用于模具工业的高速加工技术 - 文章

用于模具工业的高速加工技术

作者：广东工业大学张伯霖郭军

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本文介绍高速加工技术的主要特点，论述用于模具工业的高速机床、高速刀具和高速CAD/CAM系统等关键技术，列举一些应用实例和使用效果，指出高速加工技术在模具工业中广阔的应用前景。

模具是制造业中使用量大、影响面广的工具产品。没有型腔模、压铸模、铸模、深拉模和冲压模，就无法生产出被广泛应用和具有竞争价格的塑料件、合金压铸件、钢板件和锻件。在现代批量生产中，没有高水平的模具，就没有高质量的产品，它对企业提高生产效率、降低生产成本也有重要的作用。据国外最新统计分析，金属零件粗加工的75%、精加工的50%和塑料零件的90%是用模具加工完成的。因此，模具工业也被称为“皇冠工业”。如今，模具制造已成为先进制造技术的一个重要组成部分。

制造模具的材料通常是一类难加工材料，目前国内模具型腔一般都釆用电火花加工（EDM）成型。但电加工的生产效率很低，不论在模具开发速度方面还是模具制造质量方面，都不能满足现代批量生产的要求。

高速加工技术的出现，为模具制造技术开辟了一条崭新的道路。尽可能用高速加工来代替电加工，是加快模具开发速度、提高模具制造质量的必然趋势。

模具高速加工的优越性

不论是冲压模具还是塑料模具（包括注射模、挤压模、吹塑模等），为了提高其使用寿命，构成模具型腔的有关零件一般都用高强度的耐磨材料制造（如各种牌号的合金结构钢、合金工具钢和不锈钢等），这些材料经过热处理後硬度很高，很难用常规的机械加工方法进行加工。几十年来，对付这类难加工材料的最好办法就是釆用特种加工。

在中国，模具的型腔加工至今仍然是电火花加工一统天下，电火花加工（包括成形加工和线切割）在模具制造中一直起着十分重要的作用。

生产的发展和产品更新换代速度的加快，对模具的生产效率和制造质量提出了越来越高的要求，于是电火花加工存在的问题就逐渐暴露出来。从物理本质上说，电火花加工是一种靠放电烧蚀的“微切削”工艺，加工过程非常之缓慢；在电火花对工件表面进行局部高温放电烧蚀过程中，工件材料表面的物理-机械性能会受到一定程度的损伤，常常会在型腔表面产生微细裂纹，表面粗糙度也达不到模具的要求，因而经过电加工後的型腔类零件一般还要进行费力、费时的手工研磨和抛光。因此，电火花加工的生产效率很低，制造质量不稳定，在许多场合，模具已成为影响新产品开发速度的一个关键因素。

20世纪90年代以来，在国外模具工业中开始逐渐应用高速切削(HSC)方法进行型腔的加工，并且取得了很好的效果。和电火花加工相比，高速加工的主要优点是：

（1）产品质量好—高速切削以高于常规切速10倍左右的切削速度对零件进行高速加工，毛坯材料的馀量还来不及充分变形就在瞬间被切离工件，工件表面的残馀应力非常小；切削过程中产生的绝大多数热量（95%以上）被切屑迅速带走，工件的热变形小；高速加工过程中，机床主轴以极高的转速（10000~80000 r/min）运转，激振频率远远离开了“机床—刀具—工件”系统的固有频率范围，零件加工过程平稳无冲击。因此零件的加工精度高，表面质量好，粗糙度可达Ra 0.6μm以上。经过高速铣削的型腔，表面质量能达到磨削的水平，故常常可省去後续的许多精加工工序。

（2）生产效率高—用高速加工中心或高速铣床加工模具，可以在工件一次装夹中，完成型腔的粗、精加工和模具零件其它部位的机械加工，即所谓“一次过”技术（One Pass Machining），切削速度很高，加工过程本身的效率比电加工要高出好几倍。除此以外，它既不要做电极，常常也不需要後续的手工研磨与抛光，又容易实现加工过程自动化。因此，高速加工技术的应用，使模具的开发速度大为提高。

