發布日期：2022-10-09 點擊率：174
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一、前言
模具作為模壓產品生產的關鍵工裝，其設計與生產周期日益成為決定新產品開發周期的決定因素。目前工業發達國家的航空航天、汽車、機械、模具、機床等行業首先得益于該項新技術，使上述行業的產品質量明顯提高，成本大幅度降低，獲得了市場競爭優勢。在汽車工業中，過去新車型的開發周期一般為10年，現在縮短為2～3年。福特、通用、豐田等公司的新車型開發周期僅為1年半，這一切都得益于企業模具設計與制造手段的現代化水平的提高。高速切削技術逐漸應用于加工鑄鐵和硬鋁合金，尤其是加工大型覆蓋件沖壓模、鍛模、壓鑄模和注射模，目的是在減少加工時間和研制時間的同時提高尺寸公差和表面一致性。目前國際上高速切削加工技術主要應用于汽車工業、模具行業、航空航天行業，尤其是在加工復雜曲面的領域，工件本身或刀具系統剛性要求較高的加工領域，顯示了強大的功能。國內高速切削加工技術的研究與應用始于20世紀90年代，也是主要應用于模具、航空、航天和汽車工業，但采用的高速切削CNC機床、高速切削刀具和CAD/CAM軟件等以進口為主。
二、高速切削加工應用的關鍵技術
數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，是集高效、優質、低耗于一身的先進制造技術。在常規切削加工中備受困擾的一系列問題，通過高速切削加工的應用得到了解決。其切削速度、進給速度相對于傳統的切削加工，以級數級提高，切削機理也發生了根本的變化。與傳統切削加工相比，切削加工發生了本質性的飛躍，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。隨著切削速度的提高，單位時間毛坯材料的去除率增加，切削時間減少，加工效率提高，從而縮短了產品的制造周期，提高了產品的市場競爭力。同時，高速加工的小量快進使切削力減少，切屑的高速排除，減少了工件的切削力和熱應力變形，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，轉速的提高使切削系統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。在模具的高淬硬鋼件（HRC45～65）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，避免了電極的制造和費時的電加工時間，大幅度減少了鉗工的打磨與拋光量。一些市場上越來越需要的薄壁模具工件，高速銑削可順利完成。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。這些優點在資金回轉要求快、交貨時間緊急、產品競爭激烈的模具等行業是非常適宜的。
1.高速切削加工
高速加工切削系統主要由可滿足高速切削的高速加工中心、高性能的刀具夾持系統、高速切削刀具、安全可靠的高速切削CAM軟件系統等構成，因此，高速加工實質上是一項大的系統工程。隨著切削刀具技術的進步，高速加工已可以應用于加工合金鋼（HRC>30），廣泛地應用于汽車和電子元件產品中的沖壓模、注塑模具等零件的加工。高速加工的定義依賴于被加工的工件材料的類型。圖1是采用高速加工時對不同材料普遍采用的切削速度。例如，高速加工合金鋼采用的切削速度為500m/min，而這一速度在加工鋁合金時為常規采用的順銑速度。
隨著高速加工的應用范圍擴大，對新型刀具材料的研究、刀具設計結構的改進、數控刀具路徑新策略的產生和切削條件的改善等也有所提高。而且，切削過程的計算機輔助模擬技術也出現了，這項技術對預測刀具溫度、應力、延長刀具使用壽命很有意義。鑄造、沖模、熱壓模和注塑模加工的應用代表了鑄鐵、鑄鋼和合金鋼的高速切削應用范圍的擴大。工業領先的國家在沖模和鑄模制造方面，研制時間大部分耗費在機械加工和拋光加工工序上，如圖1所示。沖模或鑄模的機械加工和拋光加工約占整個加工費用的2/3，而高速銑可正好用來縮短研制周期，降低加工費用。
圖1 高速銑削制造周期與常用材料切削速度
2.高速銑削加工機床
