一．前言

　　當(dāng)今企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)集中表現(xiàn)在產(chǎn)品款式、新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期及產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模。模具作為新產(chǎn)品生產(chǎn)的關(guān)鍵工裝，其設(shè)計(jì)與生產(chǎn)周期日益成為決定新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期的決定因素验辞。在汽車(chē)工業(yè)中，過(guò)去新車(chē)型的開(kāi)發(fā)周期一般為十年喊衫，現(xiàn)在縮短為二到三年跌造，F(xiàn)ORD及TOYOTA新車(chē)型的開(kāi)發(fā)周期僅為一年半，這一切都得益于企業(yè)模具設(shè)計(jì)與制造手段的現(xiàn)代化水平的提高湘搀。

　　高速加工技術(shù)隨著數(shù)控加工設(shè)備與高性能加工刀具技術(shù)的發(fā)展而日益成熟尾丑。極大的提高了模具加工速度、減少了加工工序渐仓、縮短甚至消除了耗時(shí)的鉗工修復(fù)工作熔淘，從而極大地縮短了模具的生產(chǎn)周期。模具的高速加工技術(shù)逐漸成為我國(guó)模具工業(yè)技術(shù)改造最主要的內(nèi)容之一悄慨。但什么是高速加工饼痘？高速加工與傳統(tǒng)加工在加工工藝上有什么區(qū)別？高速加工也對(duì)加工設(shè)備车管、刀具夾具及相應(yīng)的CAD/CAM系統(tǒng)提出了什么特殊的要求全僧？高速加工有什么技術(shù)優(yōu)勢(shì)等問(wèn)題一直成為我國(guó)模具行業(yè)的主要問(wèn)題之一。

　　英國(guó)Delcam公司是世界上最早致力與高速加工工藝及相應(yīng)CAD/CAM技術(shù)研究的專(zhuān)業(yè)CAD/CAM集成系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商之一还桶。該公司也是世界上唯一擁有大型模具加工車(chē)間的CAD/CAM軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商公杰。Delcam公司模具車(chē)間自1985年購(gòu)進(jìn)Briageport

　　VF1000

　　高速加工中心多臺(tái)，用于進(jìn)行高速加工工藝的研究及高速加工專(zhuān)用CAM系統(tǒng)棗PowerMILL的開(kāi)發(fā)苛瞬。1995年公司引進(jìn)行程為6M 的Mecof 5軸聯(lián)動(dòng)高速加工中心许起，以加強(qiáng)高速加工工藝及CAM系統(tǒng)的研究。1999年3月成功的舉辦了歐洲首次HSM技術(shù)研討會(huì)暨HSM現(xiàn)場(chǎng)加工展示會(huì)菩鲜，來(lái)自世界各地的一百多位專(zhuān)家介紹了各自的經(jīng)驗(yàn)园细。

　　高速加工技術(shù)在我國(guó)剛剛起步，眾多企業(yè)非常關(guān)注高速加工的發(fā)展及在模具行業(yè)的應(yīng)用接校，以及高速加工的工藝特點(diǎn)珊肃，高速加工對(duì)設(shè)備、刀具的特殊要求以及高速加工對(duì)CAD/CAM系統(tǒng)的特殊要求馅笙。故將Delcam HSM技術(shù)研討會(huì)暨HSM現(xiàn)場(chǎng)加工展示會(huì)的資料整理成文伦乔，希望與我國(guó)從事模具高速加工的工程技術(shù)人員交流。本文所提出的觀點(diǎn)董习、所列出的數(shù)據(jù)僅代表個(gè)人觀點(diǎn)烈和，特此說(shuō)明。

　　二．關(guān)于高速加工的定義

　　六十多年前皿淋，Salomon提出高速加工的概念并對(duì)高速加工進(jìn)行了深入的研究招刹。其研究成果表明：隨著切削線速度的增加，溫度及刀具磨損會(huì)劇烈增加窝趣，當(dāng)切削線速度達(dá)到超過(guò)某臨界值時(shí)疯暑，切削溫度及切削力會(huì)減小牧稳，然后又隨著切削速度的增加而急劇增加。從右圖可看出盅格，以刀具磨損的切削力為限制條件闰袒，前一個(gè)低于該值的區(qū)域是一般傳統(tǒng)加工。后一個(gè)低于該值的區(qū)域?yàn)楦咚偌庸け尢肌Ｓ纱艘部煽闯鲢裁伲煌牧嫌胁煌呐R界值，有其高速加工的特定范圍山滔。刀具材料與質(zhì)量是高速加工最主要的限制條件之一轰蜗。故高速加工不僅決定于主軸速度與刀具直徑，還與所切削的材料莉紊，刀具壽命及加工工藝等綜合因素有關(guān)自葡。