（3）能加工形状复杂的硬质零件和薄壁零件—由高速切削机理可知，高速切削时，切削力大为减少，切削过程变得比较轻松。高速切削可以加工淬火钢，材料硬度可高达60HRC以上，加工过程甚至可以不用切削液，这就是所谓的硬切削（Hard Machining）和乾切削(Dry Machining)。尤其可贵的是，在高速加工中，横向切削力（Py）很小，这就有利于加工复杂模具型腔中一些细筋和薄壁，其壁厚甚至可以小于1mm。图1所示为高速加工方法加工出的零件，其各个薄壁的壁厚分别为0.2mm、0.3mm和0.4mm，薄壁高度为20mm。

高速加工制造薄壁零件

近几年来，高速加工技术在国外已广泛用于模具工业。在工业发达国家，据统计目前有85%左右的模具电火花成形加工工序已被高速加工所替代。高速加工在国际模具制造工艺中的主流地位已经确立。原来一些从事电加工设备制造的着名公司（如瑞士Agie公司），已敏感地看到这一技术发展趋势，为了不被模具设备巿场淘汰出局，已釆取了与高速机床制造厂家（如瑞士Mikron）联手合并的措施。

模具工业中的高速机床

对模具工业中使用的高速机床主要有下列要求：

（1）主轴转速高、功率大—为了适应模具型腔曲面的高速加工，刀具的半径应小于型腔曲面的最小圆角半径，以免加工过程中刀具与工件发生“干涉”（实际上是过切），所以加工中常用小直径的球头铣刀。由于刀具直径小（1~12mm），因此要求主轴的转速非常高，有的高达20000-80000 r/min，以便实现高速切削；型腔的粗、精加工常常在工件一次装夹中完成，故主轴功率要大，中等尺寸加工中心的主轴功率常为10KW到40KW，有的甚至更高。

（2）机床刚度好—模具材料的强度和硬度都很高，加上常常釆用伸长量较大的小直径端铣刀加工模具型腔，因此加工过程容易发生颤振，一般都釆用精度高、刚度大的高速电主轴。为了确保零件的加工精度和表面质量，用于模具制造的高速机床必须有很高的静、动刚度，以提高机床的定位精度、跟踪精度和抗振能力。

（3）主轴转动和工作台（溜板）直线运动都要有极高的加速度—主
轴从启动加速到最高转速（一般高于10000 r/min），通常只用1~2秒的时间。工作台的加、减速度也从常规数控机床的0.1g?0.2g 提高到1~5g（g为重力加速度，g=9.81m/s2），以便可靠地实现小圆角半径曲面的高速加工，并达到必要的型面几何精度。在模具制造中，对机床的进给速度则不要求太高，一般有30m/min即可。近年来，矢量控制的变频调速永磁式主轴电动机和大推力、大行程直线电动机在高速机床上的应用，为模具制造中广泛釆用高速加工技术提供了更加有利的条件。

对于一些复杂模具的制造，可以釆用五轴联动加工中心。这种机床除三个坐标的直线运动外，主轴头上的刀具还可实现两个旋转坐标的圆周进给运动。铣头和工作台可以实现多轴联动，特别适用于加工具有复杂型腔曲面的模具零件。对于大型复杂模具，还可釆用龙门式五轴加工中心。

瑞士Mikron公司的HSM600U型高速加工中心，机床加工范围800mm×600mm×5000mm，主轴可选用Step-Tec公司最高转速为30000r/min、36000r/min、42000r/min或60000r/min的高速电主轴，当釆用36000r/min电主轴时，功率为32KW(40%ED)/24KW(100%ED)。主轴用氮化硅（Si3N4）陶瓷球轴承，配以油－气润滑。进给速度40m/min，加速度1.7g，刀库容量为15~68把刀，立柱釆用龙门式框架结构，刚度高，特别适用于模具制造。

