用于模具工業(yè)的高速加工技術(shù)

    本文介紹高速加工技術(shù)的主要特點(diǎn)，論述用於模具工業(yè)的高速機(jī)床、高速刀具和高速CAD/CAM系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)，列舉一些應(yīng)用實(shí)例和使用效果，指出高速加工技術(shù)在模具工業(yè)中廣闊的應(yīng)用前景。 
    模具是制造業(yè)中使用量大、影響面廣的工具產(chǎn)品。沒有型腔模、壓鑄模、鑄模、深拉模和沖壓模，就無法生產(chǎn)出被廣泛應(yīng)用和具有競爭價(jià)格的塑料件、合金壓鑄件、鋼板件和鍛件。在現(xiàn)代批量生產(chǎn)中，沒有高水平的模具，就沒有高質(zhì)量的產(chǎn)品，它對企業(yè)提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本也有重要的作用。據(jù)國外最新統(tǒng)計(jì)分析，金屬零件粗加工的75%、精加工的50%和塑料零件的90%是用模具加工完成的。因此，模具工業(yè)也被稱為“皇冠工業(yè)”。如今，模具制造已成為先進(jìn)制造技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。 
    制造模具的材料通常是一類難加工材料，目前國內(nèi)模具型腔一般都釆用電火花加工（EDM）成型。但電加工的生產(chǎn)效率很低，不論在模具開發(fā)速度方面還是模具制造質(zhì)量方面，都不能滿足現(xiàn)代批量生產(chǎn)的要求。 
    高速加工技術(shù)的出現(xiàn)，為模具制造技術(shù)開辟了一條嶄新的道路。盡可能用高速加工來代替電加工，是加快模具開發(fā)速度、提高模具制造質(zhì)量的必然趨勢。 
    模具高速加工的優(yōu)越性 
    不論是沖壓模具還是塑料模具（包括注射模、擠壓模、吹塑模等），為了提高其使用壽命，構(gòu)成模具型腔的有關(guān)零件一般都用高強(qiáng)度的耐磨材料制造（如各種牌號的合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼和不銹鋼等），這些材料經(jīng)過熱處理後硬度很高，很難用常規(guī)的機(jī)械加工方法進(jìn)行加工。幾十年來，對付這類難加工材料的最好辦法就是釆用特種加工。 
    在中國，模具的型腔加工至今仍然是電火花加工一統(tǒng)天下，電火花加工（包括成形加工和線切割）在模具制造中一直起?十分重要的作用。 
    生產(chǎn)的發(fā)展和產(chǎn)品更新?lián)Q代速度的加快，對模具的生產(chǎn)效率和制造質(zhì)量提出了越來越高的要求，於是電火花加工存在的問題就逐漸暴露出來。從物理本質(zhì)上說，電火花加工是一種靠放電燒蝕的“微切削”工藝，加工過程非常之緩慢；在電火花對工件表面進(jìn)行局部高溫放電燒蝕過程中，工件材料表面的物理-機(jī)械性能會受到一定程度的損傷，常常會在型腔表面產(chǎn)生微細(xì)裂紋，表面粗糙度也達(dá)不到模具的要求，因而經(jīng)過電加工後的型腔類零件一般還要進(jìn)行費(fèi)力、費(fèi)時(shí)的手工研磨和拋光。因此，電火花加工的生產(chǎn)效率很低，制造質(zhì)量不穩(wěn)定，在許多場合，模具已成為影響新產(chǎn)品開發(fā)速度的一個(gè)關(guān)鍵因素。 
    20世紀(jì)90年代以來，在國外模具工業(yè)中開始逐漸應(yīng)用高速切削(HSC)方法進(jìn)行型腔的加工，并且取得了很好的效果。和電火花加工相比，高速加工的主要優(yōu)點(diǎn)是：  
