塑料模具的高速加工技術(shù)和加工策略

1 引言

    作為現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)中最重要的共性技術(shù)之一的高速加工技術(shù)代表了切削加工的發(fā)展方向，并逐漸成為切削加工的主流技術(shù)。高速切削中的“高速”是一個相對概念，對于不同的加工方式及工件材料，高速切削時采用的切削速度并不相同。一般來說，高速切削采用的切削速度比常規(guī)切削速度高5～10倍以上。由于高速切削技術(shù)的應(yīng)用可顯著提高加工效率和加工精度、降低切削力、減小切削熱對工件的影響、實(shí)現(xiàn)工序集約化等，因此已在航空航天、模具制造、汽車制造、精密機(jī)械等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

    在現(xiàn)代模具的成形制造中，由于模具的形面設(shè)計(jì)日趨復(fù)雜，自由曲面所占比例不斷增加，因此對模具加工技術(shù)提出了更高要求，即不僅應(yīng)保證高的制造精度和表面質(zhì)量，而且要追求加工表面的美觀。隨著對高速加工技術(shù)的研究不斷深入，尤其在加工機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)、CAD/CAM軟件等相關(guān)技術(shù)不斷發(fā)展的推動下，高速加工技術(shù)已越來越多地應(yīng)用于模具的制造加工。

   高速加工技術(shù)對模具加工工藝產(chǎn)生了巨大影響，改變了傳統(tǒng)模具加工采用的“退火→銑削加工→熱處理→磨削”或“電火花加工→手工打磨、拋光”等復(fù)雜冗長的工藝流程，甚至可用高速切削加工替代原來的全部工序。高速加工技術(shù)除可應(yīng)用于淬硬模具型腔的直接加工(尤其是半精加工和精加工)外，在EDM電極加工、快速樣件制造等方面也得到廣泛應(yīng)用。大量生產(chǎn)實(shí)踐表明，應(yīng)用高速切削技術(shù)可節(jié)省模具后續(xù)加工中約80%的手工研磨時間，節(jié)約加工成本費(fèi)用近30%，模具表面加工精度可達(dá)1μm，刀具切削效率可提高一倍。

2 模具高速加工對加工系統(tǒng)的要求 

    由于模具加工的特殊性以及高速加工技術(shù)的自身特點(diǎn)，對模具高速加工的相關(guān)技術(shù)及工藝系統(tǒng)(加工機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)、刀具等)提出了比傳統(tǒng)模具加工更高的要求。

1) 機(jī)床主軸

    高速機(jī)床的主軸性能是實(shí)現(xiàn)高速切削加工的重要條件。高速切削機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速范圍為10,000～100,000m/min，并要求主軸具有快速升速、在指定位置快速準(zhǔn)停的性能(即具有極高的角加減速度)，因此高速主軸常采用液體靜壓軸承式、空氣靜壓軸承式、磁懸浮軸承式等結(jié)構(gòu)形式。

2) 機(jī)床驅(qū)動系統(tǒng)

    為滿足模具高速加工的需要，加工機(jī)床的驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)具有下列特性：

    a.高的進(jìn)給速度。研究表明，對于小直徑刀具，提高轉(zhuǎn)速和每齒進(jìn)給量有利于降低刀具磨損。目前常用的進(jìn)給速度范圍為20～30m/min，如采用大導(dǎo)程滾珠絲杠傳動，進(jìn)給速度可達(dá)60m/min；采用直線電機(jī)則可使進(jìn)給速度達(dá)到120m/min。

    b.高的加速度。對三維復(fù)雜曲面廓形的高速加工要求驅(qū)動系統(tǒng)具有良好的加速度特性，驅(qū)動系統(tǒng)加速度應(yīng)達(dá)到20～40m/s2。

    c.高的速度增益因子(Velocity gain factor)KV。為達(dá)到較高的三維輪廓動態(tài)精度以及最小的滯后，一般要求速度增益因子KV=20～30(m/min)/mm。

3) 數(shù)控系統(tǒng)

