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1、模具高速速加工技技术与策策略1引引言作为为现代先先进制造造技术中中最重要要的共性性技术之之一的高高速加工工技术代代表了切切削加工工的发展展方向，并并逐渐成成为切削削加工的的主流技技术。高高速切削削中的“高高速”是是一个相相对概念念，对于于不同的的加工方方式及工工件材料料，高速速切削时时采用的的切削速速度并不不相同。一一般来说说，高速速切削采采用的切切削速度度比常规规切削速速度高55100倍以上上。由于于高速切切削技术术的应用用可显著著提高加加工效率率和加工工精度、降降低切削削力、减减小切削削热对工工件的影影响、实实现工序序集约化化等，因因此已在在航空航航天、模模具制造造、汽车车制造、精精密机械
2、械等领域域得到广广泛应用用，并取取得了良良好的技技术经济济效益。在在现代模模具的成成形制造造中，由由于模具具的形面面设计日日趋复杂杂，自由由曲面所所占比例例不断增增加，因因此对模模具加工工技术提提出了更更高要求求，即不不仅应保保证高的的制造精精度和表表面质量量，而且且要追求求加工表表面的美美观。随随着对高高速加工工技术的的研究不不断深入入，尤其其在加工工机床、数数控系统统、刀具具系统、CCAD/CAMM软件等等相关技技术不断断发展的的推动下下，高速速加工技技术已越越来越多多地应用用于模具具的制造造加工。高高速加工工技术对对模具加加工工艺艺产生了了巨大影影响，改改变了传传统模具具加工采采用的“退
3、退火铣铣削加工工热处处理磨磨削”或或“电火火花加工工手工工打磨、抛抛光”等等复杂冗冗长的工工艺流程程，甚至至可用高高速切削削加工替替代原来来的全部部工序。高高速加工工技术除除可应用用于淬硬硬模具型型腔的直直接加工工(尤其其是半精精加工和和精加工工)外，在在EDMM电极加加工、快快速样件件制造等等方面也也得到广广泛应用用。大量量生产实实践表明明，应用用高速切切削技术术可节省省模具后后续加工工中约880%的的手工研研磨时间间，节约约加工成成本费用用近300%，模模具表面面加工精精度可达达1mm，刀具具切削效效率可提提高一倍倍。2模具高高速加工工对加工工系统的的要求由由于模具具加工的的特殊性性以及高
4、高速加工工技术的的自身特特点，对对模具高高速加工工的相关关技术及及工艺系系统(加加工机床床、数控控系统、刀刀具等)提出了了比传统统模具加加工更高高的要求求。1)机床床主轴高高速机床床的主轴轴性能是是实现高高速切削削加工的的重要条条件。高高速切削削机床主主轴的转转速范围围为100,00001100,0000m/mmin，并并要求主主轴具有有快速升升速、在在指定位位置快速速准停的的性能(即具有有极高的的角加减减速度)，因此此高速主主轴常采采用液体体静压轴轴承式、空空气静压压轴承式式、磁悬悬浮轴承承式等结结构形式式。2)机床床驱动系系统为满满足模具具高速加加工的需需要，加加工机床床的驱动动系统应应具
5、有下下列特性性：a.高的进进给速度度。研究究表明，对对于小直直径刀具具，提高高转速和和每齿进进给量有有利于降降低刀具具磨损。目目前常用用的进给给速度范范围为220330m/minn，如采采用大导导程滚珠珠丝杠传传动，进进给速度度可达660m/minn；采用用直线电电机则可可使进给给速度达达到1220m/minn。b.高的加加速度。对对三维复复杂曲面面廓形的的高速加加工要求求驱动系系统具有有良好的的加速度度特性，驱驱动系统统加速度度应达到到2040mm/s22。c.高的速速度增益益因子(Vellociitygaiinffacttor)KV。为为达到较较高的三三维轮廓廓动态精精度以及及最小的的滞后
6、，一一般要求求速度增增益因子子KV=2030(m/mmin)/mmm。3)数控控系统先先进的数数控系统统是保证证模具复复杂曲面面高速加加工质量量和效率率的关键键因素，模模具高速速切削加加工对数数控系统统的基本本要求为为：a.高速的的数字控控制回路路(Diigittalconntroollloopp)。包包括：332位或或64位位处理器器及1.5Gbb以上的的硬盘；极短的的直线电电机采样样时间(小于5500s)；b.速度和和加速度度的前馈馈控制(Feeedfforwwarddcoontrrol)；数字字驱动系系统的爬爬行控制制(Jeerkconntrool)。cc.先进进的插补补方法(基于NNU