    產(chǎn)品質(zhì)量好—高速切削以高於常規(guī)切速10倍左右的切削速度對零件進(jìn)行高速加工，毛坯材料的馀量還來不及充分變形就在瞬間被切離工件，工件表面的殘馀應(yīng)力非常小；切削過程中產(chǎn)生的絕大多數(shù)熱量（95%以上）被切屑迅速帶走，工件的熱變形��；高速加工過程中，機(jī)床主軸以極高的轉(zhuǎn)速（10000~80000 r/min）運(yùn)轉(zhuǎn)，激振頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)離開了“機(jī)床—刀具—工件”系統(tǒng)的固有頻率範(fàn)圍，零件加工過程平穩(wěn)無沖擊。因此零件的加工精度高，表面質(zhì)量好，粗糙度可達(dá)Ra 0.6μm以上。經(jīng)過高速銑削的型腔，表面質(zhì)量能達(dá)到磨削的水平，故常常可省去後續(xù)的許多精加工工序。 
    生產(chǎn)效率高—用高速加工中心或高速銑床加工模具，可以在工件一次裝夾中，完成型腔的粗、精加工和模具零件其它部位的機(jī)械加工，即所謂“一次過”技術(shù)（One Pass Machining），切削速度很高，加工過程本身的效率比電加工要高出好幾倍。除此以外，它既不要做電極，常常也不需要後續(xù)的手工研磨與拋光，又容易實(shí)現(xiàn)加工過程自動(dòng)化。因此，高速加工技術(shù)的應(yīng)用，使模具的開發(fā)速度大為提高。 
    能加工形狀復(fù)雜的硬質(zhì)零件和薄壁零件—由高速切削機(jī)理可知，高速切削時(shí)，切削力大為減少，切削過程變得比較輕松。高速切削可以加工淬火鋼，材料硬度可高達(dá)60HRC以上，加工過程甚至可以不用切削液，這就是所謂的硬切削（Hard Machining）和乾切削(Dry Machining)。尤其可貴的是，在高速加工中，橫向切削力（Py）很小，這就有利於加工復(fù)雜模具型腔中一些細(xì)筋和薄壁，其壁厚甚至可以小於1mm。圖1所示為高速加工方法加工出的零件，其各個(gè)薄壁的壁厚分別為0.2mm、0.3mm和0.4mm，薄壁高度為20mm。 
    近幾年來，高速加工技術(shù)在國外已廣泛用於模具工業(yè)。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，據(jù)統(tǒng)計(jì)目前有85%左右的模具電火花成形加工工序已被高速加工所替代。高速加工在國際模具制造工藝中的主流地位已經(jīng)確立。原來一些從事電加工設(shè)備制造的著名公司（如瑞士Agie公司），已敏感地看到這一技術(shù)發(fā)展趨勢，為了不被模具設(shè)備巿場淘汰出局，已釆取了與高速機(jī)床制造廠家（如瑞士Mikron）聯(lián)手合并的措施。 
    模具工業(yè)中的高速機(jī)床 
    對模具工業(yè)中使用的高速機(jī)床主要有下列要求：  
    主軸轉(zhuǎn)速高、功率大—為了適應(yīng)模具型腔曲面的高速加工，刀具的半徑應(yīng)小于型腔曲面的最小圓角半徑，以免加工過程中刀具與工件發(fā)生“干涉”（實(shí)際上是過切），所以加工中常用小直徑的球頭銑刀。由于刀具直徑�。�<12mm），因此要求主軸的轉(zhuǎn)速非常高，有的高達(dá)20000-80000 r/min，以便實(shí)現(xiàn)高速切削；型腔的粗、精加工常常在工件一次裝夾中完成，故主軸功率要大，中等尺寸加工中心的主軸功率常為10KW到40KW，有的甚至更高。 
    機(jī)床剛度好—模具材料的強(qiáng)度和硬度都很高，加上常常釆用伸長量較大的小直徑端銑刀加工模具型腔，因此加工過程容易發(fā)生顫振，一般都釆用精度高、剛度大的高速電主軸。為了確保零件的加工精度和表面質(zhì)量，用於模具制造的高速機(jī)床必須有很高的靜、動(dòng)剛度，以提高機(jī)床的定位精度、跟蹤精度和抗振能力。 
    主軸轉(zhuǎn)動(dòng)和工作臺（溜板）直線運(yùn)動(dòng)都要有極高的加速度—主
軸從啟動(dòng)加速到最高轉(zhuǎn)速（一般高于10000 r/min），通常只用1~2秒的時(shí)間。工作臺的加、減速度也從常規(guī)數(shù)控機(jī)床的0.1g?0.2g 提高到1~5g（g為重力加速度，g=9.81m/s²），以便可靠地實(shí)現(xiàn)小圓角半徑曲面的高速加工，并達(dá)到必要的型面幾何精度。在模具制造中，對機(jī)床的進(jìn)給速度則不要求太高，一般有30m/min即可。近年來，矢量控制的變頻調(diào)速永磁式主軸電動(dòng)機(jī)和大推力、大行程直線電動(dòng)機(jī)在高速機(jī)床上的應(yīng)用，為模具制造中廣泛釆用高速加工技術(shù)提供了更加有利的條件。  