　　高速加工是在航空鋁合金材料零件加工發(fā)展起來(lái)的，高水平合金涂層刀具的壽命不時(shí)主要的限制因素幼潮。高速加工主要受設(shè)備主軸速度及材料熔點(diǎn)的限制慨即，一般主軸速度為每分鐘50000~60000轉(zhuǎn)或更高。本文主要關(guān)注塑料模具泛鸟、壓鑄模具蝠咆、沖壓模具及鍛模等合金模具鋼的高速加工，這種材料的硬度一般超過(guò)洛氏50度北滥，故高速加工的限制因素主要是刀具壽命刚操，而非鋁加工中主軸速度的限制。對(duì)于小型模具的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的加工再芋，主軸速度可達(dá)40000轉(zhuǎn)以上菊霜。而大型汽車(chē)覆蓋件模具的加工，一般主軸速度12000轉(zhuǎn)/分以上的加工可稱(chēng)為高速加工济赎。

　　三．高速加工的分類(lèi)及與傳統(tǒng)加工方式的優(yōu)勢(shì)

　　Delcam高速加工的研究表明鉴逞，高速加工按其目的而言應(yīng)分為兩類(lèi)：以實(shí)現(xiàn)單位時(shí)間最大材料去除量為目的的高速加工以及以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量加工表面與細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)為目的的高速加工。任何模具的高速加工都是這兩類(lèi)技術(shù)的綜合運(yùn)用司训，模具生產(chǎn)作為系統(tǒng)工程而言构捡，后者因極大地減少了鉗工拋光、修復(fù)時(shí)間壳猜，減少甚至消除了部分工序勾徽，對(duì)模具生產(chǎn)周期縮短起了更大的作用。

　　與傳統(tǒng)加工方式相比忿震，高速加工（HSM）的優(yōu)勢(shì)如下：

　　HSM與傳統(tǒng)加工方式在模具制造工序上的變化：

　　主要工序說(shuō)明 工序總數(shù) 

　　A傳統(tǒng)加工方式 （1）毛坯退火斗黍，（2）粗加工，（3）半精加工肚浴，（4）淬火處理掷佑，（5）電極加工苇恤，（6）電加工，（7）局部精加工霹壁，（8）人工拋光 8B部分HSM方式 由高速精加工取代電加工供窝，減少兩道工序 6CHSM方式 （1）毛坯淬火處理，（2）粗加工分较，（3）精加工徘伯，（4）超精加工囚上；（5）局部拋光南垦。

　　5高速加工提高了模具加工速度

　　對(duì)精加工而言，從材料去除速度而言高速加工比一般加工快四倍以上痰拢。盡管高速加工采取了非常小的進(jìn)給速度與切深跛鸵，對(duì)粗加工而言高速加工45立方厘米/分的切削速度。

　∽嗜帷（2）高速加工可獲得高質(zhì)量的加工表面

　　因高速加工采取了及小的進(jìn)給量與切深焙贷，故可獲得很高的表面質(zhì)量，有時(shí)甚至可以省去鉗工修光的工序贿堰，因表面質(zhì)量的提高省去了修光及點(diǎn)火花等工序所節(jié)約的時(shí)間辙芍。

　　（3）簡(jiǎn)化了加工工序

　　傳統(tǒng)銑削加工只能在淬火之前進(jìn)行羹与，因淬火造成的變形必須要手工修整或用電加工最終成型」使瑁現(xiàn)在這些可以通過(guò)高速加工完成，省去了電極材料纵搁、電極加工編程及加工吃衅、以及電加工過(guò)程的所有費(fèi)用，而且沒(méi)有電加工的表面硬化腾誉。另外徘层，高速加工由于切削的減少，可使用更小直徑的刀具利职，可對(duì)加工出模具更小的圓角半徑及模具細(xì)節(jié)加工趣效，節(jié)省掉部分加工或手工修整工藝。減少人工修光時(shí)間撼盈、簡(jiǎn)化的工藝對(duì)縮短生產(chǎn)周期的貢獻(xiàn)甚至可超過(guò)高速加工速度提高的部分私舱。

　　（4）可十分方便地用于模具修復(fù)過(guò)程

　　模具在使用過(guò)程往往需要多次修復(fù)配昼，以延長(zhǎng)使用壽命菊舅，過(guò)去主要是靠電加工來(lái)完成，采用高速加工可以更快地完成該工作如癌，而且可使用原NC程序舆滞，無(wú)須重新編制菱区，盡可精確。

