浅谈高速切削加工技术在模具制造中的应用

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浅谈高速切削加工技术在模具制造中的应用

2 q- o8 T% m; Q% }% f: d作者：沈阳理工大学机械工程学院 郭玉泉
一、引言
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/ Z9 j, M, ?4 C8 B随着科技进步和工业的飞速发展,模具已经成为当今工业生产中使用极为广泛的主要工艺装备。模具作为重要的工艺装备，在消费品、电器电子、汽车、飞机制造等工业部门中占有举足轻重的地位。工业产品零件粗加工的75%，精加工的50%及塑料零件的90%将由模具完成。目前中国模具市场需求已达500亿元的规模，我国模具制造市场潜力巨大。模具是一种专用工具，用于成形(型)各种金属或非金属材料所需要零件的形状制品，这种专用工具统称模具。模具是工业生产中最基础的设备，是实现少切削和无切削的不可缺少的工具。模具已广泛用于工业生产中的各个领域,如汽车、摩托车、家用电器、仪器、仪表、电子等,它们中60%～80%的零件都需要模具来进行制造；高效大批量生产的塑料件、螺钉、螺母和垫圈等标准件也需要模具来生产；工程塑料、粉末冶金、橡胶、合金压铸、玻璃成型等更需要用模具来成型。

) P1 y3 G' P1 s# Q8 [正因为模具应用如此广泛，与之相关的模具制造技术也有了很大的发展。目前，采用高速切削生产模具已经成为模具制造的大趋势。在国外一些模具生产厂家，高速机床大面积取代电火花机床，高速切削生产模具已经逐渐成为模具制造的大趋势。
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6 o( f5 W6 Z# p' a8 A, `( M二、高速切削加工技术概述

高速切削(High Speed Cutting,HSC)是近十年来迅速崛起的一项先进制造技术。由于高速切削技术具有切削效率高、加工质量高、能直接加工淬硬钢件和良好的经济性,使航空、模具、汽车、轻工和信息等行业的生产效率与制造质量显著提高,并引起加工工艺及装备相应的更新换代。因此如同数控技术一样,高速切削和高速加工已成为21世纪机械制造业一场影响深远的技术革命。目前,适应HSC要求的高速加工中心和其他高速数控机床在发达国家已呈普及趋势,我国近来也在加快发展。
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& P, Q5 }; A% f& o  V1、高速切削加工机床的关键技术
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: t1 I  A' l+ N0 A  m- B! O为了适应粗精加工、轻重切削和快速移动,同时保证高精度(定位精度±0.005mm),性能良好的机床是实现高速切削的关键因素。图1（a）、(b)所示为高速切削加工中心，其关键技术有以下几项:

( X, d- u' a$ M1 r0 B; L(1)高速主轴

1 x/ }$ @' i5 s' }) @" \高速主轴是高速切削加工机床的核心部件,随着对主轴转速要求的不断提高,传统的齿轮——皮带变速传动系统由于本身的振动、噪音等原因已不能适应要求,取而代之的是一种新颖的功能部件——电主轴,它将主轴电机与机床主轴合二为一,实现了主轴电机与机床主轴的一体化。电主轴采用了电子传感器来控制温度,自带水冷或油冷循环系统,使主轴在高速旋转时保持恒温,一般可控制在20℃～25℃范围内某一设定温度,精度为±0.7℃,同时使用油雾润滑、混合陶瓷轴承等新技术,使主轴免维护、长寿命、高精度。
为了实现高速切削加工,机床不但要有高速主轴,还要有高速的伺服系统,这不仅是为了提高生产效率,也是维持高速切削中刀具正常工作的必要条件,否则会造成刀具的急剧磨损与升温,破坏工件加工的表面质量。
①直线电机伺服系统
直线电机是使电能直接转变成直线机械运动的一种推力装置,将机床进给传动链的长度缩短为零,它的动态响应性能敏捷、传动刚度高、精度高、加减速度大,行程不受限制、噪音低、成本较高,在加速度大于1g的情况下,是伺服系统的唯一选择。
8 s% C' g. Z2 Q5 n6 z②滚珠丝杠驱动装置
5 o1 v7 _1 Y! Z( q( w. N+ R, j滚珠丝杠仍是高速伺服系统的主要驱动装置,用AC伺服电机直接驱动,并采用液压轴承,进给速度可达4060m/min,其加速度可超过0.6g,成本较低,仅为直线电机的1/2.5。
# A  _) `1 I4 T% N; ~' x(3)高精度快速进给系统
提高高速切削进给速度是提升加工效率所必须的。目前高速切削加工中心的切削进给速度一般为20m/s～40m/s。要实现并准确控制这样高的进给速度，对高速切削加工中心导轨、滚珠丝杠、伺服系统、工作台结构等提出了新的要求。随着电机技术的发展,先进的直线电动机已经问世,并成功应用于CNC机床。先进的直线电动机驱动使CNC机床不再有质量惯性、超前、滞后和振动等问题,加快了伺服响应速度,提高了伺服控制精度和机床加工精度。直线电机具有很高的加速和减速特性，加速度可达3g以上，为传统驱动装置的10倍～20倍，进给速度是传统的4倍～5倍。
(4)高性能控制系统
0 f1 N. m( P- b( J& m6 R高速切削机床优良的力学性能,必须通过它优良的控制性能才能够充分发挥。高速主轴,高速伺服系统都与控制技术的发展密不可分。用于HSC的计算机数控(CNC)系统必须具有很高的运算速度和精度,以及快速响应的伺服控制。HSC机床的CNC系统在相同一段时间内需要计算处理的数据比普通数控机床的CNC系统多得多,就要求前者的计算处理容量和速度大大提高,其CNC系统的硬件,采用功能强大的个人计算机配置。例如奔腾芯片,64MB内存,1～10GB硬盘等,使程序块的执行时间降低到30.5μs。在此基础上配备空间螺旋线、抛物线和样条插补功能、速度预控制功能,数字化自动平滑运动轨迹功能、加速和制动时的急动速度监控功能等等,使工件加工质量在高速切削时得到明显改善。相应地,伺服系统则发展为数字化、智能化和软件化,使伺服系统与CNC系统在A/D和D/A转换中不会有丢失或延迟现象,尤其是全数字交流伺服电机和控制技术已得到广泛应用,该技术的主要特点为具有优异的动力学特征、无漂移、极高的轮廓精度,从而保证了高进给速度加工的要求。
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2、高速切削加工技术的特点：
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(1)高速切削的加工效率高。高速切削加工允许使用较大的进给率，比常规切削加工提高5～10倍，单位时间材料切除率可提高3～6倍，加工时间可大大减少。这样可以用于加工需要大量切除金属的零件，特别是对于航空工业具有十分重要的意义。

(2)高速切削的切削力小。和常规切削相比，高速切削加工时切削力至少可降低30%，这对于加工刚性较差的零件来说可减少加工变形，使一些薄壁类精细工件的切削加工成为可能。

9 L5 [& K0 Z! S5 e(3)高速切削的切削热对工件的影响小。高速切削加工过程极为迅速，95%以上的切削热量极少，零件不会由于温升导致翘曲或膨胀变形。高速切削特别适用于加工容易热变形的零件。对于加工熔点较低、易氧化的金属（如镁），高速切削有一定意义。
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, N8 F, ?- O+ N% H+ O(4)高速切削的加工精度高。因为高速旋转时刀具切削的激励频率远离工艺系统的受迫振动，保证了较好的加工状态。由于切削力太小，切削热影响小，使得刀具、工件变形小，保持了尺寸的精确性，另外也使得刀具工件间的摩擦变小，切削破坏层变薄，残余应力小，实现了高精度、低粗糙度加工。
& s2 ]# s3 h# ^6 x8 j6 y(5)高速切削使加工工序简化。
; s$ n1 x" a) ~2 S* D% D/ {由于高速切削可以达到很高的加工精度和很低的表面粗糙度，并且在一定的切削条件下，可以对硬表面进行加工，尤其是对硬度在HRC40～60之间的高硬度进行铣削，可以部分取代电火花加工，这一点对于模具加工具有十分重要的意义。

