高速加工在模具制造中的應(yīng)用

朱正方

江蘇江淮動力股份有限公司工裝模具廠，江蘇鹽城 224002

0 引言

高速加工技術(shù)是集材料科學、信息科學、控制理論和制造技術(shù)為一體的綜合高新技術(shù)，在汽車、模具、航空航天等制造領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了顯著的經(jīng)濟效益。高速加工工具系統(tǒng)是高速精密數(shù)控機床的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)特性、動態(tài)性能、動平衡穩(wěn)定性等直接影響和制約著高速加工的質(zhì)量和效率。目前在模具制造中大量采用高速加工技術(shù)，這已經(jīng)是大趨所驅(qū)。在國外很多知名的模具制造企業(yè)中，過去那種電火花機床加工已經(jīng)基本上被高速機床加工所代替了，高速加工在模具制造中的應(yīng)用大大提高了模具的生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，具有極為重要的作用。

1 在模具制造中應(yīng)用高速加工技術(shù)

眾所周知，模具制造的特點在于幾何形狀復(fù)雜、不能大規(guī)模大批量生產(chǎn)，只能單件小批量加工，由于這些原因的存在導(dǎo)致模具制造長期以來生產(chǎn)效率低、加工周期長。精加工淬硬模具在過去的模具加工工藝中，一般都是采用人工修光工藝和電火花加工工藝，這樣導(dǎo)致模具在進行后期加工的時候通常會花費很多的時間。因此，目前發(fā)展模具加工技術(shù)的首要任務(wù)就在于一定要有效地降低生產(chǎn)成本，與此同時縮短加工時間。近年來，隨著我國制造技術(shù)的不斷進步，模具制造加工工藝方面出現(xiàn)很多應(yīng)用效果較好的新技術(shù)，如復(fù)合加工、電火花銑削成型加工、快速原型制模、CAD/CAE設(shè)計仿真、高速切削等，而在這些新技術(shù)中應(yīng)用效果最好、最引人注目的就是高速切削加工技術(shù)。與傳統(tǒng)切削加工相比，高速切削加工與之最大的區(qū)別在于三個工藝參數(shù)的不同——切削深度、進給速度和主軸轉(zhuǎn)速。傳統(tǒng)切削加工一般都是采用大切削參數(shù)和低進給速度，而高速切削加工采用小切削參數(shù)和快進給速度。

高速切削加工模具具有其他很多的優(yōu)點，它是以切削方式，利用機床的高進給速度和高轉(zhuǎn)速來完成模具制造過程中的多個生產(chǎn)工序。

1）速切削半精加工技術(shù)和粗加技術(shù)大大提高金屬切除率，有效地提高形狀精度、表面質(zhì)量、特別適用于對于復(fù)雜曲面的模具進行制造加工，加工出來的模具表面光亮度高，而且表面粗糙度低，更具優(yōu)勢；

2）高速加工技術(shù)可加工淬硬材料，它主要是采用高速切削刀具、工藝和機床來進行完成。與電火花加工相比，高速切削半精加工技術(shù)和粗加技術(shù)能夠有效提高生產(chǎn)效率50%，減少大量耗時的手工修磨。對于大型模具， 熱處理淬硬后進行精加工，而粗加工和半精加工應(yīng)用于熱處理前。對于小型模具, 在一次裝夾中，在材料熱處理后，粗、精加工都能夠有效完成；

3）高速加工技術(shù)結(jié)合CAD/CAM技術(shù)來制造加工的模具工件熱變形小、切削力減小、發(fā)熱少，特別適用于快速加工薄壁類易變形、形狀復(fù)雜的電極；

4）高速加工技術(shù)可以提高模具壽命20%，這是因為它能夠大大減少表面損傷，這些損傷是由于模具精加工后造成的，有效避免磨削產(chǎn)生的微裂紋、燒傷和脫碳、電火花現(xiàn)象。

