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)例和使用效果创倔，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)中使用量大焚碌、影響面廣的工具產(chǎn)品却值。沒(méi)有型腔模、壓鑄模散氧、鑄模私闭、深拉模和沖壓模，就無(wú)法生產(chǎn)出被廣泛應(yīng)用和具有競(jìng)爭(zhēng)價(jià)格的塑料件某现、合金壓鑄件、鋼板件和鍛件颊嘱。在現(xiàn)代批量生產(chǎn)中宋睦，沒(méi)有高水平的模具，就沒(méi)有高質(zhì)量的產(chǎn)品腊拍，它對(duì)企業(yè)提高生產(chǎn)效率琐侣、降低生產(chǎn)成本也有重要的作用。據(jù)國(guó)外最新統(tǒng)計(jì)分析呆淑，金屬零件粗加工的75%汇径、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)”史隆。如今魂务，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泌射，目前國(guó)內(nèi)模具型腔一般都釆用電火花加工(EDM)成型粘姜。但電加工的生產(chǎn)效率很低，不論在模具開(kāi)發(fā)速度方面還是模具制造質(zhì)量方面熔酷，都不能滿足現(xiàn)代批量生產(chǎn)的要求孤紧。

　　高速加工技術(shù)的出現(xiàn)，為模具制造技術(shù)開(kāi)辟了一條嶄新的道路拒秘。盡可能用高速加工來(lái)代替電加工号显，是加快模具開(kāi)發(fā)速度、提高模具制造質(zhì)量的必然趨勢(shì)躺酒。

　　模具高速加工的優(yōu)越性

　　不論是沖壓模具還是塑料模具(包括注射模押蚤、擠壓模、吹塑模等)阴颖，為了提高其使用壽命活喊，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(hào)的合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼和不銹鋼等)孽衩，這些材料經(jīng)過(guò)熱處理後硬度很高箫俯，很難用常規(guī)的機(jī)械加工方法進(jìn)行加工。幾十年來(lái)陌沟，對(duì)付這類難加工材料的最好辦法就是釆用特種加工怕事。

　　在中國(guó)，模具的型腔加工至今仍然是電火花加工一統(tǒng)天下截巢，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旅测。

　　生產(chǎn)的發(fā)展和產(chǎn)品更新?lián)Q代速度的加快，對(duì)模具的生產(chǎn)效率和制造質(zhì)量提出了越來(lái)越高的要求呻蚪，于是電火花加工存在的問(wèn)題就逐漸暴露出來(lái)兆布。從物理本質(zhì)上說(shuō)，電火花加工是一種靠放電燒蝕的“微切削”工藝础姚，加工過(guò)程非常之緩慢佛或；在電火花對(duì)工件表面進(jìn)行局部高溫放電燒蝕過(guò)程中，工件材料表面的物理-機(jī)械性能會(huì)受到一定程度的損傷填恬，常常會(huì)在型腔表面產(chǎn)生微細(xì)裂紋弧跑，表面粗糙度也達(dá)不到模具的要求，因而經(jīng)過(guò)電加工後的型腔類零件一般還要進(jìn)行費(fèi)力擂送、費(fèi)時(shí)的手工研磨和拋光悦荒。因此唯欣，電火花加工的生產(chǎn)效率很低，制造質(zhì)量不穩(wěn)定搬味，在許多場(chǎng)合境氢，模具已成為影響新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度的一個(gè)關(guān)鍵因素。