7、RBBS的样样条插补补)，以以获得良良好的表表面质量量、精确确的尺寸寸和高的的几何精精度。dd.预处处理(LLookk-ahheadd)功能能。要求求具有大大容量缓缓冲寄存存器，可可预先阅阅读和检检查多个个程序段段(如DDMG机机床可多多达5000个程程序段，SSimeens系系统可达达10000220000个程序序段)，以以便在被被加工表表面形状状(曲率率)发生生变化时时可及时时采取改改变进给给速度等等措施以以避免过过切等。ee.误差差补偿功功能。包包括因直直线电机机、主轴轴等发热热导致的的热误差差补偿、象象限误差差补偿、测测量系统统误差补补偿等功功能。此此外，模模具高速速切削加加工对数数据
8、传输输速度的的要求也也很高。传传统的数数据接口口如RSS2322串行口口的传输输速度为为19.2kbb，而许许多先进进的加工工中心均均已采用用以太局局域网(Ethhernnet)进行数数据传输输，速度度可达2200kkb。44)高高速切削削刀具系系统高速速切削刀刀具系统统的主要要发展趋趋势是空空心锥部部和主轴轴端面同同时接触触的双定定位式刀刀柄(如如德国OOTT公公司的HHSK刀刀柄、美美国Keennaamettal公公司的KKM刀柄柄等)，其其轴向定定位精度度可达00.0001mmm。在高高速旋转转的离心心力作用用下，刀刀夹锁紧紧更为牢牢固，其其径向跳跳动不超超过5m。用用于高速速切削加加工
9、的刀刀具材料料主要有有硬质合合金、陶陶瓷、金金属陶瓷瓷、立方方氮化硼硼(PCCBN)、聚晶晶金刚石石等。为为满足模模具高速速加工的的要求，刀刀具技术术的发展展主要集集中在新新型涂层层材料与与涂层方方法的研研究、新新型刀具具结构的的开发等等方面。3模具高高速加工工工艺及及策略1)粗加加工模具粗粗加工的的主要目目标是追追求单位位时间内内的材料料去除率率，并为为半精加加工准备备工件的的几何轮轮廓。图图1所示示为粗加加工过程程中工件件轮廓形形状对刀刀具载荷荷的影响响。由图图可见，在在切削过过程中因因切削层层金属面面积发生生变化，导导致刀具具承受的的载荷发发生变化化，使切切削过程程不稳定定，刀具具磨损速
10、速度不均均匀，加加工表面面质量下下降。目目前开发发的许多多CAMM软件可可通过以以下措施施保持切切削条件件恒定，从从而获得得良好的的加工质质量。粗加加工时工工件轮廓廓形状对对刀具载载荷的影影响aa.恒定定的切削削载荷。通通过计算算获得恒恒定的切切削层面面积和材材料去除除率，使使切削载载荷与刀刀具磨损损速率保保持均衡衡，以提提高刀具具寿命和和加工质质量。b.避免突突然改变变刀具进进给方向向。c.避避免将刀刀具埋入入工件。如如加工模模具型腔腔时，应应避免刀刀具垂直直插入工工件，而而应采用用倾斜下下刀方式式(常用用倾斜角角为200330)，最好好采用螺螺旋式下下刀以降降低刀具具载荷；加工模模具型芯芯
11、时，应应尽量先先从工件件外部下下刀然后后水平切切入工件件。d.刀刀具切入入、切出出工件时时应尽可可能采用用倾斜式式(或圆圆弧式)切入、切切出，避避免垂直直切入、切切出。e.采用攀攀爬式切切削(CClimmbccutttingg)可降降低切削削热，减减小刀具具受力和和加工硬硬化程度度，提高高加工质质量。2)半精精加工模具具半精加加工的主主要目标标是使工工件轮廓廓形状平平整，表表面精加加工余量量均匀，这这对于工工具钢模模具尤为为重要，因因为它将将影响精精加工时时刀具切切削层面面积的变变化及刀刀具载荷荷的变化化，从而而影响切切削过程程的稳定定性及精精加工表表面质量量。粗加工工是基于于体积模模型(VV
