模具加工的高速切削加工工藝及優(yōu)化

引言

　　近年來(lái)，在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，高速切削加工技術(shù)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。以模具加工為例，大量的高速切削機(jī)床正在逐步取代電加工設(shè)備，對(duì)模具型腔進(jìn)行高效的精密加工。目前，在國(guó)內(nèi)的模具制造加工，主要還是以普通機(jī)加工和電火花加工為主。工藝繁瑣、效率低、周期長(zhǎng)，在當(dāng)今市場(chǎng)上產(chǎn)品更新?lián)Q代日益加快的趨勢(shì)下顯得愈來(lái)愈力不從心。高速切削技術(shù)以其高速、高質(zhì)、能直接加工淬硬鋼的特點(diǎn)，在縮短模具制造周期并降低成本方面有著很光明的應(yīng)用前景。

　　高速切削技術(shù)可以追溯到20世紀(jì)30年代德國(guó)CarlSalomon博士提出的高速切削理論。與傳統(tǒng)切削相比，高速切削具有更高的切削速度和加工效率；并且加工后的表面質(zhì)量高，可直接加工硬度達(dá)50－60HRC的淬硬材料以實(shí)現(xiàn)“以切代磨”。對(duì)比傳統(tǒng)模具加工中的電火花加工，高速切削節(jié)省了電極設(shè)計(jì)加工的過(guò)程，加工精度顯著提高，大幅度減少甚至取消了鉗工的拋光量與打磨配研量，加工效率得到大幅度的提高。有統(tǒng)計(jì)證明：對(duì)于復(fù)雜程度一般的模具，高速切削至少可減少40％的加工周期甚至更多。即使對(duì)于一些形狀特別復(fù)雜(例如帶有深槽、窄縫)的模具型腔面，仍需要采用電火花加工，高速銑削也可幫助獲得更高質(zhì)量的電加工石墨電極。

　　1高速切削中模具表面粗糙度的研究

　　表面粗糙度是模具表面質(zhì)量中一個(gè)很重要的指標(biāo)，高速切削對(duì)表面粗糙度的影響可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)完成，實(shí)驗(yàn)條件：切削材料為模具鋼3Cr2Mo，刀具材料為SG4陶瓷，刀具直徑100mm，主偏角75°，軸向前角和徑向前角都為0°，單刃。實(shí)驗(yàn)通過(guò)改變切削速度、進(jìn)給速度、軸向和徑向切削深度來(lái)觀察對(duì)表面粗糙度的影響。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：隨著切削速度的提高，粗糙度呈減小趨勢(shì)。在速度達(dá)到1000mm/min時(shí)，表面粗糙度達(dá)到最小值，完全達(dá)到磨削的效果。在高速切削過(guò)程中，由于切削速度的增加使得刀具與工件的接觸擠壓時(shí)間縮短，工件的塑性變形減少。高的切削速度也不利于積屑瘤的形成，因此能獲得較好的表面質(zhì)量。另一方面主軸的高轉(zhuǎn)速也使得切削時(shí)機(jī)床的激振頻率很高遠(yuǎn)大于工藝系統(tǒng)的固有頻率，減少了發(fā)生共振的可能性，有利于提高加工精度和表面質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)中切削速度超過(guò)1000mm/min后，Ra又出現(xiàn)上升趨勢(shì)，主要是由于刀具磨削引起的。

　　相對(duì)于切削速度，高速切削中進(jìn)給速度、軸向切深、徑向切深這些參數(shù)的增大會(huì)使得表面粗糙度呈變大的趨勢(shì)。因此由實(shí)驗(yàn)可以得出結(jié)論，實(shí)際高速切削選擇切削用量時(shí)，應(yīng)選擇較高的切削速度，較小的進(jìn)給速度和切深更有利于提高表面粗糙度。

