1 引言

　　作為現(xiàn)代先進制造技術(shù)中最重要的共性技術(shù)之一的高速加工技術(shù)代表了切削加工的發(fā)展方向，并逐漸成為切削加工的主流技術(shù)淆衷。高速切削中的“高速”是一個相對概念捂贿，對于不同的加工方式及工件材料，高速切削時采用的切削速度并不相同榕酒。一般來說胚膊，高速切削采用的切削速度比常規(guī)切削速度高5～10倍以上。由于高速切削技術(shù)的應(yīng)用可顯著提高加工效率和加工精度想鹰、降低切削力紊婉、減小切削熱對工件的影響、實現(xiàn)工序集約化等辑舷，因此已在航空航天喻犁、模具制造、汽車制造何缓、精密機械等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用肢础，并取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟效益。

　　在現(xiàn)代模具的成形制造中，由于模具的形面設(shè)計日趨復(fù)雜埂体，自由曲面所占比例不斷增加氓暖，因此對模具加工技術(shù)提出了更高要求，即不僅應(yīng)保證高的制造精度和表面質(zhì)量洛续，而且要追求加工表面的美觀账姜。隨著對高速加工技術(shù)的研究不斷深入，尤其在加工機床绞宿、數(shù)控系統(tǒng)插涛、刀具系統(tǒng)、CAD/CAM軟件等相關(guān)技術(shù)不斷發(fā)展的推動下鞋伸，高速加工技術(shù)已越來越多地應(yīng)用于模具的制造加工叉弱。

　　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→手工打磨艰欲、拋光”等復(fù)雜冗長的工藝流程庐冤，甚至可用高速切削加工替代原來的全部工序。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)外牡鸥，在EDM電極加工叁巨、快速樣件制造等方面也得到廣泛應(yīng)用斑匪。大量生產(chǎn)實踐表明呐籽，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%蚀瘸，模具表面加工精度可達(dá)1μm狡蝶，刀具切削效率可提高一倍。

　　2 模具高速加工對加工系統(tǒng)的要求

　　由于模具加工的特殊性以及高速加工技術(shù)的自身特點贮勃，對模具高速加工的相關(guān)技術(shù)及工藝系統(tǒng)(加工機床贪惹、數(shù)控系統(tǒng)、刀具等)提出了比傳統(tǒng)模具加工更高的要求寂嘉。

　　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奏瞬。高速切削機床主軸的轉(zhuǎn)速范圍為10,000～100,000m/min，并要求主軸具有快速升速泉孩、在指定位置快速準(zhǔn)停的性能(即具有極高的角加減速度)硼端，因此高速主軸常采用液體靜壓軸承式、空氣靜壓軸承式寓搬、磁懸浮軸承式等結(jié)構(gòu)形式珍昨。

　　機床驅(qū)動系統(tǒng)

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

　　高的進給速度盲妈。研究表明问锋，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棠蹬。目前常用的進給速度范圍為20～30m/min描琉，如采用大導(dǎo)程滾珠絲杠傳動躯琐，進給速度可達(dá)60m/min；采用直線電機則可使進給速度達(dá)到120m/min穴厅。

　　高的加速度铜朗。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，驅(qū)動系統(tǒng)加速度應(yīng)達(dá)到20～40m/s2谒娩。

　　高的速度增益因子(Velocity gain factor)KV嗅桑。為達(dá)到較高的三維輪廓動態(tài)精度以及最小的滯后，一般要求速度增益因子KV=20～30(m/min)/mm嵌障。

　　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)鍵因素放余，模具高速切削加工對數(shù)控系統(tǒng)的基本要求為：

　　高速的數(shù)字控制回路(Digital control loop)。包括：32位或64位處理器及1.5Gb以上的硬盤畦盏；極短的直線電機采樣時間(<500μs)征炼；速度和加速度的前饋控制(Feed forward control)；數(shù)字驅(qū)動系統(tǒng)的爬行控制(Jerk control)躬贡。
先進的插補方法(基于NURBS的樣條插補)谆奥，以獲得良好的表面質(zhì)量、精確的尺寸和高的幾何精度拂玻。

