高速加工技術(shù)在模具制造中的應用

     近年來，高速加工(High Speed Cuting)技術(shù)的發(fā)展迅速，為提高模具制造水平、產(chǎn)品質(zhì)量提供了新的發(fā)展方向。
1 高速加工參數(shù)
    在利用高速加工技術(shù)過程中，典型的高速切削加工參數(shù)有切削速度(指刀具切削處的切削線速度)、進給速度、主軸轉(zhuǎn)速、刀具直徑、切削深度、切削量等(圖1)。一般而言，切削速度依據(jù)被加工模具材料和使用的刀具材料不同而變化，由經(jīng)驗準則可查出不同材料的刀具在切削鋼材時的切削速度的范圍。根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速與刀具的直徑和切削速度關(guān)系式N=V×1000/(p×D)(r/min)計算出需要的主軸轉(zhuǎn)速：進給量與刀具的主軸轉(zhuǎn)速有關(guān)，它們的關(guān)系表達式為F(進給量)=單刃進給量×刀具刃數(shù)×主軸轉(zhuǎn)速(mm/min)。通常，單刃進給量為0.1～0.25mm：每分鐘的切削量=F×A d×Rd(mm3/min)。

V.切削速度 F.進給速度 D.刀具直徑 Ad.切深 Rd.切寬
圖1

2 高速切削加工與常規(guī)加工的比較
    高速切削加工與常規(guī)的數(shù)控加工方法主要區(qū)別在于進給速度、加工速度和切削深度這三個工藝參數(shù)值不同。高速切削加工采用高進給速度和小切削深度(圖2)，而數(shù)控加工則采用低進給速度和大切削深度(圖3)。另外，高速切削加工對機床主軸、切削刀具、計算機數(shù)控系統(tǒng)、伺服進給系統(tǒng)和數(shù)控編程方法的要求與常規(guī)的加工方式不同。過去模具的型腔加工是電火花(EDM)一統(tǒng)天下。但近年來，除了窄縫，深槽以及很細的紋理，非用電火花加工的以外，一般形狀不太復雜的型腔及三維輪廓已能在高剛度的銑床和加工中心上用涂層銑刀進行高速加工，其加工效率比EDM高。而實際上，高速銑削更適合于加工形狀不是很復雜的淺型腔模具，而對于深型腔和具有內(nèi)清角的型腔模具，表面有花紋或圖案的模具加工起來也存在一定的困難。事實上高速銑削和電火花在型腔模具的制造中是相輔相成的，在型腔模制造過程中，采用什么樣的加工方式主要取決于型腔的幾何形狀、材料的硬度和所要求的工藝參數(shù)。