模具制造中的高速刀具

在高速切削应用于模具工业的历程中，刀具的地位举足轻重。高速切削时产生的切削热和对刀具的磨损比普通速度切削时要高得多，因此高速切削对刀具材料的性能有更高的要求。要求刀具材料：（1）硬度高、强度高、耐磨性好；（2）韧度高、抗冲击能力强；（3）热硬性和化学稳定性好，抗热冲击能力强。在工程实际中，同时满足这些要求的刀具材料至今还没有找到。目前，一般都在有较高抗冲击能力刀具材料的基体上，覆盖一层或多层具有高热硬性和高耐磨性的涂层，做成高速刀具。另外，也可将CBN或金刚石等超硬材料烧结在硬质合金或陶瓷材料的基体上，形成综合性能非常好的高速加工刀具。刀具材料主要根据工件材料、加工工序、加工精度与表面质量的要求来选择。

除了正确选择刀具材料以外，刀具结构与精度、切削刃的几何参数、排屑与断屑功能、刀具的动平衡等对高速切削的生产效率、表面质量、刀具寿命等也有很大的影响，必须精心设计或选择。至于刀具和机床的连接方式，目前在高速加工中已基本上不用传统的7：24长锥度刀柄，而广泛釆用锥部与主轴端面同时接触的HSK空心刀柄，其锥度为1：10，以确保高速运转刀具的安全和轴向加工精度。

型腔的粗加工、半精加工和精加工一般釆用球头铣刀，球头铣刀的直径一般从1mm到12mm。最终的精加工应尽可能用同一把球头铣刀连续完成整个型面的加工，其直径应小于模具型腔曲面的最小曲率半径。

用球头铣刀，既可避免和模具型腔几何曲面发生干涉，又可避免一般铣刀中心区的切削速度等于零造成的麻烦。模具零件平面的粗、精加工则可采用带转位刀片的端铣刀。

高速铣削是目前高速切削技术中应用最多的一种工艺技术，所用的刀具包括端铣刀、立铣刀和球头铣刀，这类刀具以瑞典Sandvik公司和美国Kennametal公司的产品最为有名，中国也开始生产这类刀具。以往有不少企业家只重视机床设备的投资，却忽视了与之配套的高速刀具的购置，结果使高速机床不能充分发挥作用，这是认识上的一个误区，应该予以纠正。

CAD/CAM在模具工业中的应用

模具制造业是最早应用计算机技术来提高设计、制造水平的机械行业之一。自从高速加工技术被引进模具工业以来，计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助测量（CAT）、反求工程（RE）、计算机辅助工程（CAE）、计算机辅助制造（CAM）和快速原型制造（RP）等在模具制造中获得了广泛而有效的应用。下面只简要介绍高速加工中CAD技术和CAM技术的应用情况。

计算机辅助设计（CAD）主要用来解决产品造型设计问题，可完成模具设计和产品可装配性检查等工作。常用的软件有UG，Pro/Engineer，Mastercam和Cimatron等，这些软件都具有模具设计开发功能。运用知识工程技术(KBE)，把模具设计的原理、经验、技能和规范等结合到系统中，设计人员只要输入工况参数、工程参数或应用要求，系统就能自动推理构造出符合要求的数字化几何模型。有的设计软件（如UG）还具有数据读入、零件建模、缩放控制、自动模型布局、分模等功能，通过使用过程模板和标准件库，把过程向导技术应用于模具的优化设计中，使只有最基础模具设计概念的初级设计人员也能设计出高质量的模具来，大大提高了模具设计工作的效率。

