模具高速切削技术
出处：按学科分类—工业技术 江苏科学技术出版社《模具工实用技术手册第2版》第692页（5836字）
超高速加工技术的出现，为模具制造技术开辟了一条崭新的道路。20世纪90年代以来，国外模具工业开始逐渐采用超高速切削(HSC)方法进行型腔的加工，取得了很好的效果。和电火花加工(EDM)相比，超高速加工具有生产效率高、产品质量好、能加工形状复杂的硬质零件和薄壁零件等主要优点。从而满足了模具用户对交货期、加工精度、使用寿命等各方面的严格要求。
据统计分析，目前在工业发达国家已有85%以上的模具电加工工序被超高速加工所替代，超高速加工在国际模具制造工艺中的主流地位已经确立。一些在模具行业做得很成功的企业正是靠采用了高速切削技术而使自己始终保持行业的领先地位。
HSC技术的应用主要在以下几方面：
①工具钢及铸铁模具的直接加工、特别是半精加工及精加工。
②铜电极、石墨电极的高速加工。
③产品样件及铝制工件的高速加工。
HSC技术的引进，使切削速度和进给速度大幅提高，不仅可缩短模具机加工时间，而且通过合理选择半精加工及精加工参数，可使表面加工质量及刀具寿命都有较大提高。实践证明，应用HSC技术可使后续加工中手工研磨时间节约近80%，成本费用节约近30%，加工表面精度可达1μm，刀具切削效率提高100%。
(一)高速加工机理(表5．4－34)
表5．4－34 高速加工机理
在普通切削加工中，随着切削速度的增加，切削温度随之增加，单位切削力也随之增加，而当切削速度增加到一定临界值时，如再增加，切削温度和切削力反而急剧下降，由此，得出高速加工的概念：所谓高速加工就是指切削速度高于临界速度的切削加工。
(二)模具高速加工设备
1．模具高速加工对加工系统的要求
高速铣削的优点只能在铣削速度大于40000r／min时才能体现出来。设备必须有高进刀速度和加速度，特别是在用小直径铣刀加工模具时更是如此。这些基本条件要求所有机床部件要完全相适应，加上模具加工的特殊性，对模具高速加工的设备就提出了更高的要求。
(1)机床主轴
高速切削机床主轴的转速应在10000r／min～100000r／min范围内，并要求主轴具有快速升速，在指定位置快速准停的性能，因此高速主轴采用液体静压轴承式、空气静压轴承式、磁悬浮轴承式等结构形式。
(2)机床驱动系统，应具有下列特性：
①高的进给速度：常用20m／min～30m／min；如采用大导程滚珠丝杠传动，可达60m／min；采用直线电机可达120m／min。
②高的加速度：应达到20m／s2～40m／s2。
③高的速度增益因子ky：一般要求ky=20m／(min·mm)～30m／(min·mm)。
(3)数控系统基本要求
①具有高速数字控制回路。包括32位或64位处理器及1．5GB以上的硬盘，极短的直线电机采样时间(＜500μs)，速度和加速度的前馈控制；数字驱动系统的爬行控制。
②具有先进的插补方法(基于NURBS的样条插补)。
③具有预处理功能和大容量缓冲寄存器，可预先阅读和检查多个程序段，以便在被加工表面形状发生变化时可及时采取改变进给速度等措施以避免过切等。
④具有误差补偿功能包括热误差补偿、象限误差补偿、测量系统误差补偿等功能。
⑤具有高的数据传输速度若采用大局域网进行数据传输，速度可达200kbit／s。
(4)高速切削刀具系统
刀具材料主要采用硬质合金、陶瓷、金属陶瓷、立方氮化硼、聚晶金刚石等。
刀柄采用空心锥部和主轴端面同时接触的双定位式刀柄，其轴向定位精度可达0．001mm。
在高速旋转的离心力作用下，刀夹锁紧更为牢固，其径向跳动＜5μm。
2．高速加工机床简介
高速加工机床的规格参数包括主轴转速和功率、进给速度和加速度、工作台尺寸、数控系统、刀柄、刀库性能、机床尺寸等。表5．4－35为部分日本和欧洲三轴高速加工机床规格对照表。
表5．4－35 部分日本和欧洲三轴高速加工机床规格对照表
瑞士米克朗(MIKRON)公司是世界着名的精密机床制造商，该公司始终保持在制造五轴联动加工中心方面的世界领先地位，不断推出新型的高速高性能加工中心。图5．4－7所示XSM400系列产品，建立了超高速加工工艺的新标准，使得机床的动态特性尤为突出。其加工优势：切削力小，铣削直径小，可以加工薄壁零件；可以加工不同材料，如62HRC的淬硬钢、铜铝及塑料等；装夹时间短，全自动控制，可获得最佳切削速度和良好的表面质量。另外，该公司还生产UCP系列立卧转换多轴联动加工中心，如图5．4－8所示，立卧自动转换的摆动主轴头与可选的回转或回转／摆动工作台配合，可通过一次装夹实现五轴联动或五面体加工。自动换刀刀库和有效的排屑装置使得停机时间降为最低。
图5．4－7 XSM400超高速加工中心
图5．4－8 UCP系列立卧转换多轴联动加工中心
(三)高速加工的基本工艺要求
为缩短加工时间、延长刀具使用寿命和提高加工质量，在半精加工及精加工中应尽可能满足以下要求：
①采取(3+2)轴加工方式，刀具与加工表面法向夹角为100°～300°，顺向拉铣。在这种方式下，切削过程的工艺性稳定，且能获得较长的刀具寿命。特别是用长刀杆刀具加工深槽时，满足这一要求尤其重要。