    對于一些復(fù)雜模具的制造，可以釆用五軸聯(lián)動(dòng)加工中心。這種機(jī)床除三個(gè)坐標(biāo)的直線運(yùn)動(dòng)外，主軸頭上的刀具還可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。銑頭和工作臺可以實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)，特別適用于加工具有復(fù)雜型腔曲面的模具零件。對于大型復(fù)雜模具，還可釆用龍門式五軸加工中心。 
    瑞士Mikron公司的HSM600U型高速加工中心，機(jī)床加工範(fàn)圍800mm×600mm×5000mm，主軸可選用Step-Tec公司最高轉(zhuǎn)速為30000r/min、36000r/min、42000r/min或60000r/min的高速電主軸，當(dāng)釆用36000r/min電主軸時(shí)，功率為32KW(40%ED)/24KW(100%ED)。主軸用氮化硅（Si3N4）陶瓷球軸承，配以油－氣潤滑。進(jìn)給速度40m/min，加速度1.7g，刀庫容量為15~68把刀，立柱釆用龍門式框架結(jié)構(gòu)，剛度高，特別適用于模具制造。 
    模具制造中的高速刀具 
    在高速切削應(yīng)用于模具工業(yè)的歷程中，刀具的地位舉足輕重。高速切削時(shí)產(chǎn)生的切削熱和對刀具的磨損比普通速度切削時(shí)要高得多，因此高速切削對刀具材料的性能有更高的要求。要求刀具材料：（1）硬度高、強(qiáng)度高、耐磨性好；（2）韌度高、抗沖擊能力強(qiáng)；（3）熱硬性和化學(xué)穩(wěn)定性好，抗熱沖擊能力強(qiáng)。在工程實(shí)際中，同時(shí)滿足這些要求的刀具材料至今還沒有找到。目前，一般都在有較高抗沖擊能力刀具材料的基體上，覆蓋一層或多層具有高熱硬性和高耐磨性的涂層，做成高速刀具。另外，也可將CBN或金剛石等超硬材料燒結(jié)在硬質(zhì)合金或陶瓷材料的基體上，形成綜合性能非常好的高速加工刀具。刀具材料主要根據(jù)工件材料、加工工序、加工精度與表面質(zhì)量的要求來選擇。 
    除了正確選擇刀具材料以外，刀具結(jié)構(gòu)與精度、切削刃的幾何參數(shù)、排屑與斷屑功能、刀具的動(dòng)平衡等對高速切削的生產(chǎn)效率、表面質(zhì)量、刀具壽命等也有很大的影響，必須精心設(shè)計(jì)或選擇。至於刀具和機(jī)床的連接方式，目前在高速加工中已基本上不用傳統(tǒng)的7：24長錐度刀柄，而廣泛釆用錐部與主軸端面同時(shí)接觸的HSK空心刀柄，其錐度為1：10，以確保高速運(yùn)轉(zhuǎn)刀具的安全和軸向加工精度。 
    型腔的粗加工、半精加工和精加工一般釆用球頭銑刀，球頭銑刀的直徑一般從1mm到12mm。最終的精加工應(yīng)盡可能用同一把球頭銑刀連續(xù)完成整個(gè)型面的加工，其直徑應(yīng)小於模具型腔曲面的最小曲率半徑。 
    用球頭銑刀，既可避免和模具型腔幾何曲面發(fā)生干涉，又可避免一般銑刀中心區(qū)的切削速度等于零造成的麻煩。模具零件平面的粗、精加工則可采用帶轉(zhuǎn)位刀片的端銑刀。 
    高速銑削是目前高速切削技術(shù)中應(yīng)用最多的一種工藝技術(shù)，所用的刀具包括端銑刀、立銑刀和球頭銑刀，這類刀具以瑞典Sandvik公司和美國Kennametal公司的產(chǎn)品最為有名，中國也開始生產(chǎn)這類刀具。以往有不少企業(yè)家只重視機(jī)床設(shè)備的投資，卻忽視了與之配套的高速刀具的購置，結(jié)果使高速機(jī)床不能充分發(fā)揮作用，這是認(rèn)識上的一個(gè)誤區(qū)，應(yīng)該予以糾正。 
    CAD/CAM在模具工業(yè)中的應(yīng)用 