　　四．高速加工（HSM）對(duì)機(jī)床服讯、刀具的要求

　　高速加工對(duì)機(jī)床的要求：

　　★ 高的主軸速度：12000~40000R.P.M

　　★ 高的進(jìn)給速度：40-60M/Min

　　★ 快速移動(dòng)速度: 90M/MIN

　　★ 加速度為1G

　　★ 高剛性的機(jī)械結(jié)構(gòu)

　　★ 高穩(wěn)定绎瓣、高剛度、冷卻良好的高速主軸

　　★ 精確的熱補(bǔ)償系統(tǒng)

　　★ 高速處理能力的控制系統(tǒng)（線性插補(bǔ)5-20Microns或NURBS插補(bǔ)功能）

　　★ 具有預(yù)處理能力（向前看）的控制系統(tǒng)

　　高速加工對(duì)刀具及裝夾的要求：

　　★ 刀夾授灵、刀具的加速度小于3G

　　★ 刀具的徑向跳動(dòng)小于0.015MM

　　★ 一般刀長(zhǎng)不大于四倍的刀具直徑

　　五．高速加工（HSM）對(duì)CAM系統(tǒng)的要求

　　高速加工有著與傳統(tǒng)加工特殊的加工工藝要求. 而數(shù)控加工的數(shù)控指令包含了所有的工藝過(guò)程.

　　故應(yīng)用于高速加工的數(shù)控自動(dòng)編程系統(tǒng)__CAM系統(tǒng)必須能夠滿(mǎn)足相應(yīng)的特殊要求.

　　1. CAM系統(tǒng)應(yīng)具有高計(jì)算編程速度

　　高速加工中采用非常小的切給量與切深堵忌，故NC程序比對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)要求要大的多，故要求計(jì)算速度要快藏亲、要方便節(jié)約編程時(shí)間杯道。另外快的編程速度使操作人員能夠?qū)Χ喾N加工工藝策略比較，以便采取最佳的工藝方案责蝠，并對(duì)刀具軌跡進(jìn)行編輯党巾、優(yōu)化，以達(dá)到最佳的加工效率霜医。

　　2.全程自動(dòng)防過(guò)切處理能力及自動(dòng)刀柄干涉檢查

　　高速加工以傳統(tǒng)加工近10倍的切削速度加工. 一旦發(fā)生過(guò)切, 其后果不堪設(shè)想. 故CAM系統(tǒng)必須具有全程自動(dòng)防過(guò)切處理能力.

　　傳統(tǒng)的曲面CAM系統(tǒng)是局部加工的概念, 極容易發(fā)生過(guò)切現(xiàn)象.一般都是靠人工選擇干預(yù)的辦法來(lái)防止. 很難保證過(guò)切防護(hù)的安全性.

　　只有新一代的齿拂、智能化的、面向?qū)ο蟮腃AM系統(tǒng)肴敛，防過(guò)切處理全部由系統(tǒng)自動(dòng)完成署海，才能真正保證其安全性。

　　高速加工的重要特征之一就是能夠使用較小直徑的刀具医男，加工模具的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)砸狞。系統(tǒng)能夠自動(dòng)提示最短夾刀長(zhǎng)度并自動(dòng)進(jìn)行刀具干涉檢查對(duì)高速加工非常重要。

　　3．進(jìn)給率優(yōu)化處理功能

　　為了能夠確保最大的切削效率昨登，又保證在高速切削時(shí)加工的安全性趾代。應(yīng)根據(jù)加工瞬時(shí)余量的大小，CAM系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)進(jìn)給率進(jìn)行優(yōu)化處理丰辣。以確保高速加工刀具受力狀態(tài)的平穩(wěn)性撒强。

　　4．豐富的符合高速加工要求的加工策略

　　高速加工對(duì)加工工藝走刀方式與傳統(tǒng)方式機(jī)能有著特殊要求，因而要求CAM系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足這特定的工藝要求：

　±母邸（1）應(yīng)避免刀具軌跡中走刀方向的突然變化鸠头，以免因局部過(guò)切而造成刀具或設(shè)備的損壞；

　』换住（2）應(yīng)保持刀具軌跡的平穩(wěn)诱价，避免突然加速或減速；

　∧跚俊（3）下刀或行間過(guò)度部分最好采用斜式下刀或圓弧下刀涧俐，避免垂直下刀直接接近工件材料；

　〉薄（4）行切的端點(diǎn)采用圓弧連接偶村，避免直線連接柄午；

　　（5）除非情況必須如此娶架，仍應(yīng)避免全力寬切削爽咒；

　　（6）殘余量加工或清根加工是提高加工效率的重要手段窿侈，一般應(yīng)采用多次加工或采用系列刀具從大到小分次加工炼幔，以達(dá)到所需尺寸，避免用小刀一次加工完成史简；