    先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)是保證模具復(fù)雜曲面高速加工質(zhì)量和效率的關(guān)鍵因素，模具高速切削加工對數(shù)控系統(tǒng)的基本要求為：

    a.高速的數(shù)字控制回路(Digital control loop)。包括：32位或64位處理器及1.5Gb以上的硬盤；極短的直線電機(jī)采樣時間(小于500μs)；

    b.速度和加速度的前饋控制(Feed forward control)；數(shù)字驅(qū)動系統(tǒng)的爬行控制(Jerk control)。

    c.先進(jìn)的插補(bǔ)方法(基于NURBS的樣條插補(bǔ))，以獲得良好的表面質(zhì)量、精確的尺寸和高的幾何精度。

    d.預(yù)處理(Look-ahead)功能。要求具有大容量緩沖寄存器，可預(yù)先閱讀和檢查多個程序段(如DMG機(jī)床可多達(dá)500個程序段，Simens系統(tǒng)可達(dá)1000～2000個程序段)，以便在被加工表面形狀(曲率)發(fā)生變化時可及時采取改變進(jìn)給速度等措施以避免過切等。

    e.誤差補(bǔ)償功能。包括因直線電機(jī)、主軸等發(fā)熱導(dǎo)致的熱誤差補(bǔ)償、象限誤差補(bǔ)償、測量系統(tǒng)誤差補(bǔ)償?shù)裙δ堋?

    此外，模具高速切削加工對數(shù)據(jù)傳輸速度的要求也很高。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口如RS232串行口的傳輸速度為19.2kb，而許多先進(jìn)的加工中心均已采用以太局域網(wǎng)(Ethernet)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，速度可達(dá)200kb。

4) 高速切削刀具系統(tǒng)

    高速切削刀具系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢是空心錐部和主軸端面同時接觸的雙定位式刀柄(如德國OTT公司的HSK刀柄、美國Kennametal公司的KM刀柄等)，其軸向定位精度可達(dá)0.001mm。在高速旋轉(zhuǎn)的離心力作用下，刀夾鎖緊更為牢固，其徑向跳動不超過5μm。用于高速切削加工的刀具材料主要有硬質(zhì)合金、陶瓷、金屬陶瓷、立方氮化硼(PCBN)、聚晶金剛石等。為滿足模具高速加工的要求，刀具技術(shù)的發(fā)展主要集中在新型涂層材料與涂層方法的研究、新型刀具結(jié)構(gòu)的開發(fā)等方面。

3 模具高速加工工藝及策略

1) 粗加工

    模具粗加工的主要目標(biāo)是追求單位時間內(nèi)的材料去除率，并為半精加工準(zhǔn)備工件的幾何輪廓。圖1所示為粗加工過程中工件輪廓形狀對刀具載荷的影響。由圖可見，在切削過程中因切削層金屬面積發(fā)生變化，導(dǎo)致刀具承受的載荷發(fā)生變化，使切削過程不穩(wěn)定，刀具磨損速度不均勻，加工表面質(zhì)量下降。目前開發(fā)的許多CAM軟件可通過以下措施保持切削條件恒定，從而獲得良好的加工質(zhì)量。

    粗加工時工件輪廓形狀對刀具載荷的影響 a.恒定的切削載荷。通過計(jì)算獲得恒定的切削層面積和材料去除率，使切削載荷與刀具磨損速率保持均衡，以提高刀具壽命和加工質(zhì)量。

    b.避免突然改變刀具進(jìn)給方向。

    c.避免將刀具埋入工件。如加工模具型腔時，應(yīng)避免刀具垂直插入工件，而應(yīng)采用傾斜下刀方式(常用傾斜角為20°～30°)，最好采用螺旋式下刀以降低刀具載荷；加工模具型芯時，應(yīng)盡量先從工件外部下刀然后水平切入工件。

    d.刀具切入、切出工件時應(yīng)盡可能采用傾斜式(或圓弧式)切入、切出，避免垂直切入、切出。 

    e.采用攀爬式切削(Climb cutting)可降低切削熱，減小刀具受力和加工硬化程度，提高加工質(zhì)量。

2) 半精加工

    模具半精加工的主要目標(biāo)是使工件輪廓形狀平整，表面精加工余量均勻，這對于工具鋼模具尤為重要，因?yàn)樗鼘⒂绊懢�加工時刀具切削層面積的變化及刀具載荷的變化，從而影響切削過程的穩(wěn)定性及精加工表面質(zhì)量。

