淺談高速切削加工技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用

一、引言

　　隨著科技進(jìn)步和工業(yè)的飛速發(fā)展，模具已經(jīng)成為當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)中使用極為廣泛的主要工藝裝備。模具作為重要的工藝裝備，在消費(fèi)品、電器電子、汽車(chē)、飛機(jī)制造等工業(yè)部門(mén)中占有舉足輕重的地位。工業(yè)產(chǎn)品零件粗加工的75%，精加工的50%及塑料零件的90%將由模具完成。目前中國(guó)模具市場(chǎng)需求已達(dá)500億元的規(guī)模，我國(guó)模具制造市場(chǎng)潛力巨大。模具是一種專(zhuān)用工具，用于成形(型)各種金屬或非金屬材料所需要零件的形狀制品，這種專(zhuān)用工具統(tǒng)稱(chēng)模具。模具是工業(yè)生產(chǎn)中最基礎(chǔ)的設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)少切削和無(wú)切削的不可缺少的工具。模具已廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)中的各個(gè)領(lǐng)域,如汽車(chē)、摩托車(chē)、家用電器、儀器、儀表、電子等,它們中60%～80%的零件都需要模具來(lái)進(jìn)行制造;高效大批量生產(chǎn)的塑料件、螺釘、螺母和墊圈等標(biāo)準(zhǔn)件也需要模具來(lái)生產(chǎn);工程塑料、粉末冶金、橡膠、合金壓鑄、玻璃成型等更需要用模具來(lái)成型。

　　正因?yàn)槟＞邞?yīng)用如此廣泛，與之相關(guān)的模具制造技術(shù)也有了很大的發(fā)展。目前，采用高速切削生產(chǎn)模具已經(jīng)成為模具制造的大趨勢(shì)。在國(guó)外一些模具生產(chǎn)廠(chǎng)家，高速機(jī)床大面積取代電火花機(jī)床，高速切削生產(chǎn)模具已經(jīng)逐漸成為模具制造的大趨勢(shì)。

　　二、高速切削加工技術(shù)概述

　　高速切削(High Speed Cutting,HSC)是近十年來(lái)迅速崛起的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)。由于高速切削技術(shù)具有切削效率高、加工質(zhì)量高、能直接加工淬硬鋼件和良好的經(jīng)濟(jì)性,使航空、模具、汽車(chē)、輕工和信息等行業(yè)的生產(chǎn)效率與制造質(zhì)量顯著提高,并引起加工工藝及裝備相應(yīng)的更新?lián)Q代。因此如同數(shù)控技術(shù)一樣,高速切削和高速加工已成為21世紀(jì)機(jī)械制造業(yè)一場(chǎng)影響深遠(yuǎn)的技術(shù)革命。目前,適應(yīng)HSC要求的高速加工中心和其他高速數(shù)控機(jī)床在發(fā)達(dá)國(guó)家已呈普及趨勢(shì),我國(guó)近來(lái)也在加快發(fā)展。

　　1、高速切削加工機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)

　　為了適應(yīng)粗精加工、輕重切削和快速移動(dòng),同時(shí)保證高精度(定位精度±0.005mm),性能良好的機(jī)床是實(shí)現(xiàn)高速切削的關(guān)鍵因素。下圖(a)、(b)所示為高速切削加工中心，其關(guān)鍵技術(shù)有以下幾項(xiàng):

　　(1)高速主軸

　　高速主軸是高速切削加工機(jī)床的核心部件,隨著對(duì)主軸轉(zhuǎn)速要求的不斷提高,傳統(tǒng)的齒輪——皮帶變速傳動(dòng)系統(tǒng)由于本身的振動(dòng)、噪音等原因已不能適應(yīng)要求,取而代之的是一種新穎的功能部件——電主軸,它將主軸電機(jī)與機(jī)床主軸合二為一,實(shí)現(xiàn)了主軸電機(jī)與機(jī)床主軸的一體化。電主軸采用了電子傳感器來(lái)控制溫度,自帶水冷或油冷循環(huán)系統(tǒng),使主軸在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)保持恒溫,一般可控制在20℃～25℃范圍內(nèi)某一設(shè)定溫度,精度為±0.7℃,同時(shí)使用油霧潤(rùn)滑、混合陶瓷軸承等新技術(shù),使主軸免維護(hù)、長(zhǎng)壽命、高精度。 

