高速加工技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用
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dgrsjszp 發(fā)布時(shí)間：2010-01-07 14:12:21
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(jìn)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(yàn)準(zhǔn)則可查出不同材料的刀具在切削鋼材時(shí)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(jì)算出需要的主軸轉(zhuǎn)速：進(jìn)給量與刀具的主軸轉(zhuǎn)速有關(guān)，它們的關(guān)系表達(dá)式為F（進(jìn)給量）=單刃進(jìn)給量×刀具刃數(shù)×主軸轉(zhuǎn)速（mm/min）。通常，單刃進(jìn)給量為0.1～0.25mm：每分鐘的切削量=F×A d×Rd（mm3/min）。
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(jìn)給速度、加工速度和切削深度這三個(gè)工藝參數(shù)值不同。高速切削加工采用高進(jìn)給速度和小切削深度（圖2），而數(shù)控加工則采用低進(jìn)給速度和大切削深度（圖3）。另外，高速切削加工對機(jī)床主軸、切削刀具、計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)、伺服進(jìn)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(xì)的紋理，非用電火花加工的以外，一般形狀不太復(fù)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(jìn)行高速加工，其加工效率比EDM高。而實(shí)際上，高速銑削更適合于加工形狀不是很復(fù)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(shí)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)。
- 高速切削加工及其精密性生產(chǎn)實(shí)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(dāng)切屑厚度減小時(shí)，切屑溫度上升，切屑更為碎小。而當(dāng)應(yīng)力和切屑都減小時(shí)，刀具負(fù)載變小，同時(shí)，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(shí)間短、所需的刀具數(shù)少、切削應(yīng)力小、產(chǎn)生切屑量大、加工精度高等特點(diǎn)。一般來說高速加工精度可達(dá)10?m以下，表面粗糙度Ra1?m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(jì)算機(jī)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(fù)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(jìn)給的方式下完成淬硬鋼的精加工，且可達(dá)到很高的模具表面質(zhì)量（Ra0.4?m），效率比常規(guī)方式高出4～6倍，所加工的材料硬度高達(dá)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(jī)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(xué)親和力，具有優(yōu)良的機(jī)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(dá)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(jī)床的要求
- 主軸要求動(dòng)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(shí)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(jī)床機(jī)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(shí)刀具顫振對工件表面質(zhì)量產(chǎn)生不利影響：運(yùn)動(dòng)靈活，以適應(yīng)進(jìn)給軸的快速移動(dòng)：要有高的動(dòng)態(tài)特性，除了高的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度外，還要有高的加/減速度。
- 刀具夾緊技術(shù)應(yīng)采用錐部與主軸端面同時(shí)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(dòng)。
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(yīng)用于高速加工的CAM 編程系統(tǒng)必須具有很高的計(jì)算編程速度，具有全程自動(dòng)過切處理能力及自動(dòng)刀柄干涉檢查功能，具有進(jìn)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(qiáng)的插補(bǔ)功能、“加工殘余分析”功能。
高速加工編程時(shí)應(yīng)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(yīng)采用多次加工或系列刀具從大到小分次加工，直至達(dá)到模具所需尺寸，不應(yīng)用小刀一次加工完成。刀具應(yīng)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(shí)，緩慢地從一個(gè)切削層進(jìn)入另一個(gè)切削層比切出后再突然進(jìn)入另一個(gè)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(jìn)給量和切削線速度的一致性：此外，當(dāng)遇到某處切削深度有可能增加時(shí)，應(yīng)降低進(jìn)給速度，因?yàn)樨?fù)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。
表1
| 工件材料 |
刀具直徑
（mm） |
主軸轉(zhuǎn)速
（r/min） |
進(jìn)給速度
（mm/min） |
| 預(yù)硬鋼～40HRC |
20 |
6000 |
1300 |
| 10 |
12000 |
2500 |
| 硬質(zhì)鋼40～53HRC |
20 |
5000 |
1000 |
| 10 |
9000 |
1800 |
| 硬質(zhì)鋼53～60HRC |
20 |
2000 |
400 |
| 10 |
4000 |
800 | |
表2
| 刀具材料 |
切削速度
（m/min） |
主軸轉(zhuǎn)速
（r/min） |
| V=pDN/1000→N=1000V/（p×D） |
| 硬質(zhì)合金 |
80 |
1250 |
| 有涂層的硬質(zhì)合金 |
160 |
2500 |
| 金剛石涂層的硬質(zhì)合金 |
300 |
4800 | |
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圖2 高速切削方式
圖3 傳統(tǒng)切削方式
圖4 手機(jī)型腔