    粗加工是基于體積模型(Volume model)，精加工則是基于面模型(Surface model)。而以前開發(fā)的CAD/CAM系統(tǒng)對零件的幾何描述是不連續(xù)的，由于沒有描述粗加工后、精加工前加工模型的中間信息，故粗加工表面的剩余加工余量分布及最大剩余加工余量均是未知的。因此應(yīng)對半精加工策略進(jìn)行優(yōu)化以保證半精加工后工件表面具有均勻的剩余加工余量。優(yōu)化過程包括：粗加工后輪廓的計(jì)算、最大剩余加工余量的計(jì)算、最大允許加工余量的確定、對剩余加工余量大于最大允許加工余量的型面分區(qū)(如凹槽、拐角等過渡半徑小于粗加工刀具半徑的區(qū)域)以及半精加工時刀心軌跡的計(jì)算等。

    現(xiàn)有的模具高速加工CAD/CAM軟件大都具備剩余加工余量分析功能，并能根據(jù)剩余加工余量的大小及分布情況采用合理的半精加工策略。如Open Mind公司的Hyper Mill和Hyper Form軟件提供了束狀銑削(Pencil milling)和剩余銑削(Rest milling)等方法來清除粗加工后剩余加工余量較大的角落以保證后續(xù)工序均勻的加工余量。Pro/Engineer軟件的局部銑削(Local milling)具有相似的功能，如局部銑削工序的剩余加工余量取值與粗加工相等，該工序只用一把小直徑銑刀來清除粗加工未切到的角落，然后再進(jìn)行半精加工；如果取局部銑削工序的剩余加工余量值作為半精加工的剩余加工余量，則該工序不僅可清除粗加工未切到的角落，還可完成半精加工。

3) 精加工

    模具的高速精加工策略取決于刀具與工件的接觸點(diǎn)，而刀具與工件的接觸點(diǎn)隨著加工表面的曲面斜率和刀具有效半徑的變化而變化。對于由多個曲面組合而成的復(fù)雜曲面加工(見圖2)，應(yīng)盡可能在一個工序中進(jìn)行連續(xù)加工，而不是對各個曲面分別進(jìn)行加工，以減少抬刀、下刀的次數(shù)。然而由于加工中表面斜率的變化，如果只定義加工的側(cè)吃刀量(Step over)，就可能造成在斜率不同的表面上實(shí)際步距不均勻，從而影響加工質(zhì)量。

    組合曲面的加工 Pro/Engineer解決上述問題的方法是在定義側(cè)吃刀量的同時，再定義加工表面殘留面積高度(Scallop machine)；Hyper Mill則提供了等步距加工(Equidistant machine)方式，可保證走刀路徑間均勻的側(cè)吃刀量，而不受表面斜率及曲率的限制，保證刀具在切削過程中始終承受均勻的載荷。

    一般情況下，精加工曲面的曲率半徑應(yīng)大于刀具半徑的1.5倍，以避免進(jìn)給方向的突然轉(zhuǎn)變。在模具的高速精加工中，在每次切入、切出工件時，進(jìn)給方向的改變應(yīng)盡量采用圓弧或曲線轉(zhuǎn)接，避免采用直線轉(zhuǎn)接，以保持切削過程的平穩(wěn)性。

4) 進(jìn)給速度的優(yōu)化

    目前很多CAM軟件都具有進(jìn)給速度的優(yōu)化調(diào)整功能(如圖3所示)：在半精加工過程中，當(dāng)切削層面積大時降低進(jìn)給速度，而切削層面積小時增大進(jìn)給速度。應(yīng)用進(jìn)給速度的優(yōu)化調(diào)整可使切削過程平穩(wěn)，提高加工表面質(zhì)量。切削層面積的大小完全由CAM軟件自動計(jì)算，進(jìn)給速度的調(diào)整可由用戶根據(jù)加工要求來設(shè)置。

4 結(jié)語

    模具高速加工技術(shù)是多種先進(jìn)加工技術(shù)的集成，不僅涉及到高速加工工藝，而且還包括高速加工機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)、高速切削刀具及CAD/CAM技術(shù)等。模具高速加工技術(shù)目前已在發(fā)達(dá)國家的模具制造業(yè)中普遍應(yīng)用，而在我國的應(yīng)用范圍及應(yīng)用水平仍有待提高，大力發(fā)展和推廣應(yīng)用模具高速加工技術(shù)對促進(jìn)我國模具制造業(yè)整體技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)效益的提高具有重要意義。