　　20世紀(jì)90年代以來(lái)身腻，在國(guó)外模具工業(yè)中開(kāi)始逐漸應(yīng)用高速切削(HSC)方法進(jìn)行型腔的加工产还，并且取得了很好的效果。和電火花加工相比嘀趟，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(duì)零件進(jìn)行高速加工脐区，毛坯材料的馀量還來(lái)不及充分變形就在瞬間被切離工件，工件表面的殘馀應(yīng)力非常兴础牛隅；切削過(guò)程中產(chǎn)生的絕大多數(shù)熱量(95%以上)被切屑迅速帶走，工件的熱變形凶锰媒佣；高速加工過(guò)程中，機(jī)床主軸以極高的轉(zhuǎn)速(10000~80000 r/min)運(yùn)轉(zhuǎn)漂烂，激振頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)離開(kāi)了“機(jī)床—刀具—工件”系統(tǒng)的固有頻率范圍据伏，零件加工過(guò)程平穩(wěn)無(wú)沖擊。因此零件的加工精度高束多，表面質(zhì)量好骏庙，粗糙度可達(dá)Ra 0.6μm以上。經(jīng)過(guò)高速銑削的型腔拳股，表面質(zhì)量能達(dá)到磨削的水平辣棉，故常常可省去後續(xù)的許多精加工工序事匈。
　　(2)生產(chǎn)效率高—用高速加工中心或高速銑床加工模具狰赘，可以在工件一次裝夾中，完成型腔的粗址敢、精加工和模具零件其它部位的機(jī)械加工扮人，即所謂“一次過(guò)”技術(shù)(One Pass Machining)，切削速度很高挥闸，加工過(guò)程本身的效率比電加工要高出好幾倍训措。除此以外，它既不要做電極虑啤，常常也不需要後續(xù)的手工研磨與拋光隙弛，又容易實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程自動(dòng)化架馋。因此狞山，高速加工技術(shù)的應(yīng)用全闷，使模具的開(kāi)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)理可知萍启，高速切削時(shí)总珠，切削力大為減少，切削過(guò)程變得比較輕松勘纯。高速切削可以加工淬火鋼局服，材料硬度可高達(dá)60HRC以上，加工過(guò)程甚至可以不用切削液驳遵，這就是所謂的硬切削(Hard Machining)和乾切削(Dry Machining)淫奔。尤其可貴的是，在高速加工中堤结，橫向切削力(Py)很小斜擎，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肢阿。

　　高速加工制造薄壁零件

　　近幾年來(lái)宿闯，高速加工技術(shù)在國(guó)外已廣泛用于模具工業(yè)。在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家甸赏，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危厕。高速加工在國(guó)際模具制造工藝中的主流地位已經(jīng)確立。原來(lái)一些從事電加工設(shè)備制造的著名公司藏崇，已敏感地看到這一技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)稻扔，為了不被模具設(shè)備巿場(chǎng)淘汰出局，已釆取了與高速機(jī)床制造廠家聯(lián)手合并的措施栗衍。

　　模具工業(yè)中的高速機(jī)床

　　對(duì)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)速高熊骆、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)小于型腔曲面的最小圓角半徑丽阎，以免加工過(guò)程中刀具與工件發(fā)生“干涉”(實(shí)際上是過(guò)切)纳倚，所以加工中常用小直徑的球頭銑刀。由于刀具直徑小(1~12mm)谴垫，因此要求主軸的轉(zhuǎn)速非常高章母，有的高達(dá)20000-80000 r/min，以便實(shí)現(xiàn)高速切削翩剪；型腔的粗乳怎、精加工常常在工件一次裝夾中完成，故主軸功率要大前弯，中等尺寸加工中心的主軸功率常為10KW到40KW蚪缀，有的甚至更高。

　　(2)機(jī)床剛度好—模具材料的強(qiáng)度和硬度都很高恕出，加上常常釆用伸長(zhǎng)量較大的小直徑端銑刀加工模具型腔询枚，因此加工過(guò)程容易發(fā)生顫振违帆，一般都釆用精度高、剛度大的高速電主軸金蜀。為了確保零件的加工精度和表面質(zhì)量刷后，用于模具制造的高速機(jī)床必須有很高的靜、動(dòng)剛度渊抄，以提高機(jī)床的定位精度尝胆、跟蹤精度和抗振能力。

　　(3)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)和工作臺(tái)(溜板)直線運(yùn)動(dòng)都要有極高的加速度—主軸從啟動(dòng)加速到最高轉(zhuǎn)速(一般高于10000 r/min)禁妓，通常只用1~2秒的時(shí)間环壳。工作臺(tái)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為重力加速度唧痴，g=9.81m/s2)享秒，以便可靠地實(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压伸。在模具制造中蛆古，對(duì)機(jī)床的進(jìn)給速度則不要求太高，一般有30m/min即可鳞乏。近年來(lái)舔伴，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)用绝绊，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溃柑。