    模具制造業(yè)是最早應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)來提高設(shè)計(jì)、制造水平的機(jī)械行業(yè)之一。自從高速加工技術(shù)被引進(jìn)模具工業(yè)以來，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助測量（CAT）、反求工程（RE）、計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）和快速原型制造（RP）等在模具制造中獲得了廣泛而有效的應(yīng)用。下面只簡要介紹高速加工中CAD技術(shù)和CAM技術(shù)的應(yīng)用情況。 
    計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）主要用來解決產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)問題，可完成模具設(shè)計(jì)和產(chǎn)品可裝配性檢查等工作。常用的軟件有UG，Pro/Engineer，Mastercam和Cimatron等，這些軟件都具有模具設(shè)計(jì)開發(fā)功能。運(yùn)用知識工程技術(shù)(KBE)，把模具設(shè)計(jì)的原理、經(jīng)驗(yàn)、技能和規(guī)範(fàn)等結(jié)合到系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)人員只要輸入工況參數(shù)、工程參數(shù)或應(yīng)用要求，系統(tǒng)就能自動(dòng)推理構(gòu)造出符合要求的數(shù)字化幾何模型。有的設(shè)計(jì)軟件（如UG）還具有數(shù)據(jù)讀入、零件建模、縮放控制、自動(dòng)模型布局、分模等功能，通過使用過程模板和標(biāo)準(zhǔn)件庫，把過程向?qū)Ъ夹g(shù)應(yīng)用於模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，使只有最基礎(chǔ)模具設(shè)計(jì)概念的初級設(shè)計(jì)人員也能設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的模具來，大大提高了模具設(shè)計(jì)工作的效率。 
    由于模具的型腔大多由復(fù)雜曲面構(gòu)成，在高速數(shù)控機(jī)床上加工時(shí)，CAM的數(shù)控編程是一項(xiàng)繁重的工作，編程質(zhì)量在很大程度上決定了模具的加工質(zhì)量。影響模具零件編程質(zhì)量的主要因素有：加工工藝路線、刀具類型、切削用量、轉(zhuǎn)角清根的處理以及加工精度與過切的檢查等。高速加工的工藝路線是影響模具制造質(zhì)量的主要因素。以往加工工藝是否合理完全決定于編程人員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，一不小心，常會忽略一些技術(shù)細(xì)節(jié)，如：下刀點(diǎn)不正確、抬刀的安全高度不夠、沒有定義過切檢查面等。如果復(fù)查不嚴(yán)，不及時(shí)糾正，輕者會降低模具制造質(zhì)量，造成工件返工；重者造成工件報(bào)廢，甚至發(fā)生人身設(shè)備事故。 
    在高級CAM軟件的虛擬加工仿真環(huán)境下，這個(gè)問題可以得到很好的解決：在計(jì)算機(jī)上虛構(gòu)出高速數(shù)控機(jī)床的加工環(huán)境，放上一個(gè)預(yù)先做好的“毛坯”，讓“刀具”進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬仿真，其情形就像真實(shí)加工過程一樣。但仿真過程可以隨時(shí)暫停，仿真時(shí)間可以自由控制，以便編程人員進(jìn)行檢查。模擬仿真結(jié)束後，編程人員即可根據(jù)“刀具”運(yùn)行的情況和“工件”加工後的形狀來調(diào)整加工工藝路線。這種虛擬加工技術(shù)，既可減輕編程人員的精神負(fù)擔(dān)，又可保證模具的制造質(zhì)量。釆用高速切削技術(shù)（HSC）和CAD/CAM技術(shù)後，模具的生產(chǎn)周期可縮短約40%。 
