模具高速加工技術(shù)解析

    當(dāng)今企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)集中表現(xiàn)在產(chǎn)品款式、新產(chǎn)品開發(fā)周期及產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模方面。模具作為新產(chǎn)品生產(chǎn)的關(guān)鍵工裝，其設(shè)計(jì)與生產(chǎn)日益成為新產(chǎn)品開發(fā)周期的決定因素。在汽車工業(yè)中，過(guò)去新車型的開發(fā)周期一般為十年，現(xiàn)在縮短為二到三年，福特及豐田新車型的開發(fā)周期僅為一年半，這一切都得益于企業(yè)模具設(shè)計(jì)與制造水平的提高。

    高速加工技術(shù)隨著數(shù)控加工設(shè)備與高性能加工刀具技術(shù)的發(fā)展而日益成熟，極大地提高了模具加工速度，減少了加工工序，縮短甚至消除了耗時(shí)的鉗工修復(fù)工作，從而大大地縮短了模具的生產(chǎn)周期。模具的高速加工技術(shù)逐漸成為我國(guó)模具工業(yè)技術(shù)改造最主要的內(nèi)容之一。什么是高速加工？高速加工與傳統(tǒng)加工在加工工藝上有什么區(qū)別？高速加工對(duì)加工設(shè)備、刀具、夾具及相應(yīng)的CAD/CAM系統(tǒng)提出了什么特殊的要求？高速加工有哪些技術(shù)優(yōu)勢(shì)？這些一直是我國(guó)模具行業(yè)面臨的主要問題。

   英國(guó)Delcam公司是世界上最早致力于高速加工工藝及相應(yīng)CAD/CAM技術(shù)研究的專業(yè)CAD/CAM集成系統(tǒng)開發(fā)商之一。該公司也是世界上唯一擁有大型模具加工車間的CAD/CAM軟件系統(tǒng)開發(fā)商。Delcam公司模具車間自1985年購(gòu)進(jìn)多臺(tái)Briageport VF1000 高速加工中心，又于1995年引進(jìn)行程為6m的Mecof 5軸聯(lián)動(dòng)高速加工中心，以進(jìn)一步加強(qiáng)高速加工工藝及CAM系統(tǒng)的研究。1999年3月又成功地舉辦了歐洲首屆HSM技術(shù)研討會(huì)暨HSM現(xiàn)場(chǎng)加工展示會(huì)，來(lái)自世界各地的100多位專家介紹了各自的經(jīng)驗(yàn)。

    高速加工技術(shù)在我國(guó)剛剛起步，眾多企業(yè)非常關(guān)注高速加工的發(fā)展及在模具行業(yè)的應(yīng)用，以及高速加工的工藝特點(diǎn)，高速加工對(duì)設(shè)備、刀具的特殊要求以及高速加工對(duì)CAD/CAM系統(tǒng)的特殊要求。故將Delcam HSM技術(shù)研討會(huì)暨HSM現(xiàn)場(chǎng)加工展示會(huì)的資料整理成文，希望與我國(guó)從事模具高速加工的工程技術(shù)人員交流。

關(guān)于高速加工的定義

    60多年前，Salomon提出高速加工的概念，并對(duì)高速加工進(jìn)行了深入的研究，其研究成果表明：隨著切削線速度的增加，溫度及刀具磨損會(huì)劇烈增加，當(dāng)切削線速度達(dá)到某臨界值時(shí)，切削溫度及切削力會(huì)減小，后又隨著切削速度的增加而急劇增加。從圖1可看出，以刀具磨損的切削力為限制條件，前一個(gè)低于該值的區(qū)域是傳統(tǒng)加工，后一個(gè)低于該值的區(qū)域?yàn)楦咚偌庸�。由此也可看出，不同材料有不同的加工臨界值，有其高速加工的特定范圍。刀具材料與質(zhì)量是高速加工最主要的限制條件之一，故高速加工不僅決定于主軸速度與刀具直徑，還與所切削的材料、刀具壽命及加工工藝等綜合因素有關(guān)。

    高速加工是緣起自航空鋁合金材料零件的加工，高水平合金涂層刀具的壽命不是主要的限制因素。高速加工主要受設(shè)備主軸速度及材料熔點(diǎn)的限制，一般主軸速度為50000～60000r/min或更高。本文主要關(guān)注塑料模具、壓鑄模具、沖壓模具及鍛模等用的合金模具鋼的高速加工，這種材料的硬度一般超過(guò)洛氏50度，故高速加工的限制因素主要是刀具壽命，而非鋁加工中的主軸速度。對(duì)于小型模具細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的加工，主軸速度可達(dá)40000r/min以上，而大型汽車覆蓋件模具的加工，一般主軸速度12000r/min以上的加工即可稱為高速加工。