                                    (a) 

                                   (b)

                           高速切削加工中心圖

　　(2)高速伺服系統(tǒng)

　　為了實(shí)現(xiàn)高速切削加工,機(jī)床不但要有高速主軸,還要有高速的伺服系統(tǒng),這不僅是為了提高生產(chǎn)效率,也是維持高速切削中刀具正常工作的必要條件,否則會(huì)造成刀具的急劇磨損與升溫,破壞工件加工的表面質(zhì)量。

　　①直線(xiàn)電機(jī)伺服系統(tǒng)

　　直線(xiàn)電機(jī)是使電能直接轉(zhuǎn)變成直線(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的一種推力裝置,將機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零,它的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能敏捷、傳動(dòng)剛度高、精度高、加減速度大,行程不受限制、噪音低、成本較高,在加速度大于1g的情況下,是伺服系統(tǒng)的唯一選擇。

　�、跐L珠絲杠驅(qū)動(dòng)裝置

　　滾珠絲杠仍是高速伺服系統(tǒng)的主要驅(qū)動(dòng)裝置,用AC伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng),并采用液壓軸承,進(jìn)給速度可達(dá)4060m/min,其加速度可超過(guò)0.6g,成本較低,僅為直線(xiàn)電機(jī)的1/2.5。

　　(3)高精度快速進(jìn)給系統(tǒng)

　　提高高速切削進(jìn)給速度是提升加工效率所必須的。目前高速切削加工中心的切削進(jìn)給速度一般為20m/s～40m/s。要實(shí)現(xiàn)并準(zhǔn)確控制這樣高的進(jìn)給速度，對(duì)高速切削加工中心導(dǎo)軌、滾珠絲杠、伺服系統(tǒng)、工作臺(tái)結(jié)構(gòu)等提出了新的要求。隨著電機(jī)技術(shù)的發(fā)展,先進(jìn)的直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)問(wèn)世,并成功應(yīng)用于CNC機(jī)床。先進(jìn)的直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)使CNC機(jī)床不再有質(zhì)量慣性、超前、滯后和振動(dòng)等問(wèn)題,加快了伺服響應(yīng)速度,提高了伺服控制精度和機(jī)床加工精度。直線(xiàn)電機(jī)具有很高的加速和減速特性，加速度可達(dá)3g以上，為傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置的10倍～20倍，進(jìn)給速度是傳統(tǒng)的4倍～5倍。

　　(4)高性能控制系統(tǒng)

　　高速切削機(jī)床優(yōu)良的力學(xué)性能,必須通過(guò)它優(yōu)良的控制性能才能夠充分發(fā)揮。高速主軸,高速伺服系統(tǒng)都與控制技術(shù)的發(fā)展密不可分。用于HSC的計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)系統(tǒng)必須具有很高的運(yùn)算速度和精度,以及快速響應(yīng)的伺服控制。HSC機(jī)床的CNC系統(tǒng)在相同一段時(shí)間內(nèi)需要計(jì)算處理的數(shù)據(jù)比普通數(shù)控機(jī)床的CNC系統(tǒng)多得多,就要求前者的計(jì)算處理容量和速度大大提高,其CNC系統(tǒng)的硬件,采用功能強(qiáng)大的個(gè)人計(jì)算機(jī)配置。例如奔騰芯片,64MB內(nèi)存,1～10GB硬盤(pán)等,使程序塊的執(zhí)行時(shí)間降低到30.5μs。在此基礎(chǔ)上配備空間螺旋線(xiàn)、拋物線(xiàn)和樣條插補(bǔ)功能、速度預(yù)控制功能,數(shù)字化自動(dòng)平滑運(yùn)動(dòng)軌跡功能、加速和制動(dòng)時(shí)的急動(dòng)速度監(jiān)控功能等等,使工件加工質(zhì)量在高速切削時(shí)得到明顯改善。相應(yīng)地,伺服系統(tǒng)則發(fā)展為數(shù)字化、智能化和軟件化,使伺服系統(tǒng)與CNC系統(tǒng)在A/D和D/A轉(zhuǎn)換中不會(huì)有丟失或延遲現(xiàn)象,尤其是全數(shù)字交流伺服電機(jī)和控制技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用,該技術(shù)的主要特點(diǎn)為具有優(yōu)異的動(dòng)力學(xué)特征、無(wú)漂移、極高的輪廓精度,從而保證了高進(jìn)給速度加工的要求。