②高速切削时每齿进给量尽可能保持稳定。半精加工及精加工，常采用球头铣刀。对半精加工而言，通过优化了的加密的行间距，尽可能为精加工提供均匀的加工余量，这对精加工是十分重要的。精加工中为提高表面加工质量，应在刀具使用寿命允许的前提下，尽量遵循不换刀的原则。由于不同型面过渡区域的圆弧半径通常较小，要求使用的球头铣刀直径等于或小于过渡圆弧半径，这对主轴转速提出了更高的要求。
(四)高速加工策略
1．粗加工
从经济效益角度出发，粗加工的目标是追求单位时间的最大切削量，最终产生接近半精加工的几何轮廓。使用刀具为端面铣刀和平头铣刀以及采用轴加工方式，加工时充分利用主轴的加工功率。图5．4－9所示为粗加工过程中工作轮廓形状对刀具载荷的影响。由图可见，在切削过程中因切削层金属面积发生变化，导致刀具承受的载荷发生变化，使切削过程不稳定，刀具磨损速度不均匀，加工表面质量下降。目前开发的许多CAM软件可通过以下措施保持切削条件恒定，从而获得良好的加工质量。
图5．4－9 粗加工时刀具轮廓形状对刀具载荷的影响
①恒定的切削载荷。通过计算获得恒定的切削层面积和材料去除率，使切削载荷与刀具磨损速率保持均衡，以提高刀具寿命和加工质量。
②避免突然改变刀具进给方向。
③避免将刀具埋入工件。如加工模具型腔时，应避免刀具垂直插入工件，而应采用倾斜下刀方式(常用倾斜角为20°～30°)，最好采用螺旋式下刀以降低刀具载荷；加工模具型芯时，应尽量先从工件外部下刀，然后水平切入工件。
④刀具切入、切出工件时，应尽可能采用倾斜式(或圆弧式)切入、切出，避免垂直切入、切出。
⑤采用攀爬式切削可降低切削热，减小刀具受力和加工硬化程度，提高加工质量。
2．半精加工
半精加工的目的是使粗加工后的棱状轮廓尽量平整化，从而使表面的精加工余量接近均匀，特别是对工具钢模具的加工十分重要。原则上，半精加工应沿着粗加工后的形状轮廓进行铣削，以使切入过程稳定，并减少切削力脉动对刀具磨损的不利影响。另一方面，半精加工时刀具的切削应尽量连续，避免频繁进刀、退刀，加剧对刀具的磨损。
在目前的CAD／CAM系统中，对加工零件的几何描述是不连续的。粗加工是基于体模型(即毛坯)，精加工是基于面模型(即加工表面)。CAD／CAM系统没有中间结果，即没有粗加工后、精加工前型面描述的中间信息。编程人员常常根据粗加工后的刀具轨迹，估计实际存在的剩余加工余量。在实际应用中，为避免阶梯形面上未知处的最大剩余加工余量对刀具的破坏，通常给出较大的理论加工余量，这使得其加工效率降低很多。因此有必要优化半精加工策略，得到加工表面存在的最大剩余加工余量以及剩余加工余量的分布信息，特别要计算凹槽过渡面的剩余加工余量。此区域的过渡半径较小，因粗加工采用较大直径的铣刀而在此区域的剩余加工余量大大高于其他区域，大的加工余量会导致精加工时包绕角的增大，从而产生较大的切削力，破坏了加工过程的稳定性并加剧了刀具磨损。对剩余加工余量大于最大允许加工余量的型面按其值大小分区。
现有的模具高速加工CAD／CAM软件大都具备剩余加工余量分析功能，并能根据剩余加工余量的大小及分布情况采用合理的半精加工策略。如Open Mind公司的Hyper Mill和Hyper Form软件提供了束状铣削和剩余铣削等方法来清除粗加工后剩余加工余量较大的角落以保证后续工序均匀的加工余量。Pro／Engineer软件的局部铣削，具有相似的功能，如局部铣削工序的剩余加工余量取值与粗加工相等，该工序只用一把小直径铣刀来清除粗加工未切到的角落，然后再进行半精加工；如果取局部铣削工序的剩余加工余量值作为半精加工的剩余加工余量，则该工序不仅可清除粗加工未切到的角落，还可完成半精加工。
3．精加工
精加工表面接近均匀的加工余量，能使刀刃的切入过程保持一致，加工表面与理论几何型面的误差减小，同时可获得最好的表面加工质量。精加工中除需对工艺参数进行优化外，还建议采用下面的加工顺序：
①外轮廓加工。
②凸起规范几何体的加工。
③自由型面的加工。
④阶梯层面加工。
⑤平面加工。
⑥凹陷规范几何体的加工。
模具的高速精加工策略取决于刀具与工件的接触点，而刀具与工件的接触点随着加工表面的曲面斜率和刀具有效半径的变化而变化。对于由多个曲面组合而成的复杂曲面加工，应尽可能在一个工序中进行连续加工，而不是对各个曲面分别进行加工，以减少抬刀、下刀的次数。然而由于加工中表面斜率的变化，如果只定义加工的侧吃刀量，就可能造成在斜率不同的表面上实际步距不均匀，从而影响加工质量。
一般情况下，精加工曲面的曲率半径应大于刀具半径的1．5倍，以避免进给方向的突然转变。在模具的高速精加工中，在每次切入、切出工件时，进给方向的改变应尽量采用圆弧或曲线转接，避免采用直线转接，以保持切削过程的平稳性。
4．进给速度优化
目前很多CAM软件都具有进给速度的优化调整功能。如图5．4－10所示，在半精加工过程中，当切削层面积大时降低进给速度，而切削层面积小时则增大进给速度。应用进给速度的优化调整可使切削过程平稳，提高加工表面质量。切削层面积的大小完全由CAM软件自动计算，进给速度的调整可由用户根据加工要求来设置。
图5．4－10 进给速度的优化调整