一、前言
模具作為模壓產(chǎn)品生產(chǎn)的關(guān)鍵工裝，其設(shè)計(jì)與生產(chǎn)周期日益成為決定新產(chǎn)品開發(fā)周期的決定因素。目前工業(yè)發(fā)達(dá)國家的航空航天、汽車、機(jī)械、模具、機(jī)床等行業(yè)首先得益于該項(xiàng)新技術(shù)，使上述行業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量明顯提高，成本大幅度降低，獲得了市場競爭優(yōu)勢。在汽車工業(yè)中，過去新車型的開發(fā)周期一般為10年，現(xiàn)在縮短為2～3年。福特、通用、豐田等公司的新車型開發(fā)周期僅為1年半，這一切都得益于企業(yè)模具設(shè)計(jì)與制造手段的現(xiàn)代化水平的提高。高速切削技術(shù)逐漸應(yīng)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(shí)間和研制時(shí)間的同時(shí)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(shù)主要應(yīng)用于汽車工業(yè)、模具行業(yè)、航空航天行業(yè)，尤其是在加工復(fù)雜曲面的領(lǐng)域，工件本身或刀具系統(tǒng)剛性要求較高的加工領(lǐng)域，顯示了強(qiáng)大的功能。國內(nèi)高速切削加工技術(shù)的研究與應(yīng)用始于20世紀(jì)90年代，也是主要應(yīng)用于模具、航空、航天和汽車工業(yè)，但采用的高速切削CNC機(jī)床、高速切削刀具和CAD/CAM軟件等以進(jìn)口為主。
二、高速切削加工應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)
數(shù)控高速切削加工作為模具制造中最為重要的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)，是集高效、優(yōu)質(zhì)、低耗于一身的先進(jìn)制造技術(shù)。在常規(guī)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(yīng)用得到了解決。其切削速度、進(jìn)給速度相對(duì)于傳統(tǒng)的切削加工，以級(jí)數(shù)級(jí)提高，切削機(jī)理也發(fā)生了根本的變化。與傳統(tǒng)切削加工相比，切削加工發(fā)生了本質(zhì)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(dòng)幾乎消失。隨著切削速度的提高，單位時(shí)間毛坯材料的去除率增加，切削時(shí)間減少，加工效率提高，從而縮短了產(chǎn)品的制造周期，提高了產(chǎn)品的市場競爭力。同時(shí)，高速加工的小量快進(jìn)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(yīng)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(zhuǎn)速的提高使切削系統(tǒng)的工作頻率遠(yuǎn)離機(jī)床的低階固有頻率，而工件的表面粗糙度對(duì)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(fèi)時(shí)的電加工時(shí)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(yōu)點(diǎn)在資金回轉(zhuǎn)要求快、交貨時(shí)間緊急、產(chǎn)品競爭激烈的模具等行業(yè)是非常適宜的。
1.高速切削加工
高速加工切削系統(tǒng)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(tǒng)、高速切削刀具、安全可靠的高速切削CAM軟件系統(tǒng)等構(gòu)成，因此，高速加工實(shí)質(zhì)上是一項(xiàng)大的系統(tǒng)工程。隨著切削刀具技術(shù)的進(jìn)步，高速加工已可以應(yīng)用于加工合金鋼（HRC>30），廣泛地應(yīng)用于汽車和電子元件產(chǎn)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(shí)對(duì)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(shí)為常規(guī)采用的順銑速度。
隨著高速加工的應(yīng)用范圍擴(kuò)大，對(duì)新型刀具材料的研究、刀具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)、數(shù)控刀具路徑新策略的產(chǎn)生和切削條件的改善等也有所提高。而且，切削過程的計(jì)算機(jī)輔助模擬技術(shù)也出現(xiàn)了，這項(xiàng)技術(shù)對(duì)預(yù)測刀具溫度、應(yīng)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(yīng)用代表了鑄鐵、鑄鋼和合金鋼的高速切削應(yīng)用范圍的擴(kuò)大。工業(yè)領(lǐng)先的國家在沖模和鑄模制造方面，研制時(shí)間大部分耗費(fèi)在機(jī)械加工和拋光加工工序上，如圖1所示。沖�；蜩T模的機(jī)械加工和拋光加工約占整個(gè)加工費(fèi)用的2/3，而高速銑可正好用來縮短研制周期，降低加工費(fèi)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(jī)床
