高速銑削的技術(shù)特點(diǎn)及在模具加工行業(yè)的應(yīng)用

一、前言
在現(xiàn)代模具生產(chǎn)中，隨著對(duì)塑件的美觀度及功能要求得越來越高，塑件內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得越來越復(fù)雜，模具的外形設(shè)計(jì)也日趨復(fù)雜，自由曲面所占比例不斷增加，相應(yīng)的模具結(jié)構(gòu)也設(shè)計(jì)得越來越復(fù)雜。這些都對(duì)模具加工技術(shù)提出了更高要求，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(duì)高速加工技術(shù)研究的不斷深入，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(dòng)下，高速加工技術(shù)已越來越多地應(yīng)用于模具型腔的加工與制造中。
    數(shù)控高速切削加工作為模具制造中最為重要的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)，是集高效、優(yōu)質(zhì)、低耗于一身的先進(jìn)制造技術(shù)。相對(duì)于傳統(tǒng)的切削加工，其切削速度、進(jìn)給速度有了很大的提高，而且切削機(jī)理也不相同。高速切削使切削加工發(fā)生了本質(zhì)性的飛躍，其單位功率的金屬切除率提高了30%~40%，切削力降低了30%，刀具的切削壽命提高了70%，留于工件的切削熱大幅度降低，低階切削振動(dòng)幾乎消失。隨著切削速度的提高，單位時(shí)間毛坯材料的去除率增加了，切削時(shí)間減少了，加工效率提高了，從而縮短了產(chǎn)品的制造周期，提高了產(chǎn)品的市場競爭力。同時(shí)，高速加工的小量快進(jìn)使切削力減少了，切屑的高速排出減少了工件的切削力和熱應(yīng)力變形，提高了剛性差和薄壁零件切削加工的可能性。由于切削力的降低，轉(zhuǎn)速的提高使切削系統(tǒng)的工作頻率遠(yuǎn)離機(jī)床的低階固有頻率，而工件的表面粗糙度對(duì)低階頻率最為敏感，由此降低了表面粗糙度。在模具的高淬硬鋼件(HRC45~HRC65)的加工過程中，采用高速切削可以取代電加工和磨削拋光的工序，從而避免了電極的制造和費(fèi)時(shí)的電加工，大幅度減少了鉗工的打磨與拋光量。對(duì)于一些市場上越來越需要的薄壁模具工件，高速銑削也可順利完成，而且在高速銑削CNC加工中心上，模具一次裝夾可完成多工步加工。
    高速加工技術(shù)對(duì)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了廣泛應(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(shí)間，節(jié)約加工成本費(fèi)用近30%，模具表面加工精度可達(dá)1 m，刀具切削效率可提高1倍。
二、高速銑削加工機(jī)床
    高速切削技術(shù)是切削加工技術(shù)的主要發(fā)展方向之一，它隨著CNC技術(shù)、微電子技術(shù)、新材料和新結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展而邁上更高的臺(tái)階。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(duì)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. 高穩(wěn)定性的機(jī)床支撐部件
    高速切削機(jī)床的床身等支撐部件應(yīng)具有很好的動(dòng)、靜剛度，熱剛度和最佳的阻尼特性。大部分機(jī)床都采用高質(zhì)量、高剛性和高抗張性的灰鑄鐵作為支撐部件材料，有的機(jī)床公司還在底座中添加高阻尼特性的聚合物混凝土，以增加其抗振性和熱穩(wěn)定性，這不但可保證機(jī)床精度穩(wěn)定，也可防止切削時(shí)刀具振顫。采用封閉式床身設(shè)計(jì)，整體鑄造床身，對(duì)稱床身結(jié)構(gòu)并配有密布的加強(qiáng)筋等也是提高機(jī)床穩(wěn)定性的重要措施。一些機(jī)床公司的研發(fā)部門在設(shè)計(jì)過程中，還采用模態(tài)分析和有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算等，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，使機(jī)床支撐部件更加穩(wěn)定可靠。 