　　2、高速切削加工技術(shù)的特點(diǎn)：

　　(1)高速切削的加工效率高。高速切削加工允許使用較大的進(jìn)給率，比常規(guī)切削加工提高5～10倍，單位時(shí)間材料切除率可提高3～6倍，加工時(shí)間可大大減少。這樣可以用于加工需要大量切除金屬的零件，特別是對(duì)于航空工業(yè)具有十分重要的意義。

　　(2)高速切削的切削力小。和常規(guī)切削相比，高速切削加工時(shí)切削力至少可降低30%，這對(duì)于加工剛性較差的零件來(lái)說(shuō)可減少加工變形，使一些薄壁類(lèi)精細(xì)工件的切削加工成為可能。

　　(3)高速切削的切削熱對(duì)工件的影響小。高速切削加工過(guò)程極為迅速，95%以上的切削熱量極少，零件不會(huì)由于溫升導(dǎo)致翹曲或膨脹變形。高速切削特別適用于加工容易熱變形的零件。對(duì)于加工熔點(diǎn)較低、易氧化的金屬(如鎂)，高速切削有一定意義。 

　　(4)高速切削的加工精度高。因?yàn)楦咚傩�轉(zhuǎn)時(shí)刀具切削的激勵(lì)頻率遠(yuǎn)離工藝系統(tǒng)的受迫振動(dòng)，保證了較好的加工狀態(tài)。由于切削力太小，切削熱影響小，使得刀具、工件變形小，保持了尺寸的精確性，另外也使得刀具工件間的摩擦變小，切削破壞層變薄，殘余應(yīng)力小，實(shí)現(xiàn)了高精度、低粗糙度加工。

　　(5)高速切削使加工工序簡(jiǎn)化。

　　由于高速切削可以達(dá)到很高的加工精度和很低的表面粗糙度，并且在一定的切削條件下，可以對(duì)硬表面進(jìn)行加工，尤其是對(duì)硬度在HRC40～60之間的高硬度進(jìn)行銑削，可以部分取代電火花加工，這一點(diǎn)對(duì)于模具加工具有十分重要的意義。

　　三、高速切削加工技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用

　　高速切削加工技術(shù)所具有的一系列特色和生產(chǎn)效益方面的巨大潛力，早已成為德、美、日等國(guó)競(jìng)相研究的重要技術(shù)領(lǐng)域。如今，美、德、日、法、瑞士、意大利生產(chǎn)的不同規(guī)格的各種商業(yè)化高速機(jī)床已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，應(yīng)用于飛機(jī)、汽車(chē)及模具制造。

　　隨著高速切削加工技術(shù)引進(jìn)模具工業(yè)，對(duì)傳統(tǒng)的模具加工工藝產(chǎn)生了很大的影響，改變了模具加工工藝流程。由于模具型面一般都是十分復(fù)雜的自由曲面，并且硬度很高，采用常規(guī)的切削加工方法難以滿(mǎn)足精度和形狀要求。常規(guī)的加工方法是在退火后進(jìn)行銑削加工，然后進(jìn)行熱處理、磨削或電火花加工，最后手工打磨、拋光，這樣使得加工周期很長(zhǎng)。特別是手工加工時(shí)間，要占整個(gè)加工周期很大一部分。HSC可以達(dá)到模具加工的精度要求，減少甚至取消了手工加工，并且由于新型刀具材料(如PCD、PCBN、金屬陶瓷等)的出現(xiàn)，HSC可以加工硬度達(dá)到HRC60，甚至硬度更高的工件材料，可以加工淬硬后的模具，取代電火花加工和磨削加工。