超高速切削技術是切削加工的發展方向，也是時代發展的產物。高速切削技術是切削加工技術的主要發展方向之一，它隨著CNC技術、微電子技術、新材料和新結構等基礎技術的發展而邁上更高的臺階。然而，高速切削技術自身也存在著一些急待解決的問題，如高硬度材料的切削機理、刀具在載荷變化過程中的破損、建立高速切削數據庫、開發適用于高速切削加工狀態的監控技術和綠色制造技術等。高速切削所用的CNC機床、刀具和CAD/CAM軟件等，技術含量高，價格昂貴，使得高速切削投資很大，這在一定程度上制約了高速切削技術的推廣應用。高速切削的高效應用要求機床系統中的部件都必須先進，主要表現在以下幾個方面：
(1)機床結構的剛性
要求提供高速進給的驅動器(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。
(2)主軸和刀柄的剛性
要求滿足10000r/min到50000r/min的轉速，通過主軸壓縮空氣或冷卻系統控制刀柄和主軸間的軸向間隙不大于0.0002英寸。
(3)控制單元
要求32或64位并行處理器，具有高的數據傳輸率，能夠自動加減速。
(4)可靠性與加工工藝
能夠提高機床的利用率（6000h/y）和無人操作的可靠性，工藝模型有助于對切削條件和刀具壽命之間關系的理解。
常見國內外高速加工中心的代表如表1所示。與傳統普通數控機床相比，其機床結構、加工速度和性能表現更加優秀，如德國的DMC85高速加工中心，采用直線電機和電主軸，其主軸轉速達到30000r/min，進給速度達到120m/min，加速度超過1g（重力加速度）。高速機床要求高性能的主軸單元和冷卻系統、高剛性的機床結構、安全裝置和監控系統以及優良的靜動力特性等，具有技術含量高、機床制造難度大等特點。目前國內的高速機床，其性能與國外相比還存在一定的差距。
表1 國內外高速加工中心
3.高速切削加工的刀柄和刀具
由于高速切削加工時離心力和振動的影響，要求刀具具有很高的幾何精度和裝夾重復定位精度，很高的剛度和高速動平衡的安全可靠性。由于高速切削加工時較大的離心力和振動等特點，傳統的7:24錐度刀柄系統在進行高速切削時表現出明顯的剛性不足、重復定位精度不高、軸向尺寸不穩定等，主軸的膨脹引起刀具及夾緊機構質心的偏離，影響刀具的動平衡能力。目前應用較多的是HSK高速刀柄和國外現今流行的熱脹冷縮緊固式刀柄。熱脹冷縮緊固式刀柄的加熱系統，其剛性較好，但是刀具可換性較差，一個刀柄只能安裝一種連接直徑的刀具。由于此類加熱系統比較昂貴，在初期時采用HSK類的刀柄系統即可。當企業的高速機床數量超過3臺以上時，采用熱脹冷縮緊固式刀柄比較合適。
刀具是高速切削加工中最活躍重要的因素之一，它直接影響著加工效率、制造成本和產品的加工精度。刀具在高速加工過程中要承受高溫、高壓、摩擦、沖擊和振動等載荷，因此其硬度和耐磨性、強度和韌性、耐熱性、工藝性能和經濟性等基本性能是實現高速加工的關鍵因素之一。同時不同的材料的工件高速切削在刀具的選用上要注意其與工件材料的匹配性，表2為常用高速刀具對不同工件材料切削加工的適應性能力。高速切削加工的刀具技術發展速度很快，應用較多的如金剛石（PCD）、立方氮化硼（CBN）、陶瓷刀具、涂層硬質合金、（碳）氮化鈦硬質合金TIC（N）等。目前由于高速機床和刀具材料價格比較昂貴是影響高速加工在國內普及的重要原因之一。其中涂層硬質合金在高速加工中應用最為廣泛，可用于耐熱合金、鈦合金、高溫合金、鑄鐵、純鋼、鋁合金及復合材料的高速切削。
表2 常用高速刀具材料切削適應性
在加工鑄鐵和合金鋼的切削刀具中，硬質合金是最常用的刀具材料。硬質合金刀具耐磨性好，但硬度比立方氮化硼和陶瓷低。為提高硬度和表面光潔度，硬質合金刀具采用硬的涂層材料進行涂層，如氮化鈦、氮化鈦鋁和碳氮化鈦等。直徑在10～40mm范圍內，且有碳氮化鈦涂層的硬質合金刀片能夠加工洛氏硬度小于42的材料；而氮化鈦鋁涂層的刀具能夠加工洛氏硬度為42甚至更高的材料。可根據使用要求，選用不同的刀具材料和涂層材料。表3給出了硬質合金刀具加工鋁合金材料的切削參數。