圖2 高速切削方式

圖3 傳統(tǒng)切削方式

    高速切削加工及其精密性生產(chǎn)實踐表明，與傳統(tǒng)切削加工相比，用高速加工容易生產(chǎn)和剪斷切屑，當切屑厚度減小時，切屑溫度上升，切屑更為碎小。而當應力和切屑都減小時，刀具負載變小，同時，由于產(chǎn)生的摩擦熱減少，大量的切削熱量被高速離去的切屑帶走，故模具和刀具的熱變形很小，模具表面沒有變質(zhì)及微裂紋，因而大大改善工件的加工質(zhì)量，并且有效地提高其加工精度。同常規(guī)的加工相比，高速切削加工具有加工循環(huán)時間短、所需的刀具數(shù)少、切削應力小、產(chǎn)生切屑量大、加工精度高等特點。一般來說高速加工精度可達10µm以下，表面粗糙度Ra1µm以下。能有效地減少電加工和拋光工作量。
    刀具壽命在高性能計算機數(shù)控系統(tǒng)的控制下，高速加工工藝能保證刀具在不同速度下工作的負載恒定。再加上刀具每刃的切削量極小，有利于延長刀具使用壽命。
    淬硬模具的加工高速加工可以在高速度、大進給的方式下完成淬硬鋼的精加工，且可達到很高的模具表面質(zhì)量(Ra0.4µm)，效率比常規(guī)方式高出4～6倍，所加工的材料硬度高達62HRC。而且由于高速加工切削量少，提高了加工及其后續(xù)表面光滑度，所以省去了過去機加工和電加工的磨削和拋光工序。
3 高速加工的刀具
    高速切削刀具必須與加工的模具材料有較小的化學親和力，具有優(yōu)良的機械性能和熱穩(wěn)定性，即良好的抗沖擊、耐磨損和抗熱疲勞的特性。目前，陶瓷、立方氮化硼(CBN)、涂層硬質(zhì)合金等刀具均可作為高速切削模具鋼件的刀具材料。如用聚晶方法得到的聚晶立方氮化硼(PCBN)的刀片硬度達3500～4500HV，已成為高速切削淬硬鋼的首選刀具材料。刀具的涂層技術(shù)是提高高速切削能力的關(guān)鍵技術(shù)之一。
4 高速切削加工對機床的要求
    主軸要求動平衡性能好，剛性好，回轉(zhuǎn)精度高，有良好的熱穩(wěn)定性能，能傳遞足夠的力矩和功率，能承受高的離心力，帶有測溫裝置和冷卻裝置。如Makino的A55型高速銑床采用電主軸和主軸貫通內(nèi)冷卻方式實現(xiàn)高速高功率輸出，并使主軸始終保持低于箱體的溫度。
    機床機床必須具有足夠高的剛度和最佳的阻尼特性，以防止切削時刀具顫振對工件表面質(zhì)量產(chǎn)生不利影響：運動靈活，以適應進給軸的快速移動：要有高的動態(tài)特性，除了高的主軸轉(zhuǎn)速和進給速度外，還要有高的加/減速度。
    刀具夾緊技術(shù)應采用錐部與主軸端面同時接觸的雙定位刀柄。如德國的HSK空心刀柄。夾緊裝置使銑刀刀柄與主軸很好地連接在一起必須保證在高速下刀具不發(fā)生竄動。
5 高速加工對CAM軟件的要求
    高速加工有著不同于傳統(tǒng)加工的特殊的加工工藝要求，故應用于高速加工的CAM 編程系統(tǒng)必須具有很高的計算編程速度，具有全程自動過切處理能力及自動刀柄干涉檢查功能，具有進給率優(yōu)化處理功能、待加工軌跡監(jiān)控功能、刀具軌跡編輯優(yōu)化功能、較強的插補功能、“加工殘余分析”功能。
    高速加工編程時應注意，由于殘余量加工或清根加工是提高加工效率的重要手段，一般應采用多次加工或系列刀具從大到小分次加工，直至達到模具所需尺寸，不應用小刀一次加工完成。刀具應緩慢切入工件，下刀或行間過渡部分最好采用斜式下刀或圓弧下刀，不宜垂直下刀直接接近模具材料：同時，緩慢地從一個切削層進入另一個切削層比切出后再突然進入另一個切削層要好：其次，盡可能地保持穩(wěn)定的切削參數(shù)，包括保持切削厚度、進給量和切削線速度的一致性：此外，當遇到某處切削深度有可能增加時，應降低進給速度，因為負載的變化會引起刀具的偏斜，從而降低加工精度、表面質(zhì)量和縮短刀具壽命。這些對高速加工是否成功是至關(guān)重要的。
    值得注意的是，不是所有CAM軟件都能用于高速加工數(shù)控編程。在國外已有一些很成熟的適用于高速加工編程的軟件包，如英國DelCAM公司的PowerMill軟件模塊，還有一些機床廠商專為高速加工開發(fā)的CAM軟件，如Makino公司將它的FFAUT軟件的FF加工模塊集成到美國UGS公司的CAM軟件中。國內(nèi)相關(guān)的軟件有北航海爾華正軟件有限公司開發(fā)的CAXA-ME軟件。
6 高速切削的應用
    在高速加工中，不同工件材料和刀具直徑要求的主軸轉(zhuǎn)速與進給速度不一樣。表1列舉出了采用不同直徑的TiAlN涂層球頭立銑刀粗加工硬度不同的硬質(zhì)鋼時采用的主軸轉(zhuǎn)速和進給速度。
    機床的主軸轉(zhuǎn)速N與刀具材料及切削速度和刀具尺寸有關(guān)。表2列舉了使用直徑為20mm不同材料的立銑刀在采用不同切削速度時所采用的主軸轉(zhuǎn)速。

表1

    以注射模手機型腔模具加工為例，模具材料為HI3，硬度為50HRC，現(xiàn)用日本牧野HYPER5 機床進行加工，該機床主軸最高轉(zhuǎn)速為32000r/min，最大進給速度60000mm/min。粗加工和半精加工時用Ø6mm 球頭立銑刀，精加工時用Ø4mm 球頭立銑刀，總的加工時間41min。各加工階段所采用的加工參數(shù)和所用的加工時間如表3 所示。本例主要說明高速加工能縮短加工時間，提高了加工精度，減少拋光工作量或免去了拋光工序。