　　對(duì)于一些復(fù)雜模具的制造，可以釆用五軸聯(lián)動(dòng)加工中心收斑。這種機(jī)床除三個(gè)坐標(biāo)的直線運(yùn)動(dòng)外稀境，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(tái)可以實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)据德，特別適用于加工具有復(fù)雜型腔曲面的模具零件鳄乏。對(duì)于大型復(fù)雜模具，還可釆用龍門(mén)式五軸加工中心棘利。

　　模具制造中的高速刀具

　　在高速切削應(yīng)用于模具工業(yè)的歷程中橱野，刀具的地位舉足輕重。高速切削時(shí)產(chǎn)生的切削熱和對(duì)刀具的磨損比普通速度切削時(shí)要高得多善玫，因此高速切削對(duì)刀具材料的性能有更高的要求水援。要求刀具材料：(1)硬度高、強(qiáng)度高茅郎、耐磨性好蜗元；(2)韌度高、抗沖擊能力強(qiáng)；(3)熱硬性和化學(xué)穩(wěn)定性好奕扣，抗熱沖擊能力強(qiáng)劳坑。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(méi)有找到成畦。目前，一般都在有較高抗沖擊能力刀具材料的基體上霉尊，覆蓋一層或多層具有高熱硬性和高耐磨性的涂層堆浴，做成高速刀具。另外督赡，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哭逻，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)工件材料磷可、加工工序躬筐、加工精度與表面質(zhì)量的要求來(lái)選擇。

　　除了正確選擇刀具材料以外荸刁，刀具結(jié)構(gòu)與精度帅忌、切削刃的幾何參數(shù)、排屑與斷屑功能态措、刀具的動(dòng)平衡等對(duì)高速切削的生產(chǎn)效率此幕、表面質(zhì)量、刀具壽命等也有很大的影響桑抱，必須精心設(shè)計(jì)或選擇签缸。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(zhǎng)錐度刀柄左腔，而廣泛釆用錐部與主軸端面同時(shí)接觸的HSK空心刀柄唧垦，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液样。

　　型腔的粗加工振亮、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鞭莽。最終的精加工應(yīng)盡可能用同一把球頭銑刀連續(xù)完成整個(gè)型面的加工双炕，其直徑應(yīng)小于模具型腔曲面的最小曲率半徑。

　　用球頭銑刀撮抓，既可避免和模具型腔幾何曲面發(fā)生干涉妇斤，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。模具零件平面的粗丹拯、精加工則可采用帶轉(zhuǎn)位刀片的端銑刀站超。

　　高速銑削是目前高速切削技術(shù)中應(yīng)用最多的一種工藝技術(shù)，所用的刀具包括端銑刀乖酬、立銑刀和球頭銑刀死相，中國(guó)也開(kāi)始生產(chǎn)這類刀具洪洪。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(gòu)置丘三，結(jié)果使高速機(jī)床不能充分發(fā)揮作用极谚，這是認(rèn)識(shí)上的一個(gè)誤區(qū)，應(yīng)該予以糾正许辖。

　　CAD/CAM在模具工業(yè)中的應(yīng)用

　　模具制造業(yè)是最早應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)提高設(shè)計(jì)疲些、制造水平的機(jī)械行業(yè)之一。自從高速加工技術(shù)被引進(jìn)模具工業(yè)以來(lái)贮猛，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)眷抠、計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量(CAT)、反求工程(RE)闺蜈、計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)漏踊、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)和快速原型制造(RP)等在模具制造中獲得了廣泛而有效的應(yīng)用。下面只簡(jiǎn)要介紹高速加工中CAD技術(shù)和CAM技術(shù)的應(yīng)用情況昵人。