由于模具的型腔大多由复杂曲面构成，在高速数控机床上加工时，CAM的数控编程是一项繁重的工作，编程质量在很大程度上决定了模具的加工质量。影响模具零件编程质量的主要因素有：加工工艺路线、刀具类型、切削用量、转角清根的处理以及加工精度与过切的检查等。高速加工的工艺路线是影响模具制造质量的主要因素。以往加工工艺是否合理完全决定于编程人员的个人经验，一不小心，常会忽略一些技术细节，如：下刀点不正确、抬刀的安全高度不够、没有定义过切检查面等。如果复查不严，不及时纠正，轻者会降低模具制造质量，造成工件返工；重者造成工件报废，甚至发生人身设备事故。

在高级CAM软件的虚拟加工仿真环境下，这个问题可以得到很好的解决：在计算机上虚构出高速数控机床的加工环境，放上一个预先做好的“毛坯”，让“刀具”进行动态模拟仿真，其情形就像真实加工过程一样。但仿真过程可以随时暂停，仿真时间可以自由控制，以便编程人员进行检查。模拟仿真结束後，编程人员即可根据“刀具”运行的情况和“工件”加工後的形状来调整加工工艺路线。这种虚拟加工技术，既可减轻编程人员的精神负担，又可保证模具的制造质量。釆用高速切削技术（HSC）和CAD/CAM技术後，模具的生产周期可缩短约40%。

应用实效

生产实践表明，高速加工技术在模具制造中有加工精度高、表面质量好和生产效率高等特点。以下举几个典型的应用实例。

以用于制造插座的压铸模具为例，材料的硬度为54HRC。釆用传统加工时的工艺过程是：粗加工—线切割—淬火—EDM成形—抛光，加工总工时为55h。釆用高速加工时的工艺过程是：粗加工—淬火—HSC—抛光，加工总工时仅为14.5h。工效提高近4倍。高速加工後的模具表面质量极佳，还可大幅度降低生产成本。

另一个例子是连杆的锻模，材料硬度为60HRC，原来用电火花加工型腔需15h，电极制作需2h，共计17h。改用高速硬铣削後，表面粗糙度达Ra0.5~0.6μm，质量完全符合要求，整个锻模加工只需200min，工效提高5倍。

如表1所列，当用直径为3mm的球头铣刀对锻模型面进行精铣加工时，为了实现151m/min的切削速度，主轴转速应达到16000r/min。

以生产卡车外壳的大型模具为例，现在釆用高速加工方法制造，粗加工刀具为直径25.4mm的球头铣刀，主轴转速9000r/min，进给速度5000mm/min；精加工刀具为直径8mm的球头铣刀，主轴转速20000r/min，进给量2000mm/min，高速铣削後达到的表面粗糙度为1μm。因此不必再进行手工研磨，只用油石抛光。和原来釆用的电加工工艺相比，手工操作时间减少了40%。

在某注塑模的高速加工中，材料硬度为56~58HRC。原来用电加工，每个零件需时90min；釆用直径为12mm球头铣刀以主轴转速15000r/min、工作台进给1500mm/min进行超高速加工後，加工每个零件只需5min，工效提高18倍。

这些实例说明，高速切削技术在模具制造中的应用效果是很好的，必须尽快推广应用。

发展前景

高速加工的加工精度高、表面质量好，生产效率很高，在模具工业中的应用效果非常好，传统的电加工工艺无法与之匹敌，完全符合现代制造技术“高效率、高精度和高度自动化”的发展方向，有广阔的应用前景。

当然，电火花成形加工对一些尖角、窄槽、深小孔和过于复杂的型腔表面的精密加工还是有用的。高速加工还不能完全代替电火花成形加工，两者应该扬长避短，相辅相成。同时应该看到，高速加工的一次性设备投资比较大，并不是所有模具厂都能承受，而且中国目前还有大量的小型模具厂和电加工作坊存在，短期内高速加工对电加工还不会造成太大的威胁。但是应该看到，高速加工在发达国家模具制造工业中已处于主流地位，目前更以其巨大的优势，猛烈地冲击传统的电加工工艺，模具工业大规模设备更新的时代即将到来，有远见、有实力的企业家应该首选高速加工这个当今世界模具制造的主流技术，主动迎接新技术革命的挑战。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (11/19/2004)


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