　　預(yù)處理(Look-ahead)功能酸些。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(dá)500個程序段檐蚜，Simens系統(tǒng)可達(dá)1000～2000個程序段)魄懂，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。

　　誤差補償功能闯第。包括因直線電機市栗、主軸等發(fā)熱導(dǎo)致的熱誤差補償、象限誤差補償咳短、測量系統(tǒng)誤差補償?shù)裙δ堋?/p>

　　此外填帽，模具高速切削加工對數(shù)據(jù)傳輸速度的要求也很高。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口如RS232串行口的傳輸速度為19.2kb咙好，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)傳輸蔗须，速度可達(dá)200kb。

　　高速切削刀具系統(tǒng)

　　高速切削刀具系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢是空心錐部和主軸端面同時接觸的雙定位式刀柄(如德國OTT公司的HSK刀柄予裳、美國Kennametal公司的KM刀柄等)澈渠，其軸向定位精度可達(dá)0.001mm。在高速旋轉(zhuǎn)的離心力作用下芙继，刀夾鎖緊更為牢固坞鲁，其徑向跳動不超過5μm。用于高速切削加工的刀具材料主要有硬質(zhì)合金、陶瓷萄撇、金屬陶瓷圈烘、立方氮化硼(PCBN)、聚晶金剛石等该眨。為滿足模具高速加工的要求筋氮，刀具技術(shù)的發(fā)展主要集中在新型涂層材料與涂層方法的研究、新型刀具結(jié)構(gòu)的開發(fā)等方面兢糯。

　　3 模具高速加工工藝及策略

　　粗加工

　　模具粗加工的主要目標(biāo)是追求單位時間內(nèi)的材料去除率心唆，并為半精加工準(zhǔn)備工件的幾何輪廓。為粗加工過程中工件輪廓形狀對刀具載荷的影響勘天。在切削過程中因切削層金屬面積發(fā)生變化怔揩，導(dǎo)致刀具承受的載荷發(fā)生變化，使切削過程不穩(wěn)定脯丝，刀具磨損速度不均勻商膊，加工表面質(zhì)量下降。目前開發(fā)的許多CAM軟件可通過以下措施保持切削條件恒定宠进，從而獲得良好的加工質(zhì)量晕拆。

　　恒定的切削載荷。通過計算獲得恒定的切削層面積和材料去除率材蹬，使切削載荷與刀具磨損速率保持均衡实幕，以提高刀具壽命和加工質(zhì)量。

　　避免突然改變刀具進給方向赚导。

　　避免將刀具埋入工件茬缩。如加工模具型腔時，應(yīng)避免刀具垂直插入工件吼旧，而應(yīng)采用傾斜下刀方式(常用傾斜角為20°～30°)，最好采用螺旋式下刀以降低刀具載荷未舟；加工模具型芯時嘶款，應(yīng)盡量先從工件外部下刀然后水平切入工件。

　　刀具切入少烙、切出工件時應(yīng)盡可能采用傾斜式(或圓弧式)切入居删、切出，避免垂直切入尸褪、切出榄兑。

　　采用攀爬式切削(Climb cutting)可降低切削熱，減小刀具受力和加工硬化程度线区，提高加工質(zhì)量马窘。

　　半精加工

　　模具半精加工的主要目標(biāo)是使工件輪廓形狀平整，表面精加工余量均勻，這對于工具鋼模具尤為重要寡专，因為它將影響精加工時刀具切削層面積的變化及刀具載荷的變化存睬，從而影響切削過程的穩(wěn)定性及精加工表面質(zhì)量。

　　粗加工是基于體積模型(Volume model)茧伍，精加工則是基于面模型(Surface model)栽逸。而以前開發(fā)的CAD/CAM系統(tǒng)對零件的幾何描述是不連續(xù)的，由于沒有描述粗加工后咽安、精加工前加工模型的中間信息伴网，故粗加工表面的剩余加工余量分布及最大剩余加工余量均是未知的。因此應(yīng)對半精加工策略進行優(yōu)化以保證半精加工后工件表面具有均勻的剩余加工余量妆棒。優(yōu)化過程包括：粗加工后輪廓的計算是偷、最大剩余加工余量的計算、最大允許加工余量的確定募逞、對剩余加工余量大于最大允許加工余量的型面分區(qū)(如凹槽蛋铆、拐角等過渡半徑小于粗加工刀具半徑的區(qū)域)以及半精加工時刀心軌跡的計算等。

