就像真實加工過程一樣。但仿真過程可以隨時暫停，仿真時間可以自由控制，以便編程人員進行檢查。模擬仿真結束後，編程人員即可根據“刀具”運行的情況和“工件”加工後的形狀來調整加工工藝路線。這種虛擬加工技術，既可減輕編程人員的精神負擔，又可保證模具的制造質量。釆用高速切削技術（HSC）和CAD/CAM技術後，模具的生產周期可縮短約40%。 
    應用實效 
    生產實踐表明，高速加工技術在模具制造中有加工精度高、表面質量好和生產效率高等特點。以下舉幾個典型的應用實例。 
    以用于制造插座的壓鑄模具為例，材料的硬度為54HRC。釆用傳統(tǒng)加工時的工藝過程是：粗加工—線切割—淬火—EDM成形—拋光，加工總工時為55h。釆用高速加工時的工藝過程是：粗加工—淬火—HSC—拋光，加工總工時僅為14.5h。工效提高近4倍。高速加工後的模具表面質量極佳，還可大幅度降低生產成本。 
    另一個例子是連桿的鍛模，材料硬度為60HRC，原來用電火花加工型腔需15h，電極制作需2h，共計17h。改用高速硬銑削後，表面粗糙度達Ra0.5~0.6μm，質量完全符合要求，整個鍛模加工只需200min，工效提高5倍。 
    當用直徑為3mm的球頭銑刀對鍛模型面進行精銑加工時，為了實現151m/min的切削速度，主軸轉速應達到16000r/min。 
    以生產卡車外殼的大型模具為例，現在釆用高速加工方法制造，粗加工刀具為直徑25.4mm的球頭銑刀，主軸轉速9000r/min，進給速度5000mm/min；精加工刀具為直徑8mm的球頭銑刀，主軸轉速20000r/min，進給量2000mm/min，高速銑削後達到的表面粗糙度為1μm。因此不必再進行手工研磨，只用油石拋光。和原來釆用的電加工工藝相比，手工操作時間減少了40%。 
    在某注塑模的高速加工中，材料硬度為56~58HRC。原來用電加工，每個零件需時90min；釆用直徑為12mm球頭銑刀以主軸轉速15000r/min、工作臺進給1500mm/min進行超高速加工后，加工每個零件只需5min，工效提高18倍。 
    這些實例說明，高速切削技術在模具制造中的應用效果是很好的，必須盡快推廣應用。 
    發(fā)展前景 
    高速加工的加工精度高、表面質量好，生產效率很高，在模具工業(yè)中的應用效果非常好，傳統(tǒng)的電加工工藝無法與之匹敵，完全符合現代制造技術“高效率、高精度和高度自動化”的發(fā)展方向，有廣闊的應用前景。 
    當然，電火花成形加工對一些尖角、窄槽、深小孔和過于復雜的型腔表面的精密加工還是有用的。高速加工還不能完全代替電火花成形加工，兩者應該揚長避短，相輔相成。同時應該看到，高速加工的一次性設備投資比較大，并不是所有模具廠都能承受，而且中國目前還有大量的小型模具廠和電加工作坊存在，短期內高速加工對電加工還不會造成太大的威脅。但是應該看到，高速加工在發(fā)達國家模具制造工業(yè)中已處于主流地位，目前更以其巨大的優(yōu)勢，猛烈地沖擊傳統(tǒng)的電加工工藝，模具工業(yè)大規(guī)模設備更新的時代即將到來，有遠見、有實力的企業(yè)家應該首選高速加工這個當今世界模具制造的主流技術，主動迎接新技術革命的挑戰(zhàn)。