超高速切削技術(shù)是切削加工的發(fā)展方向，也是時(shí)代發(fā)展的產(chǎn)物。高速切削技術(shù)是切削加工技術(shù)的主要發(fā)展方向之一，它隨著CNC技術(shù)、微電子技術(shù)、新材料和新結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展而邁上更高的臺(tái)階。然而，高速切削技術(shù)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(jī)理、刀具在載荷變化過程中的破損、建立高速切削數(shù)據(jù)庫、開發(fā)適用于高速切削加工狀態(tài)的監(jiān)控技術(shù)和綠色制造技術(shù)等。高速切削所用的CNC機(jī)床、刀具和CAD/CAM軟件等，技術(shù)含量高，價(jià)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(shù)的推廣應(yīng)用。高速切削的高效應(yīng)用要求機(jī)床系統(tǒng)中的部件都必須先進(jìn)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
(1)機(jī)床結(jié)構(gòu)的剛性
要求提供高速進(jìn)給的驅(qū)動(dòng)器(快進(jìn)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(zhuǎn)速，通過主軸壓縮空氣或冷卻系統(tǒng)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(shù)據(jù)傳輸率，能夠自動(dòng)加減速。
(4)可靠性與加工工藝
能夠提高機(jī)床的利用率（6000h/y）和無人操作的可靠性，工藝模型有助于對(duì)切削條件和刀具壽命之間關(guān)系的理解。
常見國內(nèi)外高速加工中心的代表如表1所示。與傳統(tǒng)普通數(shù)控機(jī)床相比，其機(jī)床結(jié)構(gòu)、加工速度和性能表現(xiàn)更加優(yōu)秀，如德國的DMC85高速加工中心，采用直線電機(jī)和電主軸，其主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到30000r/min，進(jìn)給速度達(dá)到120m/min，加速度超過1g（重力加速度）。高速機(jī)床要求高性能的主軸單元和冷卻系統(tǒng)、高剛性的機(jī)床結(jié)構(gòu)、安全裝置和監(jiān)控系統(tǒng)以及優(yōu)良的靜動(dòng)力特性等，具有技術(shù)含量高、機(jī)床制造難度大等特點(diǎn)。目前國內(nèi)的高速機(jī)床，其性能與國外相比還存在一定的差距。
表1 國內(nèi)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(shí)離心力和振動(dòng)的影響，要求刀具具有很高的幾何精度和裝夾重復(fù)定位精度，很高的剛度和高速動(dòng)平衡的安全可靠性。由于高速切削加工時(shí)較大的離心力和振動(dòng)等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的7:24錐度刀柄系統(tǒng)在進(jìn)行高速切削時(shí)表現(xiàn)出明顯的剛性不足、重復(fù)定位精度不高、軸向尺寸不穩(wěn)定等，主軸的膨脹引起刀具及夾緊機(jī)構(gòu)質(zhì)心的偏離，影響刀具的動(dòng)平衡能力。目前應(yīng)用較多的是HSK高速刀柄和國外現(xiàn)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(tǒng)，其剛性較好，但是刀具可換性較差，一個(gè)刀柄只能安裝一種連接直徑的刀具。由于此類加熱系統(tǒng)比較昂貴，在初期時(shí)采用HSK類的刀柄系統(tǒng)即可。當(dāng)企業(yè)的高速機(jī)床數(shù)量超過3臺(tái)以上時(shí)，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(chǎn)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(dòng)等載荷，因此其硬度和耐磨性、強(qiáng)度和韌性、耐熱性、工藝性能和經(jīng)濟(jì)性等基本性能是實(shí)現(xiàn)高速加工的關(guān)鍵因素之一。同時(shí)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(duì)不同工件材料切削加工的適應(yīng)性能力。高速切削加工的刀具技術(shù)發(fā)展速度很快，應(yīng)用較多的如金剛石（PCD）、立方氮化硼（CBN）、陶瓷刀具、涂層硬質(zhì)合金、（碳）氮化鈦硬質(zhì)合金TIC（N）等。目前由于高速機(jī)床和刀具材料價(jià)格比較昂貴是影響高速加工在國內(nèi)普及的重要原因之一。其中涂層硬質(zhì)合金在高速加工中應(yīng)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(fù)合材料的高速切削。
表2 常用高速刀具材料切削適應(yīng)性
在加工鑄鐵和合金鋼的切削刀具中，硬質(zhì)合金是最常用的刀具材料。硬質(zhì)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(zhì)合金刀具采用硬的涂層材料進(jìn)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(nèi)，且有碳氮化鈦涂層的硬質(zhì)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(jù)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(zhì)合金刀具加工鋁合金材料的切削參數(shù)。
應(yīng)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(dá)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(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證，在復(fù)合材料的銑削加工過程中由于切屑呈現(xiàn)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(zhì)合金要好。鈦合金的切削采用涂層硬質(zhì)合金和YG8的普通硬質(zhì)合金比較理想。
