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高速切削加工在模具制造中的应用 |
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作者：北京航空制造工程研究所 徐哲 |
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高速切削加工在模具制造中得到了广泛的应用。它能改善模具的尺寸、形状和表面粗糙度，减少甚至省去手工修磨，从而降低生产成本和缩短制造周期。本文通过对传统模具加工工艺和高速模具加工工艺的对比，阐述了高速切削加工的优势。文中还简要介绍了高速切削加工在加工工艺方面的关键技术。
一、引言
高速切削加工是面向21世纪的一项高新技术，它是一种不同于传统加工的加工方式。与之相比，高速切削加工主轴转速高、切削进给速度高、切削量小，但单位时间内的材料切除量却增加3～6倍。它以高效率、高精度和高表面质量为基本特征，在汽车工业、航空航天、模具制造和仪器仪表等行业中获得了愈来愈广泛的应用，并已取得了重大的技术经济效益，是当代先进制造技术的重要组成部分。
用传统方式加工模具时，常采用电火花加工，但电极的设计与制造本身是一个费时费力的工艺过程。而采用高速切削加工后，由于狭小区域加工的实现和高质量的表面结果，让电极的使用率大大降低。另外，用高速铣来制造电极也可以使生产效率提高到一个新的档次。
绝大部分模具均可利用高速切削技术来加工，如锻模、压铸模、注塑与吹塑模等。锻模腔体较浅，刀具寿命较长；压铸模尺寸适中，生产率较高；注塑与吹塑模一般尺寸较小，比较经济。
二、高速切削加工模具相对传统加工模具的优势
1. 提高生产率
高速切削中主轴转速和进给速度的提高，可提高材料去除率。同时，高速切削可加工淬硬零件，许多零件一次装夹可完成粗、半精和精加工等全部工序，对复杂型面加工也可直接达到零件表面质量要求，因此，高速切削工艺往往可省却电火花加工、手工磨修等工序，缩短工艺路线，进而大大提高加工生产率。
2. 改善加工精度和表面质量
高速机床必须具备高刚性和高精度等性能，同时由于切削力低，工件热变形减少，刀具变形小，高速切削的加工精度很高。切削深度较小，而进给速度较快，加工表面粗糙度很小，切削铝合金时可达Ra0.4～0.6，切削钢件时可达Ra0.2～0.4。
3. 减少切削产生的热量
因为高速切削加工是浅切削，同时进给速度很快，刀刃和工件的接触长度和接触时间非常短，减少了刀刃和工件的热传导，避免了传统加工时在刀具和工件接触处产生大量热的缺点，保证刀具在温度不高的条件下工作，延长了刀具的使用寿命。如图1所示，A为高速切削加工时的热传导过程，B为传统加工的热传导过程。
图1 高速加工和传统加工的热传导
4. 有利于加工薄壁零件
高速切削时的切削力小，有较高的稳定性，可高质量地加工出薄壁零件。采用如图2所示分层顺铣的加工方法，可高速切削出壁厚0.2mm，壁高20mm的薄壁零件。此时，刀刃和工件的接触时间非常短，避免了侧壁的变形。
图2 高速切削薄壁零件
5. 可部分替代某些工艺，如电火花加工、磨削加工等
高强度和高硬度的加工也是高速切削的一大特点，目前，高速切削已可加工硬度达HRC60的零件，因此，高速切削能够加工经热处理硬化后的工件。在传统加工模具的工艺中，精加工前对热处理硬化后的工件需进行电火花加工，用高速切削加工替代传统切削的加工方法可以省去模具制造工艺中的电火花加工，简化了加工工艺和投资成本。
模具的尺寸、形状和表面粗糙度很重要，如果加工后的模具不能达到要求的质量精度，就需要大量的手工磨修工作，手工磨修能够得到较好的表面质量，但是它会影响模具的尺寸和形状精度。因此在模具加工还要尽量省去手工磨修，以提高模具质量，降低生产成本和制造周期。
图3为传统模具加工过程：毛坯→粗加工→半精加工→热处理硬化→电火花加工→精加工→手工磨修
图3传统模具加工的过程
图4为高速模具加工过程：硬化的毛坯→粗加工→半精加工→精加工
图4 高速模具加工的过程
在图4所示的高速模具切削加工过程中减少了两个工艺过程，大约缩短加工时间30%～50%。传统加工工艺中的电火花加工容易在熔化的加工表层形成硬化层，硬度可达1000Hv，给后面的切削加工和磨削加工带来困难。电火花加工还容易引起表层疲劳裂纹和刀具的破损。
6. 经济效益显著提高
综合上述种种优点，即：综合效率提高、质量提高、工序简化、机床投资和刀具投资以及维护费用增加等，采用高速切削工艺将使综合经济效益显著提高。