2 加工模具的高速切削機床

目前加工模具的高速切削機床正在朝著高速切削加工中心的方向發(fā)展，底座筋形采用有限元進行優(yōu)化設(shè)計及分析，使機床具有很高的剛性；材料采用高密鑄鐵，強度高吸震性好。在設(shè)計上采用了具有很高剛性及回轉(zhuǎn)精度的靜壓軸承結(jié)構(gòu)。機床具有C軸功能，C軸功能通過采用雙電機協(xié)同消隙結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。X軸、Z軸采用伺服電機驅(qū)動。Z軸伺服電機通過行星齒輪減速箱與絲杠相連，具有較大的輸出扭矩及剛性。X軸伺服電機通過同步齒形帶與滾珠絲杠相連，提高了伺服電機的使用效率并增大了輸出扭矩。內(nèi)置銑削主軸，可完成銑鉆攻絲等功能。機床標準卡盤為自制手動四爪卡盤，結(jié)構(gòu)簡單維護方便。液壓系統(tǒng)選用變量葉片泵，液壓油箱放置在底座右側(cè)面，由防護與外界隔離。各個液壓回路均采用疊加閥安裝方式，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便。機床配備多個工位回轉(zhuǎn)刀庫，由液壓分度馬達驅(qū)動刀庫正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，刀具到位后由液壓缸插銷定位。車刀與銑刀共用一個刀庫。機床數(shù)控系統(tǒng)標準配置采用著名國內(nèi)外數(shù)控公司的數(shù)控系統(tǒng)，例如：SIEMENS公司生產(chǎn)的SIEMENS 840D數(shù)控系統(tǒng)。

選用刀具的好壞直接關(guān)系到高速加工技術(shù)的應(yīng)用，加工模具的高速切削機床應(yīng)該配備適宜高速切削的刀具。國內(nèi)外各個刀具公司基本上都在近年來先后推出了多種高速切削刀具，有超硬刀具，諸如陶瓷刀具，這種刀具能夠直接高速切削淬硬鋼；還有物美價廉的加工普通結(jié)構(gòu)鋼的高速切削刀具。另外值得注意的是， 在淬硬鋼的精加工和半精加工中，涂層刀具發(fā)揮著巨大作用。例如：某廠生產(chǎn)的金剛石薄膜涂層刀具就具有較好的使用性能，金剛石膜具有與天然金剛石相同的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。在刀具基體上涂層金剛石薄膜可以增強刀具硬度、減少摩擦力、提高切削效率、延長刀具使用壽命、提升加工精度、降低制造成本。鈉米金剛石膜刀具已廣泛應(yīng)用于高硅鋁合金、石墨、陶瓷、玻璃纖維、碳纖維、實木地板、復(fù)合地板等難加工材料。而且還開發(fā)出應(yīng)用于黑色金屬模具材料的金剛石涂層刀具。為滿足模具加工業(yè)和石墨、玻璃纖維、碳纖維材料加工業(yè)的需求，還有很多刀具企業(yè)正在重點開發(fā)加工硅鋁合金和鑄鐵零、部件的CVD面銑刀、車刀、鏜鉸刀、復(fù)合銑刀、倒角刀和DLC滾齒刀、復(fù)合鉆頭和鈉米金剛石膜立銑刀、球頭立銑刀等產(chǎn)品。開發(fā)TiN氮化鈦、TiCN氮碳化鈦、AITiN氮鋁化鈦、AITNPT氮鋁化鈦PT、AICrTiN氮鉻鋁鈦、CrN氮化鉻、CrC碳化鉻、CrNAC氮化鉻AC、C碳等各種傳統(tǒng)涂層刀具和來料加工。

總的來說，高速加工技術(shù)選用的刀具，要有較高的使用壽命，有較好的刀具形狀（包括動平衡性、表面精度、排屑性能等），有很好的材料性能（包括紅硬性、韌性、硬度）、刀具直徑不能小于刀長度的1/4 倍，刀具的徑向跳動要小于 0.015mm，刀夾的加速度達到 3g 以上等。

3 結(jié)論

總之，對于模具制造加工企業(yè)而言，高速切削是具有很大的吸引力，但是我們也要注意到，模具的高速切削加工設(shè)備運行成本高，要有復(fù)雜的計算機編程技術(shù)、對刀具的使用要求。大家必須有效地解決如何選擇和應(yīng)用工藝實驗、刀具軌跡編程、合理的加工工藝、高速切削刀具、高速加工模具的機床等一系列問題。

[1]李偉.高速加工技術(shù)在現(xiàn)代模具制造中的應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù)，2010(3)：147-149.

[2]王軍.高速切削加工是汽車模具制造的發(fā)展趨勢[J].現(xiàn)代制造，2009(11)：141-143.