　　現(xiàn)有的模具高速加工CAD/CAM軟件大都具備剩余加工余量分析功能放接，并能根據(jù)剩余加工余量的大小及分布情況采用合理的半精加工策略刺啦。如Open Mind公司的Hyper Mill和Hyper Form軟件提供了束狀銑削(Pencil milling)和剩余銑削(Rest milling)等方法來清除粗加工后剩余加工余量較大的角落以保證后續(xù)工序均勻的加工余量。Pro/Engineer軟件的局部銑削(Local milling)具有相似的功能纠脾，如局部銑削工序的剩余加工余量取值與粗加工相等玛瘸，該工序只用一把小直徑銑刀來清除粗加工未切到的角落，然后再進行半精加工苟蹈；如果取局部銑削工序的剩余加工余量值作為半精加工的剩余加工余量糊渊，則該工序不僅可清除粗加工未切到的角落，還可完成半精加工垫暑。

　　精加工

　　模具的高速精加工策略取決于刀具與工件的接觸點舆骚，而刀具與工件的接觸點隨著加工表面的曲面斜率和刀具有效半徑的變化而變化。對于由多個曲面組合而成的復(fù)雜曲面加工蔚分，應(yīng)盡可能在一個工序中進行連續(xù)加工悉歼，而不是對各個曲面分別進行加工，以減少抬刀碟舱、下刀的次數(shù)洁操。然而由于加工中表面斜率的變化，如果只定義加工的側(cè)吃刀量(Step over)俗循，就可能造成在斜率不同的表面上實際步距不均勻蛋揖，從而影響加工質(zhì)量。

　　Pro/Engineer解決上述問題的方法是在定義側(cè)吃刀量的同時诀汁，再定義加工表面殘留面積高度(Scallop machine)溶孽；Hyper Mill則提供了等步距加工(Equidistant machine)方式趴贝，可保證走刀路徑間均勻的側(cè)吃刀量，而不受表面斜率及曲率的限制合弥，保證刀具在切削過程中始終承受均勻的載荷茉唉。

　　一般情況下，精加工曲面的曲率半徑應(yīng)大于刀具半徑的1.5倍结执，以避免進給方向的突然轉(zhuǎn)變度陆。在模具的高速精加工中，在每次切入献幔、切出工件時懂傀，進給方向的改變應(yīng)盡量采用圓弧或曲線轉(zhuǎn)接，避免采用直線轉(zhuǎn)接蜡感，以保持切削過程的平穩(wěn)性蹬蚁。

　　進給速度的優(yōu)化

　　目前很多CAM軟件都具有進給速度的優(yōu)化調(diào)整功能：在半精加工過程中，當(dāng)切削層面積大時降低進給速度郑兴，而切削層面積小時增大進給速度犀斋。應(yīng)用進給速度的優(yōu)化調(diào)整可使切削過程平穩(wěn)，提高加工表面質(zhì)量情连。切削層面積的大小完全由CAM軟件自動計算叽粹，進給速度的調(diào)整可由用戶根據(jù)加工要求來設(shè)置。

　　4 結(jié)語

　　模具高速加工技術(shù)是多種先進加工技術(shù)的集成却舀，不僅涉及到高速加工工藝盼饼，而且還包括高速加工機床、數(shù)控系統(tǒng)了灾、高速切削刀具及CAD/CAM技術(shù)等豺啦。模具高速加工技術(shù)目前已在發(fā)達(dá)國家的模具制造業(yè)中普遍應(yīng)用，而在我國的應(yīng)用范圍及應(yīng)用水平仍有待提高胖直，大力發(fā)展和推廣應(yīng)用模具高速加工技術(shù)對促進我國模具制造業(yè)整體技術(shù)水平和經(jīng)濟效益的提高具有重要意義肛劈。

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