    應(yīng)用實(shí)效 
    生產(chǎn)實(shí)踐表明，高速加工技術(shù)在模具制造中有加工精度高、表面質(zhì)量好和生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)。以下舉幾個(gè)典型的應(yīng)用實(shí)例。 
    以用于制造插座的壓鑄模具為例，材料的硬度為54HRC。釆用傳統(tǒng)加工時(shí)的工藝過程是：粗加工—線切割—淬火—EDM成形—拋光，加工總工時(shí)為55h。釆用高速加工時(shí)的工藝過程是：粗加工—淬火—HSC—拋光，加工總工時(shí)僅為14.5h。工效提高近4倍。高速加工後的模具表面質(zhì)量極佳，還可大幅度降低生產(chǎn)成本。 
    另一個(gè)例子是連桿的鍛模，材料硬度為60HRC，原來用電火花加工型腔需15h，電極制作需2h，共計(jì)17h。改用高速硬銑削後，表面粗糙度達(dá)Ra0.5~0.6μm，質(zhì)量完全符合要求，整個(gè)鍛模加工只需200min，工效提高5倍。 
    當(dāng)用直徑為3mm的球頭銑刀對鍛模型面進(jìn)行精銑加工時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)151m/min的切削速度，主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)達(dá)到16000r/min。 
    以生產(chǎn)卡車外殼的大型模具為例，現(xiàn)在釆用高速加工方法制造，粗加工刀具為直徑25.4mm的球頭銑刀，主軸轉(zhuǎn)速9000r/min，進(jìn)給速度5000mm/min；精加工刀具為直徑8mm的球頭銑刀，主軸轉(zhuǎn)速20000r/min，進(jìn)給量2000mm/min，高速銑削後達(dá)到的表面粗糙度為1μm。因此不必再進(jìn)行手工研磨，只用油石拋光。和原來釆用的電加工工藝相比，手工操作時(shí)間減少了40%。 
    在某注塑模的高速加工中，材料硬度為56~58HRC。原來用電加工，每個(gè)零件需時(shí)90min；釆用直徑為12mm球頭銑刀以主軸轉(zhuǎn)速15000r/min、工作臺進(jìn)給1500mm/min進(jìn)行超高速加工后，加工每個(gè)零件只需5min，工效提高18倍。 
    這些實(shí)例說明，高速切削技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用效果是很好的，必須盡快推廣應(yīng)用。 
    發(fā)展前景 
    高速加工的加工精度高、表面質(zhì)量好，生產(chǎn)效率很高，在模具工業(yè)中的應(yīng)用效果非常好，傳統(tǒng)的電加工工藝無法與之匹敵，完全符合現(xiàn)代制造技術(shù)“高效率、高精度和高度自動(dòng)化”的發(fā)展方向，有廣闊的應(yīng)用前景。 
    當(dāng)然，電火花成形加工對一些尖角、窄槽、深小孔和過于復(fù)雜的型腔表面的精密加工還是有用的。高速加工還不能完全代替電火花成形加工，兩者應(yīng)該揚(yáng)長避短，相輔相成。同時(shí)應(yīng)該看到，高速加工的一次性設(shè)備投資比較大，并不是所有模具廠都能承受，而且中國目前還有大量的小型模具廠和電加工作坊存在，短期內(nèi)高速加工對電加工還不會造成太大的威脅。但是應(yīng)該看到，高速加工在發(fā)達(dá)國家模具制造工業(yè)中已處于主流地位，目前更以其巨大的優(yōu)勢，猛烈地沖擊傳統(tǒng)的電加工工藝，模具工業(yè)大規(guī)模設(shè)備更新的時(shí)代即將到來，有遠(yuǎn)見、有實(shí)力的企業(yè)家應(yīng)該首選高速加工這個(gè)當(dāng)今世界模具制造的主流技術(shù)，主動(dòng)迎接新技術(shù)革命的挑戰(zhàn)。