2. 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10000~100000m/min，主軸功率大于15kW。通過主軸壓縮空氣或冷卻系統(tǒng)控制刀柄和主軸間的軸向間隙不大于0.005mm。還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、熱壓氮化硅（Si3N4）陶瓷軸承磁懸浮軸承式等結(jié)構(gòu)形式。潤滑多采用油氣潤滑、噴射潤滑等技術(shù)。主軸冷卻一般采用主軸內(nèi)部水冷或氣冷。
3. 機(jī)床驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
    為滿足模具高速加工的需要，高速加工機(jī)床的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)具有下列特性：
(1) 高的進(jìn)給速度。研究表明，對(duì)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(dòng)，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。
(2)高的加速度。對(duì)三維復(fù)雜曲面廓形的高速加工要求驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有良好的加速度特性，要求提供高速進(jìn)給的驅(qū)動(dòng)器(快進(jìn)速度約40m/min，3D輪廓加工速度為10m/min)，能夠提供0.4m/s2到10m/s2的加速度和減速度。
    機(jī)床制造商大多采用全閉環(huán)位置伺服控制的小導(dǎo)程、大尺寸、高質(zhì)量的滾珠絲杠或大導(dǎo)程多頭絲杠。隨著電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)的直線電動(dòng)機(jī)已經(jīng)問世，并成功應(yīng)用于CNC機(jī)床。先進(jìn)的直線電動(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。
4. 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(duì)數(shù)控系統(tǒng)的基本要求為：
(1) 高速的數(shù)字控制回路(Digital control loop)，包括：32位或64位并行處理器及1.5Gb以上的硬盤；極短的直線電機(jī)采樣時(shí)間。
(2)速度和加速度的前饋控制(Feed forward control)；數(shù)字驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的爬行控制(Jerk control)。
(3) 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。
(4)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(gè)程序段(如DMG機(jī)床可多達(dá)500個(gè)程序段，Simens系統(tǒng)可達(dá)1000~2000個(gè)程序段)，以便在被加工表面形狀(曲率)發(fā)生變化時(shí)可及時(shí)采取改變進(jìn)給速度等措施以避免過切等。
(5)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(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度的要求也很高。
(6) 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。
5. 冷卻潤滑