　　2模具高速切削加工工藝

　　2.1切削方式在確定模具加工工藝時(shí)要考慮適應(yīng)高速切削的要求，盡量選用順銑加工，在順銑時(shí)，刀具剛切入工件產(chǎn)生的切屑厚度為最大，隨后逐漸減小。在逆銑時(shí)則剛好相反，所以逆銑中刀具與工件的摩擦更大，在刀刃上產(chǎn)生的熱量要比在順銑時(shí)來(lái)的多，徑向力也大為增加，從而降低了刀具的壽命。

　　2.2進(jìn)刀方式加工模具時(shí)要避免直接垂直向下的進(jìn)刀方式。采用斜線進(jìn)刀或者螺旋進(jìn)刀更適合模具型腔高速加工的需要。斜線進(jìn)刀方式是逐漸加大軸向切深運(yùn)動(dòng)到設(shè)定的軸向切深值，銑削力是逐漸加大的，對(duì)刀具和主軸的沖擊較小，可明顯減少下刀崩刃的現(xiàn)象。螺旋式進(jìn)刀從工件上面開(kāi)始，螺旋向下切入工件。由于采用的連續(xù)加工的方式，可以比較容易的保證加工精度，而且沒(méi)有速度突變，可以用較高的速度進(jìn)行加工。

　　2.3走刀方式高速切削中對(duì)刀具的走刀軌跡的設(shè)置提出了更高的要求，在高速切削中由于切削速度和進(jìn)給速度都很快，如果走刀方式不合理，在切削過(guò)程中就極容易引起切削負(fù)荷的突變，從而給加工帶來(lái)沖擊，破壞加工質(zhì)量，損傷刀具甚至設(shè)備，這種損害要比在普通切削時(shí)嚴(yán)重的多。因此，高速切削中應(yīng)根據(jù)不同的加工對(duì)象以及形狀而選擇相應(yīng)的走刀路徑，不能一味追求高速高效。

　　在模具型腔的加工中，刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡大部分不是簡(jiǎn)單的直線而是曲線運(yùn)動(dòng)，這時(shí)高速運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的慣性影響特別要注意。在切削方向發(fā)生改變時(shí)，使得變化是逐漸而不是突發(fā)的。例如在切削模具型腔拐角處時(shí)，盡量采用圓弧過(guò)渡，使轉(zhuǎn)向變得平穩(wěn)，同時(shí)如果能讓你給配合適當(dāng)降低進(jìn)給速度，效果更好。這樣的設(shè)置可以減少對(duì)系統(tǒng)的沖擊，避免過(guò)切造成刀具或工件的損壞。在型腔拐角傳統(tǒng)的加工方法中，一般是采用直線切削，接近到拐角處時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度減慢，同時(shí)完成進(jìn)給換向。在這期間刀具的運(yùn)動(dòng)是不連續(xù)，間歇的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量摩擦和熱量；把拐角設(shè)置成圓弧過(guò)渡后，數(shù)控機(jī)床的圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)是連續(xù)過(guò)程，就不會(huì)產(chǎn)生刀具的間歇運(yùn)動(dòng)，從而減少了刀具與工件接觸長(zhǎng)度和時(shí)間，避免因過(guò)熱影響到模具的表面質(zhì)量。

　　高速切削中還要保持刀具軌跡的平穩(wěn)，避免急劇的速度變化。因?yàn)橥蝗坏募铀倩驕p速都會(huì)引成切削厚度的瞬間變化，從而導(dǎo)致切削力變化，使加工變得不平穩(wěn)，由此使工件加工質(zhì)量下降�，F(xiàn)代很多CAM軟件都提供了優(yōu)化切削速度的功能，因此要根據(jù)需要選擇適合的切削速度以及加減速的策略，以降低速度變化對(duì)加工的影響。

　　3結(jié)束語(yǔ)

　　采用高速切削于模具型腔加工，可以大大提高模具制造的加工效率，對(duì)于國(guó)內(nèi)的模具行業(yè)有很好的推廣前景。在高速切削實(shí)際應(yīng)用時(shí)，不同于傳統(tǒng)加工，要根據(jù)模具的具體要求和高速切削的特點(diǎn)，選擇合理切削參數(shù)，結(jié)合合適的加工工藝，才能充分發(fā)揮出高速切削加工的優(yōu)勢(shì)。