　　計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)主要用來(lái)解決產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)問(wèn)題娱畔，可完成模具設(shè)計(jì)和產(chǎn)品可裝配性檢查等工作。常用的軟件有UG誊酌，Pro/Engineer旨袒，Mastercam和Cimatron等，這些軟件都具有模具設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)功能术辐。運(yùn)用知識(shí)工程技術(shù)(KBE)砚尽，把模具設(shè)計(jì)的原理、經(jīng)驗(yàn)辉词、技能和規(guī)范等結(jié)合到系統(tǒng)中必孤，設(shè)計(jì)人員只要輸入工況參數(shù)、工程參數(shù)或應(yīng)用要求瑞躺，系統(tǒng)就能自動(dòng)推理構(gòu)造出符合要求的數(shù)字化幾何模型敷搪。有的設(shè)計(jì)軟件(如UG)還具有數(shù)據(jù)讀入、零件建模幢哨、縮放控制赡勘、自動(dòng)模型布局、分模等功能捞镰，通過(guò)使用過(guò)程模板和標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)闸与，把過(guò)程向?qū)Ъ夹g(shù)應(yīng)用于模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，使只有最基礎(chǔ)模具設(shè)計(jì)概念的初級(jí)設(shè)計(jì)人員也能設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的模具來(lái)岸售，大大提高了模具設(shè)計(jì)工作的效率喳卢。

　　由于模具的型腔大多由復(fù)雜曲面構(gòu)成，在高速數(shù)控機(jī)床上加工時(shí)，CAM的數(shù)控編程是一項(xiàng)繁重的工作坦妙，編程質(zhì)量在很大程度上決定了模具的加工質(zhì)量涡瀑。影響模具零件編程質(zhì)量的主要因素有：加工工藝路線、刀具類型璃帘、切削用量婉错、轉(zhuǎn)角清根的處理以及加工精度與過(guò)切的檢查等。高速加工的工藝路線是影響模具制造質(zhì)量的主要因素熬魄。以往加工工藝是否合理完全決定于編程人員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)姐药，一不小心，常會(huì)忽略一些技術(shù)細(xì)節(jié)掘写，如：下刀點(diǎn)不正確、抬刀的安全高度不夠厨鸣、沒(méi)有定義過(guò)切檢查面等碘父。如果復(fù)查不嚴(yán)，不及時(shí)糾正续誉，輕者會(huì)降低模具制造質(zhì)量莱没，造成工件返工；重者造成工件報(bào)廢酷鸦，甚至發(fā)生人身設(shè)備事故饰躲。

　　在高級(jí)CAM軟件的虛擬加工仿真環(huán)境下，這個(gè)問(wèn)題可以得到很好的解決：在計(jì)算機(jī)上虛構(gòu)出高速數(shù)控機(jī)床的加工環(huán)境臼隔，放上一個(gè)預(yù)先做好的“毛坯”嘹裂，讓“刀具”進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬仿真，其情形就像真實(shí)加工過(guò)程一樣摔握。但仿真過(guò)程可以隨時(shí)暫停寄狼，仿真時(shí)間可以自由控制，以便編程人員進(jìn)行檢查氨淌。模擬仿真結(jié)束後泊愧，編程人員即可根據(jù)“刀具”運(yùn)行的情況和“工件”加工後的形狀來(lái)調(diào)整加工工藝路線。這種虛擬加工技術(shù)盛正，既可減輕編程人員的精神負(fù)擔(dān)删咱，又可保證模具的制造質(zhì)量。釆用高速切削技術(shù)(HSC)和CAD/CAM技術(shù)後矢骚，模具的生產(chǎn)周期可縮短約40%凭坪。

　　應(yīng)用實(shí)效

　　生產(chǎn)實(shí)踐表明，高速加工技術(shù)在模具制造中有加工精度高县防、表面質(zhì)量好和生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)玛纹。以下舉幾個(gè)典型的應(yīng)用實(shí)例。

　　以用于制造插座的壓鑄模具為例，材料的硬度為54HRC瑞喧。釆用傳統(tǒng)加工時(shí)的工藝過(guò)程是：粗加工—線切割—淬火—EDM成形—拋光斩却，加工總工時(shí)為55h。釆用高速加工時(shí)的工藝過(guò)程是：粗加工—淬火—HSC—拋光藤汇，加工總工時(shí)僅為14.5h召摔。工效提高近4倍。高速加工後的模具表面質(zhì)量極佳蜻肄，還可大幅度降低生產(chǎn)成本际终。