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浅谈高速切削加工技术在模具制造中的应用
, S2 b% H  C2 T( _% T9 v6 {三、高速切削加工技术在模具制造中的应用
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高速切削加工技术所具有的一系列特色和生产效益方面的巨大潜力，早已成为德、美、日等国竞相研究的重要技术领域。如今，美、德、日、法、瑞士、意大利生产的不同规格的各种商业化高速机床已经进入市场，应用于飞机、汽车及模具制造。
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' @6 H; h0 }; ^" B4 U8 p随着高速切削加工技术引进模具工业，对传统的模具加工工艺产生了很大的影响，改变了模具加工工艺流程。由于模具型面一般都是十分复杂的自由曲面，并且硬度很高，采用常规的切削加工方法难以满足精度和形状要求。常规的加工方法是在退火后进行铣削加工，然后进行热处理、磨削或电火花加工，最后手工打磨、抛光，这样使得加工周期很长。特别是手工加工时间，要占整个加工周期很大一部分。HSC可以达到模具加工的精度要求，减少甚至取消了手工加工，并且由于新型刀具材料（如PCD、PCBN、金属陶瓷等）的出现，HSC可以加工硬度达到HRC60，甚至硬度更高的工件材料，可以加工淬硬后的模具，取代电火花加工和磨削加工。
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高速铣削加工在模具制造中具有高效高精度以及可加工高硬材料的优点，在工业发达国家已经得到了广泛的应用。目前我国高速切削技术还停留在较低的水平，机床所用的切削速度比先进工业国家低一个数量级，生产效率很低，经济效益不好。高速切削技术在模具工业中的应用更是凤毛麟角，因此大力发展高速切削，对我国的制造业发展具有十分重要的意义。
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高速切削加工技术引进模具工业，主要应用于以下几个方面：

- u* ^2 z+ \1 [4 w! x% J（1）淬硬模具型腔的直接加工。利用高速切削可加工硬材料的特点直接加工淬硬后的模具型腔，提高了模具加工的质量和效率，可取代电火花加工。

* F' E( s) ]# Y( `1 u（2）EDM（电火花）电极加工。应用高速切削技术加工电极对提高电火花加工效率起到了很大作用。高速切削电极提高了电极的表面质量和精度，减少了后续加工工序。
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+ [' \1 r. K1 ^& l3 {, h（3）快速样件制造。利用高速切削加工效率高的特点，可用于加工塑料和铝合金模型。通过CAD设计后快速生成3D实体模型，比快速原型制造效率高、质量好。

8 s( O( T/ f: Z6 Y; Q# k（4）模具的快速修复。模具在使用过程往往需要修复，以延长使用寿命，过去主要是靠电加工来完成，现在采用高速加工可以更快地完成该工作，而且可使用原NC程序，无须重新编制。

四、高速切削加工技术存在的问题

高速切削加工技术是切削加工技术发展的主要方向之一，它除依赖于数控技术、微电子技术、新材料和新颖构件、CAD/CAM等基础技术的发展外，自身亦存在着一系列亟待攻克的技术问题，如刀具磨损严重，高速切削刀具切入切出时破损问题，高速切削用刀具材料价格昂贵，铣、镗等回转刀具及主轴需要动平衡，刀具夹持要牢靠安全，主轴系统昂贵且寿命短，而且所用高速加工机床及其控制系统价格昂贵，使得高速切削的一次性投入较大，这些问题制约着高速切削的进一步推广应用。

* `+ _9 f4 G# M) Y五、结束语

高速切削加工技术是先进的制造技术，有广阔的应用前景。用高速切削加工代替EDM(或大部分代替)是加快模具开发速度，实现工艺换代的重大举措。推广应用高速切削加工技术应用于模具制造业，不但可以大幅度提高机械加工的效率、质量，降低成本，而且可以带动一系列高新技术产业的发展。因此，当前加强高速切削技术的基础研究，建立高速切削数据库、高速切削安全技术标准，提高机床和工具行业的开发创新能力，加快高速切削刀具系统、高速切削机床系统的研究开发与产业化，已是当务之急。