三、高速切削加工工艺关键技术
高速机床和高速刀具是实现高速切削的前提和基本条件，在高速切削加工中对高速机床的性能和刀具材料的选择有严格的要求。
为了实现高速切削加工，一般采用高柔性的高速数控机床、加工中心，也有的采用专用的高速铣、钻床。机床同时具有高速主轴系统和高速进给系统，高的主轴刚度特性，高精度定位功能和高精度插补功能，特别是圆弧高精度插补功能。
高速切削刀具与普通加工刀具的材料有很大不同。主要使用的刀具材料有硬质合金、聚晶金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)和陶瓷等。
高速切削的工艺技术也是进行高速切削加工的关键。切削方法选择不当，会使刀具加剧磨损，完全达不到高速加工的目的。实践证明，如果只有高速机床和刀具而没有良好的工艺技术作指导，昂贵的高速切削加工设备也不能充分发挥作用。高速切削加工工艺关键技术主要包括切削方法和切削参数选择的优化。
1. 切削方式的选择
在高速切削加工中，应尽量选用顺铣加工，因为在顺铣时，刀具刚切入工件产生的切屑厚度为最大，随后逐渐减小。在逆铣时，刀具刚切入工件产生的切屑厚度为最小，随后逐渐增厚，这样增加了刀具与工件的摩擦，在刀刃上产生大量热，所以在逆铣中产生的热量比在顺铣时多很多，径向力也大大增加。同时在顺铣中，刀刃主要受压应力，而在逆铣中刀刃受拉应力，受力状态较恶劣，降低了刀具的使用寿命，顺铣和逆铣时刀具切入工件的过程，如图5所示。
图5 刀具切入工件的过程示意
2. 保持恒定的金属去除率
高速切削加工适于浅的切深，切削深度不应超过0.2/0.2mm(ae/ap)，这是为避免刀具的位置偏差，确保加工模具的几何精度。保持恒定的金属去除率，保证加在工件上的切削载荷是恒定的，以获得下面几点好的加工效果：(1)可保持的恒定切削负载；(2)可保持切屑尺寸的恒定；(3)有较好的热转移；(4)刀具和工件均保持在较冷的状态；(5)不必熟练操作进给量和主轴转速；(6)可延长刀具的寿命；(7)能保证较好的加工质量等。
3. 走刀方式的选择
对于带有敞口型腔的区域，尽量从材料的外面走刀，以实时分析材料的切削状况。而对于没有型腔的封闭区域，采用螺旋进刀方式，在局部区域切入。
4. 尽量减少刀具的急速换向
尽量减少刀具的急速换向，由于之字形模式主要应用于传统加工，在高速切削加工中主要选择回路或单一路径切削。这是因为在换向时NC机床必须立即停止(紧急降速)然后再执行下一步操作。由于机床的加速局限性，而容易造成时间的浪费，急停或急动则会破坏表面精度，且有可能因为过切而产生拉刀或在外拐角处咬边。选择单一路径切削模式来进行顺铣，尽可能地不中断切削过程和刀具路径，尽量减少刀具的切入切出次数，以获得相对稳定的切削过程。
例如，在切削模具拐角的加工中，传统的加工方法是采用直线运动(G1)，当刀具切削到圆角处时，运动速度减慢，同时在进给换向时刀具的运动是不连续，在间歇的过程中会产生大量摩擦和热量，如果加工铝合金或其他轻合金，产生的热量将损坏工件表面质量。
如果使用高速切削加工的方法，使用小于切削模具拐角半径的刀具，利用高速机床高精度的圆弧插补功能(G2、G3)加工模具拐角，高速机床圆弧插补运动是连续过程，不会产生刀具的间歇运动，从而减少了刀具与模具接触长度和时间，避免产生大量的热。
5. 在Z方向切削连续的平面
传统加工型腔的方法是使用靠模铣削，这种加工方式增加了刀具切入、切出工件的次数，影响了工件的表面质量，限制了机床和刀具强大功能的发挥。在高速切削加工中，常采用Z方向切削连续的平面。采用比常规小的步距，从而降低每齿切削去除量，改善的加工表面的质量，缩短了加工时间。
四、结论
(1)高速切削加工采用高的切削速度和进给速度，小的径向和轴向切削深度，切削力小，加工表面粗糙度很小，刀具寿命提高；
(2)用高速切削加工方式替代传统加工方式加工模具，可以省去电火花加工和手工磨修，提高了模具加工的生产率，降低了生产成本，缩短了加工周期；
(3)在研究高速切削加工时，要与高速切削工艺技术紧密结合起来，真正实现高效率、高精度和高可靠性的目的。(end)
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(12/16/2004) |
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