　　另一個(gè)例子是連桿的鍛模，材料硬度為60HRC琴致，原來(lái)用電火花加工型腔需15h誓呆，電極制作需2h，共計(jì)17h样刷。改用高速硬銑削後仑扑，表面粗糙度達(dá)Ra0.5~0.6μm，質(zhì)量完全符合要求置鼻，整個(gè)鍛模加工只需200min镇饮，工效提高5倍。

　　當(dāng)用直徑為3mm的球頭銑刀對(duì)鍛模型面進(jìn)行精銑加工時(shí)箕母，為了實(shí)現(xiàn)151m/min的切削速度储藐，主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)達(dá)到16000r/min。

　　以生產(chǎn)卡車外殼的大型模具為例嘶是，現(xiàn)在釆用高速加工方法制造钙勃，粗加工刀具為直徑25.4mm的球頭銑刀，主軸轉(zhuǎn)速9000r/min聂喇，進(jìn)給速度5000mm/min肺缕；精加工刀具為直徑8mm的球頭銑刀，主軸轉(zhuǎn)速20000r/min授帕，進(jìn)給量2000mm/min同木，高速銑削後達(dá)到的表面粗糙度為1μm。因此不必再進(jìn)行手工研磨嫌寓，只用油石拋光膏逮。和原來(lái)釆用的電加工工藝相比，手工操作時(shí)間減少了40%虎北。

　　在某注塑模的高速加工中琢刮，材料硬度為56~58HRC。原來(lái)用電加工腋尘，每個(gè)零件需時(shí)90min耍烙；釆用直徑為12mm球頭銑刀以主軸轉(zhuǎn)速15000r/min酌峻、工作臺(tái)進(jìn)給1500mm/min進(jìn)行超高速加工後，加工每個(gè)零件只需5min扼希，工效提高18倍坊阎。

　　這些實(shí)例說(shuō)明，高速切削技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用效果是很好的工殖，必須盡快推廣應(yīng)用惶政。

　　發(fā)展前景

　　高速加工的加工精度高、表面質(zhì)量好矮男，生產(chǎn)效率很高移必，在模具工業(yè)中的應(yīng)用效果非常好，傳統(tǒng)的電加工工藝無(wú)法與之匹敵毡鉴，完全符合現(xiàn)代制造技術(shù)“高效率崔泵、高精度和高度自動(dòng)化”的發(fā)展方向，有廣闊的應(yīng)用前景猪瞬。

　　當(dāng)然憎瘸，電火花成形加工對(duì)一些尖角、窄槽撑螺、深小孔和過(guò)于復(fù)雜的型腔表面的精密加工還是有用的含思。高速加工還不能完全代替電火花成形加工崎弃，兩者應(yīng)該揚(yáng)長(zhǎng)避短甘晤，相輔相成。同時(shí)應(yīng)該看到饲做，高速加工的一次性設(shè)備投資比較大线婚，并不是所有模具廠都能承受，而且中國(guó)目前還有大量的小型模具廠和電加工作坊存在盆均，短期內(nèi)高速加工對(duì)電加工還不會(huì)造成太大的威脅塞弊。但是應(yīng)該看到，高速加工在發(fā)達(dá)國(guó)家模具制造工業(yè)中已處于主流地位依堆，目前更以其巨大的優(yōu)勢(shì)耘炭，猛烈地沖擊傳統(tǒng)的電加工工藝，模具工業(yè)大規(guī)模設(shè)備更新的時(shí)代即將到來(lái)驮荚，有遠(yuǎn)見(jiàn)蔼紫、有實(shí)力的企業(yè)家應(yīng)該首選高速加工這個(gè)當(dāng)今世界模具制造的主流技術(shù)，主動(dòng)迎接新技術(shù)革命的挑戰(zhàn)兆送。

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