一罪佳、前言
在現(xiàn)代模具生產(chǎn)中,隨著對塑件的美觀度及功能要求得越來越高,塑件內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計得越來越復(fù)雜,模具的外形設(shè)計也日趨復(fù)雜,自由曲面所占比例不斷增加,相應(yīng)的模具結(jié)構(gòu)也設(shè)計得越來越復(fù)雜杯道。這些都對模具加工技術(shù)提出了更高要求,不僅應(yīng)保證高的制造精度和表面質(zhì)量,而且要追求加工表面的美觀澡绩。隨著對高速加工技術(shù)研究的不斷深入,尤其在加工機床列疗、數(shù)控系統(tǒng)滑蚯、刀具系統(tǒng)、CAD/CAM軟件等相關(guān)技術(shù)不斷發(fā)展的推動下,高速加工技術(shù)已越來越多地應(yīng)用于模具型腔的加工與制造中抵栈。

數(shù)控高速切削加工作為模具制造中最為重要的一項先進制造技術(shù),是集高效告材、優(yōu)質(zhì)、低耗于一身的先進制造技術(shù)竭讳。相對于傳統(tǒng)的切削加工,其切削速度创葡、進給速度有了很大的提高,而且切削機理也不相同浙踢。高速切削使切削加工發(fā)生了本質(zhì)性的飛躍,其單位功率的金屬切除率提高了30%~40%,切削力降低了30%,刀具的切削壽命提高了70%,留于工件的切削熱大幅度降低,低階切削振動幾乎消失绢慢。隨著切削速度的提高,單位時間毛坯材料的去除率增加了,切削時間減少了,加工效率提高了,從而縮短了產(chǎn)品的制造周期,提高了產(chǎn)品的市場競爭力灿渴。同時,高速加工的小量快進使切削力減少了,切屑的高速排出減少了工件的切削力和熱應(yīng)力變形,提高了剛性差和薄壁零件切削加工的可能性。由于切削力的降低,轉(zhuǎn)速的提高使切削系統(tǒng)的工作頻率遠離機床的低階固有頻率,而工件的表面粗糙度對低階頻率最為敏感,由此降低了表面粗糙度胰舆。在模具的高淬硬鋼件(HRC45~HRC65)的加工過程中,采用高速切削可以取代電加工和磨削拋光的工序,從而避免了電極的制造和費時的電加工,大幅度減少了鉗工的打磨與拋光量骚露。對于一些市場上越來越需要的薄壁模具工件,高速銑削也可順利完成,而且在高速銑削CNC加工中心上,模具一次裝夾可完成多工步加工。

高速加工技術(shù)對模具加工工藝產(chǎn)生了巨大影響,改變了傳統(tǒng)模具加工采用的“退火→銑削加工→熱處理→磨削”或“電火花加工→手工打磨缚窿、拋光”等復(fù)雜冗長的工藝流程,甚至可用高速切削加工替代原來的全部工序棘幸。高速加工技術(shù)除可應(yīng)用于淬硬模具型腔的直接加工(尤其是半精加工和精加工)外,在EDM電極加工、快速樣件制造等方面也得到了廣泛應(yīng)用妨舟。大量生產(chǎn)實踐表明,應(yīng)用高速切削技術(shù)可節(jié)省模具后續(xù)加工中約80%的手工研磨時間,節(jié)約加工成本費用近30%,模具表面加工精度可達1m,刀具切削效率可提高1倍问乌。

二、高速銑削加工機床

高速切削技術(shù)是切削加工技術(shù)的主要發(fā)展方向之一,它隨著CNC技術(shù)邦叶、微電子技術(shù)寂齐、新材料和新結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展而邁上更高的臺階。由于模具加工的特殊性以及高速加工技術(shù)的自身特點,對模具高速加工的相關(guān)技術(shù)及工藝系統(tǒng)(加工機床尺笼、數(shù)控系統(tǒng)肃逐、刀具等)提出了比傳統(tǒng)模具加工更高的要求。

1.高穩(wěn)定性的機床支撐部件

高速切削機床的床身等支撐部件應(yīng)具有很好的動林下、靜剛度,熱剛度和最佳的阻尼特性袄肩。大部分機床都采用高質(zhì)量、高剛性和高抗張性的灰鑄鐵作為支撐部件材料,有的機床公司還在底座中添加高阻尼特性的聚合物混凝土,以增加其抗振性和熱穩(wěn)定性,這不但可保證機床精度穩(wěn)定,也可防止切削時刀具振顫腋芜。采用封閉式床身設(shè)計,整體鑄造床身,對稱床身結(jié)構(gòu)并配有密布的加強筋等也是提高機床穩(wěn)定性的重要措施再副。一些機床公司的研發(fā)部門在設(shè)計過程中,還采用模態(tài)分析和有限元結(jié)構(gòu)計算等,優(yōu)化了結(jié)構(gòu),使機床支撐部件更加穩(wěn)定可靠。