　　高速銑削加工在模具制造中具有高效高精度以及可加工高硬材料的優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。目前我國(guó)高速切削技術(shù)還停留在較低的水平，機(jī)床所用的切削速度比先進(jìn)工業(yè)國(guó)家低一個(gè)數(shù)量級(jí)，生產(chǎn)效率很低，經(jīng)濟(jì)效益不好。高速切削技術(shù)在模具工業(yè)中的應(yīng)用更是鳳毛麟角，因此大力發(fā)展高速切削，對(duì)我國(guó)的制造業(yè)發(fā)展具有十分重要的意義。

　　高速切削加工技術(shù)引進(jìn)模具工業(yè)，主要應(yīng)用于以下幾個(gè)方面：

　　(1)淬硬模具型腔的直接加工。利用高速切削可加工硬材料的特點(diǎn)直接加工淬硬后的模具型腔，提高了模具加工的質(zhì)量和效率，可取代電火花加工。

　　(2)EDM(電火花)電極加工。應(yīng)用高速切削技術(shù)加工電極對(duì)提高電火花加工效率起到了很大作用。高速切削電極提高了電極的表面質(zhì)量和精度，減少了后續(xù)加工工序。

　　(3)快速樣件制造。利用高速切削加工效率高的特點(diǎn)，可用于加工塑料和鋁合金模型。通過(guò)CAD設(shè)計(jì)后快速生成3D實(shí)體模型，比快速原型制造效率高、質(zhì)量好。

　　(4)模具的快速修復(fù)。模具在使用過(guò)程往往需要修復(fù)，以延長(zhǎng)使用壽命，過(guò)去主要是靠電加工來(lái)完成，現(xiàn)在采用高速加工可以更快地完成該工作，而且可使用原NC程序，無(wú)須重新編制。

　　四、高速切削加工技術(shù)存在的問(wèn)題

　　高速切削加工技術(shù)是切削加工技術(shù)發(fā)展的主要方向之一，它除依賴(lài)于數(shù)控技術(shù)、微電子技術(shù)、新材料和新穎構(gòu)件、CAD/CAM等基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展外，自身亦存在著一系列亟待攻克的技術(shù)問(wèn)題，如刀具磨損嚴(yán)重，高速切削刀具切入切出時(shí)破損問(wèn)題，高速切削用刀具材料價(jià)格昂貴，銑、鏜等回轉(zhuǎn)刀具及主軸需要?jiǎng)悠胶�，刀具夾持要牢靠安全，主軸系統(tǒng)昂貴且壽命短，而且所用高速加工機(jī)床及其控制系統(tǒng)價(jià)格昂貴，使得高速切削的一次性投入較大，這些問(wèn)題制約著高速切削的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

　　五、結(jié)束語(yǔ)

　　高速切削加工技術(shù)是先進(jìn)的制造技術(shù)，有廣闊的應(yīng)用前景。用高速切削加工代替EDM(或大部分代替)是加快模具開(kāi)發(fā)速度，實(shí)現(xiàn)工藝換代的重大舉措。推廣應(yīng)用高速切削加工技術(shù)應(yīng)用于模具制造業(yè)，不但可以大幅度提高機(jī)械加工的效率、質(zhì)量，降低成本，而且可以帶動(dòng)一系列高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，當(dāng)前加強(qiáng)高速切削技術(shù)的基礎(chǔ)研究，建立高速切削數(shù)據(jù)庫(kù)、高速切削安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，提高機(jī)床和工具行業(yè)的開(kāi)發(fā)創(chuàng)新能力，加快高速切削刀具系統(tǒng)、高速切削機(jī)床系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，已是當(dāng)務(wù)之急。