    高速加工采用帶涂層的硬質(zhì)合金刀具，在高速、高溫的情況下不用切削液，切削效率更高。這是因?yàn)椋恒娤髦鬏S高速旋轉(zhuǎn)，切削液若要達(dá)到切削區(qū)，首先要克服極大的離心力；即使它克服了離心力進(jìn)入切削區(qū)，也可能由于切削區(qū)的高溫而立即蒸發(fā)，冷卻效果很小甚至沒有；同時(shí)切削液會(huì)使刀具刃部的溫度激烈變化，容易導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，所以要采用油/氣冷卻潤滑的干式切削方式。這種方式可以用高壓氣體迅速吹走切削區(qū)產(chǎn)生的切削，從而將大量的切削熱帶走，同時(shí)經(jīng)霧化的潤滑油可以在刀具刃部和工件表面形成一層極薄的微觀保護(hù)膜，可有效地延長刀具壽命并提高零件的表面質(zhì)量。
三、高速切削加工的刀柄和刀具
    由于高速切削加工時(shí)離心力和振動(dòng)的影響，要求刀具具有很高的幾何精度和裝夾重復(fù)定位精度以及很高的剛度和高速動(dòng)平衡的安全可靠性。由于高速切削加工時(shí)較大的離心力和振動(dòng)等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的7:24錐度刀柄系統(tǒng)在進(jìn)行高速切削時(shí)表現(xiàn)出明顯的剛性不足、重復(fù)定位精度不高、軸向尺寸不穩(wěn)定等缺陷，主軸的膨脹引起刀具及夾緊機(jī)構(gòu)質(zhì)心的偏離，影響刀具的動(dòng)平衡能力。目前應(yīng)用較多的是HSK高速刀柄和國外現(xiàn)今流行的熱脹冷縮緊固式刀柄。熱脹冷縮緊固式刀柄有加熱系統(tǒng)，刀柄一般都采用錐部與主軸端面同時(shí)接觸，其剛性較好，但是刀具可換性較差，一個(gè)刀柄只能安裝一種連接直徑的刀具。由于此類加熱系統(tǒng)比較昂貴，在初期時(shí)采用HSK類的刀柄系統(tǒng)即可。當(dāng)企業(yè)的高速機(jī)床數(shù)量超過3臺(tái)以上時(shí)，采用熱脹冷縮緊固式刀柄比較合適。
    刀具是高速切削加工中最活躍重要的因素之一，它直接影響著加工效率、制造成本和產(chǎn)品的加工精度。刀具在高速加工過程中要承受高溫、高壓、摩擦、沖擊和振動(dòng)等載荷，高速切削刀具應(yīng)具有良好的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性，即具有良好的抗沖擊、耐磨損和抗熱疲勞的特性。高速切削加工的刀具技術(shù)發(fā)展速度很快，應(yīng)用較多的如金剛石(PCD)、立方氮化硼(CBN)、陶瓷刀具、涂層硬質(zhì)合金、(碳)氮化鈦硬質(zhì)合金TIC(N)等。
    在加工鑄鐵和合金鋼的切削刀具中，硬質(zhì)合金是最常用的刀具材料。硬質(zhì)合金刀具耐磨性好，但硬度比立方氮化硼和陶瓷低。為提高硬度和表面光潔度，采用刀具涂層技術(shù)，涂層材料為氮化鈦(TiN)、氮化鋁鈦(TiALN)等。涂層技術(shù)使涂層由單一涂層發(fā)展為多層、多種涂層材料的涂層，已成為提高高速切削能力的關(guān)鍵技術(shù)之一。直徑在10~40mm范圍內(nèi)，且有碳氮化鈦涂層的硬質(zhì)合金刀片能夠加工洛氏硬度小于42的材料，而氮化鈦鋁涂層的刀具能夠加工洛氏硬度為42甚至更高的材料。高速切削鋼材時(shí)，刀具材料應(yīng)選用熱硬性和疲勞強(qiáng)度高的P類硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金、立方氮化硼（CBN）與CBN復(fù)合刀具材料（WBN）等。切削鑄鐵，應(yīng)選用細(xì)晶粒的K類硬質(zhì)合金進(jìn)行粗加工，選用復(fù)合氮化硅陶瓷或聚晶立方氮化硼（PCNB）復(fù)合刀具進(jìn)行精加工。精密加工有色金屬或非金屬材料時(shí)，應(yīng)選用聚晶金剛石PCD或CVD金剛石涂層刀具。選擇切削參數(shù)時(shí)，針對(duì)圓刀片和球頭銑刀，應(yīng)注意有效直徑的概念。高速銑削刀具應(yīng)按動(dòng)平衡設(shè)計(jì)制造。刀具的前角比常規(guī)刀具的前角要小，后角略大。主副切削刃連接處應(yīng)修圓或?qū)Ы牵瑏碓龃蟮都饨�，防止刀尖處熱磨損。應(yīng)加大刀尖附近的切削刃長度和刀具材料體積，提高刀具剛性。在保證安全和滿足加工要求的條件下，刀具懸伸盡可能短，刀體中央韌性要好。刀柄要比刀具直徑粗壯，連接柄呈倒錐狀，以增加其剛性。盡量在刀具及刀具系統(tǒng)中央留有冷卻液孔。球頭立銑刀要考慮有效切削長度，刃口要盡量短，兩螺旋槽球頭立銑刀通常用于粗銑復(fù)雜曲面，四螺旋槽球頭立銑刀通常用于精銑復(fù)雜曲面。