高速加工的分類及優(yōu)勢(shì)

    Delcam高速加工的研究表明，高速加工按其目的而言應(yīng)分為兩類，即以實(shí)現(xiàn)單位時(shí)間去除材料量最大為目的的高速加工，和以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量加工表面與細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)為目的的高速加工。任何模具的高速加工都是這兩類技術(shù)的綜合運(yùn)用。相對(duì)而言，后者因極大地減少了鉗工拋光、修復(fù)時(shí)間，減少甚至消除了部分工序，因而大大縮短了模具的生產(chǎn)周期。

與傳統(tǒng)加工方式相比，高速加工（HSM）的優(yōu)勢(shì)如下：

1. 高速加工提高了模具加工的速度

    對(duì)于精加工，從材料去除速度而言，高速加工比一般加工快四倍以上——盡管高速加工采取了非常小的進(jìn)給速度與切深，對(duì)粗加工而言高速加工可理解為45m3/min的切削量。

· 高速加工可獲得高質(zhì)量的加工表面

    因高速加工采取了極小的進(jìn)給量與切深，故可獲得很高的表面質(zhì)量，有時(shí)甚至可以省去鉗工修光的工序，因表面質(zhì)量的提高又省去了修光及點(diǎn)火花等工序所需的時(shí)間。

· 簡(jiǎn)化了加工工序

    傳統(tǒng)銑削加工只能在淬火之前進(jìn)行，因淬火造成的變形必須要經(jīng)手工修整或采用電加工最終成形�，F(xiàn)在則可以通過(guò)高速加工完成，省去了電極材料、電極加工編程及加工，以及電加工過(guò)程所需所有費(fèi)用，而且不會(huì)出現(xiàn)電加工所導(dǎo)致的表面硬化。另外，由于高速加工切削量減少，便可使用更小直徑的刀具對(duì)更小的圓角半徑及模具細(xì)節(jié)進(jìn)行加工，節(jié)省了部分加工或手工修整工藝。減少人工修光時(shí)間及工藝的簡(jiǎn)化對(duì)縮短生產(chǎn)周期的貢獻(xiàn)甚至可超過(guò)高速加工速度提高而產(chǎn)生的價(jià)值。

· 使模具修復(fù)過(guò)程變得更加方便

    模具在使用過(guò)程中往往需要多次修復(fù)，以延長(zhǎng)使用壽命，過(guò)去主要是靠電加工來(lái)完成，如果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)需重新編制，且能做到精確無(wú)誤。

高速加工(HSM)對(duì)機(jī)床及刀具的要求

1. 高速加工對(duì)機(jī)床的要求

o 主軸速度應(yīng)能達(dá)到12000～40000r/min；

o 進(jìn)給速度應(yīng)達(dá)40～60m/min；

o 快速移動(dòng)速度達(dá)90m/min；

o 加速度為1g；

o 高剛性的機(jī)械結(jié)構(gòu)；

o 高穩(wěn)定、高剛度、冷卻良好的高速主軸；

o 精確的熱補(bǔ)償系統(tǒng)；

o 高速處理能力的控制系統(tǒng)（線性插補(bǔ)5-20Microns或NURBS插補(bǔ)功能）；

o 具有預(yù)處理能力的控制系統(tǒng)。

2. 高速加工對(duì)刀具及裝夾的要求

o 刀夾、刀具的加速度小于3g；

o 刀具的徑向跳動(dòng)小于0.015mm；

o 刀長(zhǎng)一般小于刀具直徑的4倍。

高速加工(HSM)對(duì)CAM系統(tǒng)的要求

    高速加工有著不同于傳統(tǒng)加工的特殊的加工工藝要求，而數(shù)控加工的數(shù)控指令包含了所有的工藝過(guò)程，故應(yīng)用于高速加工的數(shù)控自動(dòng)編程系統(tǒng)——CAM系統(tǒng)必須能夠滿足相應(yīng)的特殊要求。

1. CAM系統(tǒng)應(yīng)具有很高的計(jì)算編程速度

    高速加工中采用非常小的進(jìn)給量與切深，故對(duì)NC程序的要求比對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)的NC程序要求要嚴(yán)格得多，要求計(jì)算速度要快且方便、節(jié)約編程時(shí)間等。另外，快的編程速度使操作人員能夠?qū)Χ喾N加工工藝策略進(jìn)行比較，以便采取最佳的工藝方案，并對(duì)刀具軌跡進(jìn)行編輯、優(yōu)化，以達(dá)到最佳的加工效率。

