用于模具工業(yè)的高速加工技術(shù)

來源：塑膠五金網(wǎng)發(fā)布時(shí)間：2014-06-19 09:46:05點(diǎn)擊率：

　　本文介紹高速加工技術(shù)的主要特點(diǎn)，論述用于模具工業(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著十分重要的作用。

　　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，于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*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：

　　(1)產(chǎn)品質(zhì)量好—高速切削以高于常規(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，工件的熱變形小;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)的固有頻率范圍，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?？墒∪メ崂m(xù)的許多精加工工序。

　　(2)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。

　　(3)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，這就有利于加工復(fù)雜模具型腔中一些細(xì)筋和薄壁，其壁厚甚至可以小于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)在國外已廣泛用于模具工業(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：

　　(1)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。由于刀具直徑小(1~12mm)，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。

　　(2)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，用于模具制造的高速機(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。

　　(3)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*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)床加工范圍800mm×600mm×5000mm，主軸可選用Step-Tec公司轉(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。至于刀具和機(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。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)小于模具型腔曲面的小曲率半徑。

　　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。

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