　∧诵恪（7）刀具軌跡編輯優(yōu)化功能非常重要，避免多余空刀乘瓤，可通過(guò)對(duì)刀具軌跡的 像环形、復(fù)制策泣、旋轉(zhuǎn)等操作衙傀，避免重復(fù)計(jì)算；

　∪尽（8）刀具軌跡裁剪修復(fù)功能也很重要统抬，可通過(guò)精確裁剪減少空刀提高效率，也可用于零件局部變化零件編程危队，只要編輯修改邊際聪建，無(wú)須對(duì)整個(gè)模型重新編程。

　　5．高速加工對(duì)Programmer的要求與編程方式的改變：

　　采用高速加工設(shè)備之后茫陆，對(duì)編程人員的需求量將會(huì)增加槽悼，因高速加工工藝要求嚴(yán)格，過(guò)切保護(hù)更加重要毛围，故需花多的時(shí)間對(duì)NC指令進(jìn)行仿真檢驗(yàn)页梁，一般高速加工編程時(shí)間比一般加工編程時(shí)間要長(zhǎng)的多，而大大縮短了加工時(shí)間沸恤。為了保證高速加工設(shè)備足夠的使用率队淳，需配置更多的CAM人員。發(fā)達(dá)國(guó)家另一個(gè)明顯的發(fā)展趨勢(shì)是機(jī)側(cè)編程方式的興起真稚。

　　傳統(tǒng)CAD/CAM中千雏，NC指令的編制是由遠(yuǎn)離加工現(xiàn)場(chǎng)的CAD/CAM工程師來(lái)完成的，因編程與加工地點(diǎn)的分離农帝，往往因?yàn)閷?duì)加工工藝的理解不如操作人員專(zhuān)業(yè)误目，現(xiàn)場(chǎng)條件不如現(xiàn)場(chǎng)操作清楚，往往需要對(duì)NC指令進(jìn)行反復(fù)檢驗(yàn)與修改舆飒，而出現(xiàn)配合的矛盾轴私，影響正常使用锐拟。隨著CAM系統(tǒng)的智能化水平提高，已經(jīng)出現(xiàn)了新一代獨(dú)立運(yùn)行的智能化的CAM專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)慧邮，如：DELCAM公司的PowerMILL调限，其主要特點(diǎn)是面向?qū)ο笫菍?shí)體加工方式而非傳統(tǒng)的曲面局部加工方式，只需加工工藝的輸入與選擇即可自動(dòng)化完成編程操作误澳，編程的復(fù)雜程度與零件的復(fù)雜程度無(wú)關(guān)耻矮，只與加工工藝有關(guān)，故非常易于掌握忆谓，只需兩天培訓(xùn)即可掌握使用裆装。故在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家為了充分發(fā)揮NC設(shè)備操作人員的優(yōu)勢(shì)，為縮短加工時(shí)間間隔倡缠，機(jī)側(cè)編程已經(jīng)成為逐漸流行的發(fā)展趨勢(shì)哨免。

　　六．高速加工（HSM）加工實(shí)例

　　1. 汽車(chē)車(chē)門(mén)外覆蓋件拉延模具

　　模具尺寸： 1400 x 1200 x 600

　　模具重量： 2500kg

　　毛坯材料：GGG30 材料硬度：HB240

　　高速加工設(shè)備：Mecof 5軸聯(lián)動(dòng)高速加工中心

　　刀具類(lèi)型球型刀球型刀端銑刀

　　鑲刀材料CBN BRAIE Wel dectTITIAI

　　直徑：f （mm）20126410

　　切削速度m/min630450340250350

　　主軸速度rpm1600012000180002100011150

　　進(jìn)給率mm/mm80006000500050001000

　　切深（mm）0.30.30.30.30.3

　　進(jìn)刀量0.40.20.20.20.2

　　理論coesps0.0020.008- - -

　　刀具磨損量<0.01-- - -

　　編程誤差0.0050.0050.0050.0050.005

　　高速加工的時(shí)間：

　　加工工序主加工面?zhèn)让婕庸な止ば蘩砭庸ぁ　?/p>

　　時(shí) 間 8小時(shí)58分5小時(shí)27分1小時(shí)3分36分16分3分

　　高速加工與傳統(tǒng)數(shù)控加工的時(shí)間比較： 

　　高速加工時(shí)間：16小時(shí)5分，手工修復(fù)：15小時(shí)昙沦，總計(jì)：37.5小時(shí)

　　傳統(tǒng)加工時(shí)間：50小時(shí)琢唾，鉗工修復(fù)：90小時(shí)，總計(jì)盾饮；140小時(shí)

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