· 全程自動(dòng)防過(guò)切處理能力及自動(dòng)刀柄干涉檢查

    高速加工以高出傳統(tǒng)加工近10倍的切削速度加工，一旦發(fā)生過(guò)切, 其后果不堪設(shè)想，故CAM系統(tǒng)必須具有全程自動(dòng)防過(guò)切處理能力。傳統(tǒng)的曲面CAM系統(tǒng)是局部加工的概念，極容易發(fā)生過(guò)切現(xiàn)象，一般都是靠人工選擇干預(yù)的辦法來(lái)防止，很難保證過(guò)切防護(hù)的安全性，只有通過(guò)新一代的、智能化的、面向?qū)ο蟮腃AM系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)防過(guò)切處理全部由系統(tǒng)自動(dòng)完成，才能真正保證其安全性。

    高速加工的重要特征之一就是能夠使用較小直徑的刀具加工模具的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)能夠自動(dòng)提示最短夾刀長(zhǎng)度并自動(dòng)進(jìn)行刀具干涉檢查，這對(duì)于高速加工非常重要。

· 進(jìn)給率優(yōu)化處理功能

    為了能夠確保最大的切削效率，并保證在高速切削時(shí)加工的安全性，應(yīng)根據(jù)加工瞬時(shí)余量的大小，由CAM系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)進(jìn)給率進(jìn)行優(yōu)化處理。

· 符合高速加工要求的豐富的加工策略

    與傳統(tǒng)方式相比，高速加工對(duì)加工工藝走刀方式有著特殊要求，因而要求CAM系統(tǒng)能夠滿足這些特定的工藝要求：

a. 應(yīng)避免刀具軌跡中走刀方向的突然變化，以避免因局部過(guò)切而造成刀具或設(shè)備的損壞。

b. 應(yīng)保持刀具軌跡的平穩(wěn)，避免突然加速或減速。

c. 下刀或行間過(guò)渡部分最好采用斜式下刀或圓弧下刀，避免垂直下刀直接接近工件材料。

d. 行切的端點(diǎn)采用圓弧連接，避免直線連接。

e. 除非情況必須如此，否則仍應(yīng)避免全力寬切削。

f. 殘余量加工或清根加工是提高加工效率的重要手段，一般應(yīng)采用多次加工或采用系列刀具從大到小分次加工，直至達(dá)到所需尺寸，避免用小刀一次加工完成。

g. 刀具軌跡編輯優(yōu)化功能非常重要，應(yīng)避免多余空刀，可通過(guò)對(duì)刀具軌跡的攝像、復(fù)制、旋轉(zhuǎn)等操作來(lái)避免重復(fù)計(jì)算。

h. 刀具軌跡裁剪修復(fù)功能也很重要，可通過(guò)精確裁剪減少空刀提高效率；也可用于零件局部變化編程，僅需編輯修改邊際，無(wú)需對(duì)整個(gè)模型重新編程。

· 高速加工對(duì)編程人員的要求與編程方式的改變

    采用高速加工設(shè)備之后，對(duì)編程人員的需求量將會(huì)增加，因高速加工工藝要求嚴(yán)格，過(guò)切保護(hù)更加重要，故需多花時(shí)間對(duì)NC指令進(jìn)行仿真檢驗(yàn)。一般而言，高速加工編程時(shí)間比普通加工編程時(shí)間要長(zhǎng)得多，然而卻大大縮短了加工時(shí)間。為了保證高速加工設(shè)備足夠的使用率，需配置更多的CAM人員。

    傳統(tǒng)CAD/CAM中，NC指令的編制是由遠(yuǎn)離加工現(xiàn)場(chǎng)的CAD/CAM工程師來(lái)完成的，因編程與加工地點(diǎn)分離，往往因編程人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)條件及加工工藝不夠清楚而需要對(duì)NC指令進(jìn)行反復(fù)檢驗(yàn)與修改，影響正常使用。隨著CAM系統(tǒng)智能化水平的提高，已經(jīng)出現(xiàn)了新一代獨(dú)立運(yùn)行的智能化的CAM專業(yè)系統(tǒng)，如DELCAM公司的PowerMILL，其主要特點(diǎn)是面向?qū)ο蟮膶?shí)體加工方式，而非傳統(tǒng)的曲面局部加工方式。只需輸入并選擇加工工藝，即可自動(dòng)完成編程操作。編程的復(fù)雜程度與零件的復(fù)雜程度無(wú)關(guān)，只與加工工藝有關(guān)，因而非常易于掌握，只需短時(shí)間培訓(xùn)即可掌握使用。在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，為了充分發(fā)揮NC設(shè)備操作人員的優(yōu)勢(shì)，縮短加工時(shí)間間隔，機(jī)側(cè)編程已經(jīng)成為逐漸流行的發(fā)展趨勢(shì)。