2.機床主軸

高速機床的主軸性能是實現(xiàn)高速切削加工的重要條件花炭。高速切削機床主軸的轉(zhuǎn)速范圍為10000~100000m/min,主軸功率大于15kW磺送。通過主軸壓縮空氣或冷卻系統(tǒng)控制刀柄和主軸間的軸向間隙不大于0.005mm。還要求主軸具有快速升速灿意、在指定位置快速準(zhǔn)停的性能(即具有極高的角加減速度),因此高速主軸常采用液體靜壓軸承式估灿、空氣靜壓軸承式、熱壓氮化硅(Si3N4)陶瓷軸承磁懸浮軸承式等結(jié)構(gòu)形式缤剧。潤滑多采用油氣潤滑馅袁、噴射潤滑等技術(shù)。主軸冷卻一般采用主軸內(nèi)部水冷或氣冷荒辕。

3.機床驅(qū)動系統(tǒng)

為滿足模具高速加工的需要,高速加工機床的驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)具有下列特性:

(1)高的進給速度汗销。研究表明,對于小直徑刀具,提高轉(zhuǎn)速和每齒進給量有利于降低刀具磨損。目前常用的進給速度范圍為20~30m/min,如采用大導(dǎo)程滾珠絲杠傳動,進給速度可達60m/min抵窒；采用直線電機則可使進給速度達到120m/min弛针。

(2)高的加速度叠骑。對三維復(fù)雜曲面廓形的高速加工要求驅(qū)動系統(tǒng)具有良好的加速度特性,要求提供高速進給的驅(qū)動器(快進速度約40m/min,3D輪廓加工速度為10m/min),能夠提供0.4m/s2到10m/s2的加速度和減速度。

機床制造商大多采用全閉環(huán)位置伺服控制的小導(dǎo)程削茁、大尺寸宙枷、高質(zhì)量的滾珠絲杠或大導(dǎo)程多頭絲杠。隨著電機技術(shù)的發(fā)展,先進的直線電動機已經(jīng)問世,并成功應(yīng)用于CNC機床茧跋。先進的直線電動機驅(qū)動使CNC機床不再有質(zhì)量慣性昏个、超前、滯后和振動等問題,加快了伺服響應(yīng)速度,提高了伺服控制精度和機床加工精度捉肄。

4.數(shù)控系統(tǒng)

先進的數(shù)控系統(tǒng)是保證模具復(fù)雜曲面高速加工質(zhì)量和效率的關(guān)鍵因素,模具高速切削加工對數(shù)控系統(tǒng)的基本要求為:

(1)高速的數(shù)字控制回路(Digitalcontrolloop),包括:32位或64位并行處理器及1.5Gb以上的硬盤乃屈；極短的直線電機采樣時間。

(2)速度和加速度的前饋控制(Feedforwardcontrol)常苍；數(shù)字驅(qū)動系統(tǒng)的爬行控制(Jerkcontrol)兼英。

(3)先進的插補方法(基于NURBS的樣條插補),以獲得良好的表面質(zhì)量、精確的尺寸和高的幾何精度鸵丸。

(4)預(yù)處理(Look-ahead)功能喳牌。要求具有大容量緩沖寄存器,可預(yù)先閱讀和檢查多個程序段(如DMG機床可多達500個程序段,Simens系統(tǒng)可達1000~2000個程序段),以便在被加工表面形狀(曲率)發(fā)生變化時可及時采取改變進給速度等措施以避免過切等。

(5)誤差補償功能,包括因直線電機瞄惑、主軸等發(fā)熱導(dǎo)致的熱誤差補償棺厚、象限誤差補償、測量系統(tǒng)誤差補償?shù)裙δ芾扉埂４送?模具高速切削加工對數(shù)據(jù)傳輸速度的要求也很高离钱。

(6)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口,如RS232串行口的傳輸速度為19.2kb,而許多先進的加工中心均已采用以太局域網(wǎng)(Ethernet)進行數(shù)據(jù)傳輸,速度可達200kb。

5.冷卻潤滑

高速加工采用帶涂層的硬質(zhì)合金刀具,在高速链患、高溫的情況下不用切削液,切削效率更高巧鸭。這是因為:銑削主軸高速旋轉(zhuǎn),切削液若要達到切削區(qū),首先要克服極大的離心力；即使它克服了離心力進入切削區(qū),也可能由于切削區(qū)的高溫而立即蒸發(fā),冷卻效果很小甚至沒有麻捻；同時切削液會使刀具刃部的溫度激烈變化,容易導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生,所以要采用油/氣冷卻潤滑的干式切削方式纲仍。這種方式可以用高壓氣體迅速吹走切削區(qū)產(chǎn)生的切削,從而將大量的切削熱帶走,同時經(jīng)霧化的潤滑油可以在刀具刃部和工件表面形成一層極薄的微觀保護膜,可有效地延長刀具壽命并提高零件的表面質(zhì)量。

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