應用于高速切削的刀具和涂層材料可分為：加工鑄鐵的立方氮化硼和氮化硅刀具，加工洛氏硬度達42的合金鋼的氮化鈦和碳氮化鈦涂層的合金刀具，加工洛氏硬度為42甚至更高的合金鋼的氮化鈦鋁和鋁氮化鈦涂層合金刀具等。經過實踐驗證，在復合材料的銑削加工過程中由于切屑呈現粉末狀，因此要求切削刃比較鋒利耐磨，采用金剛石材料的刀具其效率和精度比普通硬質合金要好。鈦合金的切削采用涂層硬質合金和YG8的普通硬質合金比較理想。
表3 硬質合金鋁合金的高速切削參數
4.高速切削數控編程
高速銑削加工對數控編程系統的要求越來越高，價格昂貴的高速加工設備對軟件提出了更高的安全性和有效性要求。高速切削有著比傳統切削特殊的工藝要求，除了要有高速切削機床和高速切削刀具外，具有合適的CAM編程軟件也是至關重要的。數控加工的數控指令包含了所有的工藝過程，一個優秀的高速加工CAM編程系統應具有很高的計算速度、較強的插補功能、全程自動過切檢查及處理能力、自動刀柄與夾具干涉檢查、進給率優化處理功能、待加工軌跡監控功能、刀具軌跡編輯優化功能和加工殘余分析功能等。高速切削編程首先要注意加工方法的安全性和有效性；其次，要盡一切可能保證刀具軌跡光滑平穩，這會直接影響加工質量和機床主軸等零件的壽命；最后，要盡量使刀具載荷均勻，這會直接影響刀具的壽命。
(1)CAM系統應具有很高的計算編程速度
高速加工中采用非常小的切給量與切深，故高速加工的NC程序比對傳統數控加工程序要大得多，因而要求計算速度要快，要方便節約刀具軌跡編輯，優化編程的時間。
(2)全程自動防過切處理能力及自動刀柄干涉檢查能力
高速加工以傳統加工近10倍的切削速度進行加工，一旦發生過切對機床、產品和刀具將產生災難性的后果，所以要求其CAM系統必須具有全程自動防過切處理的能力。高速加工的重要特征之一就是能夠使用較小直徑的刀具，加工模具的細節結構。系統能夠自動提示最短夾持刀具長度，并自動進行刀具干涉檢查。
(3)豐富的高速切削刀具軌跡策略
高速加工對加工工藝走刀方式比傳統方式機能有著特殊要求，因而要求CAM系統能夠滿足這些特定的工藝要求。為了能夠確保最大的切削效率，又保證在高速切削時加工的安全性，CAM系統應能根據加工瞬時余量的大小，自動對進給率進行優化處理，以確保高速加工刀具受力狀態的平穩性，提高刀具的使用壽命。CAM軟件在生成刀具軌跡方面應具備以下功能：
☆應避免刀具軌跡中走刀方向的突然變化，以免因局部過切而造成刀具或設備的損壞；
☆應保持刀具軌跡的平穩，避免突然加速或減速；
☆下刀或行間過度部分最好采用斜式下刀或圓弧下刀，避免垂直下刀直接接近工件材料；行切的端點采用圓弧連接，避免直線連接；
☆殘余量加工或清根加工是提高加工效率的重要手段，一般應采用多次加工或采用系列刀具從大到小分次加工，避免用小刀一次加工完成，還應避免全力寬切削；
☆刀具軌跡編輯優化功能非常重要，避免多余空刀，可通過對刀具軌跡的鏡像、復制、旋轉等操作，避免重復計算；
☆刀具軌跡裁剪修復功能也很重要，可通過精確裁剪減少空刀，提高效率，也可用于零件局部變化時的編程，此時只需修改變化的部分，無須對整個模型重編；
☆可提供優秀的可視化仿真加工模擬與過切檢查，如Vericut軟件就可很好地檢測干涉。
三、在高速銑削編程中的常用策略和CAM軟件
高速加工包括以去除余量為目的的粗加工、殘留粗加工，以及以獲取高質量的加工表面及細微結構為目的的半精加工、精加工和鏡面加工等。高速加工中的粗加工所應采取的工藝方案是高切削速度、高進給率和小切削量的組合。等高加工方式是眾多CAM軟件普遍采用的一種加工方式。應用較多的是螺旋等高和等Z軸等高兩種方式，也就是在加工區域僅一次進刀，在不抬刀的情況下生成連續光滑的刀具路徑，進、退刀方式采用圓弧切入、切出。螺旋等高方式的特點是，沒有等高層之間的刀路移動，避免頻繁抬刀、進刀對零件表面質量的影響及機械設備不必要的耗損。對陡峭和平坦區域分別處理，計算適合等高及適合使用類似3D偏置的區域，并且同時可以使用螺旋方式，在很少抬刀的情況下生成優化的刀具路徑，獲得更好的表面質量。在高速加工中運用，一定要采取圓弧切入、切出連接方式，以及拐角處圓弧過渡。禁止使用直接下刀的連接方式來生成高速加工的程序。
高速精加工策略包括三維偏置、等高精加工和最佳等高精加工、螺旋等高精加工等策略。這些策略可保證切削過程光順、穩定，確保能快速切除工件上的材料，得到高精度、光滑的切削表面。精加工的基本要求是要獲得很高的精度、光滑的零件表面質量，輕松實現精細區域的加工，如小的圓角、溝槽等。