12、oluumemoddel)，精加加工则是是基于面面模型(Surrfaccemmodeel)。而而以前开开发的CCAD/CAMM系统对对零件的的几何描描述是不不连续的的，由于于没有描描述粗加加工后、精精加工前前加工模模型的中中间信息息，故粗粗加工表表面的剩剩余加工工余量分分布及最最大剩余余加工余余量均是是未知的的。因此此应对半半精加工工策略进进行优化化以保证证半精加加工后工工件表面面具有均均匀的剩剩余加工工余量。优优化过程程包括：粗加工工后轮廓廓的计算算、最大大剩余加加工余量量的计算算、最大大允许加加工余量量的确定定、对剩剩余加工工余量大大于最大大允许加加工余量量的型面面分区(如凹槽槽、拐角角等
13、过渡渡半径小小于粗加加工刀具具半径的的区域)以及半半精加工工时刀心心轨迹的的计算等等。现有的的模具高高速加工工CADD/CAAM软件件大都具具备剩余余加工余余量分析析功能，并并能根据据剩余加加工余量量的大小小及分布布情况采采用合理理的半精精加工策策略。如如OpeenMMindd公司的的HypperMilll和HHypeerFFormm软件提提供了束束状铣削削(Peenciilmmilllingg)和剩剩余铣削削(Reestmilllinng)等等方法来来清除粗粗加工后后剩余加加工余量量较大的的角落以以保证后后续工序序均匀的的加工余余量。PPro/Enggineeer软软件的局局部铣削削(Loo
14、callmiilliing)具有相相似的功功能，如如局部铣铣削工序序的剩余余加工余余量取值值与粗加加工相等等，该工工序只用用一把小小直径铣铣刀来清清除粗加加工未切切到的角角落，然然后再进进行半精精加工；如果取取局部铣铣削工序序的剩余余加工余余量值作作为半精精加工的的剩余加加工余量量，则该该工序不不仅可清清除粗加加工未切切到的角角落，还还可完成成半精加加工。3)精加加工模具的的高速精精加工策策略取决决于刀具具与工件件的接触触点，而而刀具与与工件的的接触点点随着加加工表面面的曲面面斜率和和刀具有有效半径径的变化化而变化化。对于于由多个个曲面组组合而成成的复杂杂曲面加加工(见见图2)，应尽尽可能在在
15、一个工工序中进进行连续续加工，而而不是对对各个曲曲面分别别进行加加工，以以减少抬抬刀、下下刀的次次数。然然而由于于加工中中表面斜斜率的变变化，如如果只定定义加工工的侧吃吃刀量(Steepooverr)，就就可能造造成在斜斜率不同同的表面面上实际际步距不不均匀，从从而影响响加工质质量。组合合曲面的的加工Proo/Ennginneerr解决上上述问题题的方法法是在定定义侧吃吃刀量的的同时，再再定义加加工表面面残留面面积高度度(Sccalllopmacchinne)；HypperMilll则提提供了等等步距加加工(EEquiidisstanntmmachhinee)方式式，可保保证走刀刀路径间间均匀
16、的的侧吃刀刀量，而而不受表表面斜率率及曲率率的限制制，保证证刀具在在切削过过程中始始终承受受均匀的的载荷。一般般情况下下，精加加工曲面面的曲率率半径应应大于刀刀具半径径的1.5倍，以以避免进进给方向向的突然然转变。在在模具的的高速精精加工中中，在每每次切入入、切出出工件时时，进给给方向的的改变应应尽量采采用圆弧弧或曲线线转接，避避免采用用直线转转接，以以保持切切削过程程的平稳稳性。4)进给给速度的的优化目前前很多CCAM软软件都具具有进给给速度的的优化调调整功能能(如图图3所示示)：在在半精加加工过程程中，当当切削层层面积大大时降低低进给速速度，而而切削层层面积小小时增大大进给速速度。应应用进
17、给给速度的的优化调调整可使使切削过过程平稳稳，提高高加工表表面质量量。切削削层面积积的大小小完全由由CAMM软件自自动计算算，进给给速度的的调整可可由用户户根据加加工要求求来设置置。4结结语模具高高速加工工技术是是多种先先进加工工技术的的集成，不不仅涉及及到高速速加工工工艺，而而且还包包括高速速加工机机床、数数控系统统、高速速切削刀刀具及CCAD/CAMM技术等等。模具具高速加加工技术术目前已已在发达达国家的的模具制制造业中中普遍应应用，而而在我国国的应用用范围及及应用水水平仍有有待提高高，大力力发展和和推广应应用模具具高速加加工技术术对促进进我国模模具制造造业整体体技术水水平和经经济效益益的提高高具有重重要意义义。