對許多形狀來說，精加工最有效的策略是使用三維螺旋策略。使用這種策略可避免使用平行策略和偏置精加工策略中會出現的頻繁的方向改變，從而提高加工速度，減少刀具磨損。這個策略可以在很少抬刀的情況下生成連續光滑的刀具路徑。這種加工技術綜合了螺旋加工和等高加工策略的優點，刀具負荷更穩定，提刀次數更少，可縮短加工時間，減小刀具損壞機率。它還可改善加工表面質量，最大限地減小精加工后手工打磨的需要。在許多場合需要將陡峭區域的等高精加工和平坦區域三維等距精加工方法結合起來使用。
采用高速加工設備之后，對編程人員的需求量將會增加，因高速加工工藝要求嚴格，過切保護更加重要，故需花多的時間對NC指令進行仿真檢驗。一般情況下，高速加工編程時間比一般加工編程時間要長得多。為了保證高速加工設備足夠的使用率，需配置更多的CAM人員。現有的CAM軟件，如DELCAM的PowerMILL、美國MasterCAM、 UGS的UnigraphicsNX、Dassualt的CATIA、以色列的Cimatron E等都提供了相關功能的高速銑削刀具軌跡策略。圖2～圖5分別為UnigraphicsNX、CATIA、MasterCAM平臺下的薄壁零件和模具的高速銑削加工刀具軌跡示意圖。
圖2 UG NX/CAM高速銑削軌跡示意圖
圖3 CATIA高速銑削軌跡示意圖
圖4 MasterCAM高速銑削軌跡示意圖
圖5 MasterCAM高速銑削仿真加工示意圖
四、高速切削加工在模具制造中的典型應用實例
模具的高速加工技術逐漸成為我國模具工業技術改造最主要的內容之一。高速加工的效率不僅決定于主軸速度與刀具直徑，還與所切削的材料、刀具壽命及加工工藝等綜合因素有關。注塑模具、壓鑄模具、沖壓模具及鍛模等合金模具鋼材料的硬度一般超過HRC50。這類模具高速加工的限制因素主要是刀具壽命，而非鋁合金加工中的主軸速度。對于小型模具的細節結構的加工，主軸速度可達40000r/min以上。而大型汽車覆蓋件模具的加工，一般主軸速度12000r/min以上的加工即可稱為高速加工。
注射模、鑄模、鍛模和覆蓋件沖壓模等的模具機械加工時間主要耗費在生產凸模和凹模等部件上。在美國，最常用的模具材料為3Cr2Mo模具鋼(HRC30)，鍛模和鑄模常用材料為4Cr5MoV1Si鋼，有HRC45～60的鍛模和HRC46～50的鑄模等。表4列出了最常用的模具材料，40Cr、45＃鋼淬火調質是注射模常用的材料，50%的模具制造商加工注射模采用高速切削來完成。3Cr2Mo模具鋼是加工注射模最常用的鋼，因含碳量低，通常預先熱處理到HRC30時加工，然后在淬火到HRC50～55。在壓鑄模的應用中，熱鍛模具鋼4Cr5MoV1Si在HRC46狀態時仍可進行精加工。
表4 美國常用模具材料與公差要求
圖6所示的是在UGNX環境下編制的某基于SMC成型的大型覆蓋件熱壓模凹模的數控高速銑削加工刀具軌跡示意圖。其粗加工采用基于殘留毛坯的等高分層銑削，半精加工采用3D平行銑削。該熱壓模材料為55＃鑄鋼，在粗加工時采用了Ф40的鑲齒螺旋銑刀，切削參數為主軸800r/min、切削深度為Z軸每層2mm、切削寬度90%刀具直徑寬度、進給率為2000mm/min。
圖6 覆蓋件熱壓模高速銑削示意圖
圖7則是在MasterCAM平臺下，對某采用40Cr的注射模進行高速切削加工的刀具軌跡與仿真加工示意圖。這里采用的是傳統的數控機床，由于其主軸轉速的限制，其高速切削用量：粗加工采用Ф20的刀具、轉速2000r/min、進給率2000mm/min、切削深度2mm；精加工采用Ф12mm的刀具、切削深度0.2mm/min、主軸轉速3500r/min、進給率3000mm/min。
圖7 注射模高速銑削刀具軌跡示意圖
五、結束語
高速加工技術是世界范圍內倍受關注的前沿技術，它將極大地促進加工的效率提高和產品品質的改善。正如前文所述，高速加工是一個系統工程，他要求從軟件、硬件及設備方面的全方位的改革，但由于其具有傳統加工無可比擬的優勢，仍將是今后加工技術必然的發展方向。
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