表3 硬質(zhì)合金鋁合金的高速切削參數(shù)
4.高速切削數(shù)控編程
高速銑削加工對(duì)數(shù)控編程系統(tǒng)的要求越來越高，價(jià)格昂貴的高速加工設(shè)備對(duì)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(tǒng)切削特殊的工藝要求，除了要有高速切削機(jī)床和高速切削刀具外，具有合適的CAM編程軟件也是至關(guān)重要的。數(shù)控加工的數(shù)控指令包含了所有的工藝過程，一個(gè)優(yōu)秀的高速加工CAM編程系統(tǒng)應(yīng)具有很高的計(jì)算速度、較強(qiáng)的插補(bǔ)功能、全程自動(dòng)過切檢查及處理能力、自動(dòng)刀柄與夾具干涉檢查、進(jìn)給率優(yōu)化處理功能、待加工軌跡監(jiān)控功能、刀具軌跡編輯優(yōu)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(wěn)，這會(huì)直接影響加工質(zhì)量和機(jī)床主軸等零件的壽命；最后，要盡量使刀具載荷均勻，這會(huì)直接影響刀具的壽命。
(1)CAM系統(tǒng)應(yīng)具有很高的計(jì)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(duì)傳統(tǒng)數(shù)控加工程序要大得多，因而要求計(jì)算速度要快，要方便節(jié)約刀具軌跡編輯，優(yōu)化編程的時(shí)間。
(2)全程自動(dòng)防過切處理能力及自動(dòng)刀柄干涉檢查能力
高速加工以傳統(tǒng)加工近10倍的切削速度進(jìn)行加工，一旦發(fā)生過切對(duì)機(jī)床、產(chǎn)品和刀具將產(chǎn)生災(zāi)難性的后果，所以要求其CAM系統(tǒng)必須具有全程自動(dòng)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(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)能夠自動(dòng)提示最短夾持刀具長度，并自動(dòng)進(jìn)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(duì)加工工藝走刀方式比傳統(tǒng)方式機(jī)能有著特殊要求，因而要求CAM系統(tǒng)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(shí)加工的安全性，CAM系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)加工瞬時(shí)余量的大小，自動(dòng)對(duì)進(jìn)給率進(jìn)行優(yōu)化處理，以確保高速加工刀具受力狀態(tài)的平穩(wěn)性，提高刀具的使用壽命。CAM軟件在生成刀具軌跡方面應(yīng)具備以下功能：
☆應(yīng)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(shè)備的損壞；
☆應(yīng)保持刀具軌跡的平穩(wěn)，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(diǎn)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(yīng)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(yīng)避免全力寬切削；
☆刀具軌跡編輯優(yōu)化功能非常重要，避免多余空刀，可通過對(duì)刀具軌跡的鏡像、復(fù)制、旋轉(zhuǎn)等操作，避免重復(fù)計(jì)算；
☆刀具軌跡裁剪修復(fù)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(shí)的編程，此時(shí)只需修改變化的部分，無須對(duì)整個(gè)模型重編；
☆可提供優(yōu)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(zhì)量的加工表面及細(xì)微結(jié)構(gòu)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(yīng)采取的工藝方案是高切削速度、高進(jìn)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(yīng)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(qū)域僅一次進(jìn)刀，在不抬刀的情況下生成連續(xù)光滑的刀具路徑，進(jìn)、退刀方式采用圓弧切入、切出。螺旋等高方式的特點(diǎn)是，沒有等高層之間的刀路移動(dòng)，避免頻繁抬刀、進(jìn)刀對(duì)零件表面質(zhì)量的影響及機(jī)械設(shè)備不必要的耗損。對(duì)陡峭和平坦區(qū)域分別處理，計(jì)算適合等高及適合使用類似3D偏置的區(qū)域，并且同時(shí)可以使用螺旋方式，在很少抬刀的情況下生成優(yōu)化的刀具路徑，獲得更好的表面質(zhì)量。在高速加工中運(yùn)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(wěn)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(zhì)量，輕松實(shí)現(xiàn)精細(xì)區(qū)域的加工，如小的圓角、溝槽等。
對(duì)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(huì)出現(xiàn)的頻繁的方向改變，從而提高加工速度，減少刀具磨損。這個(gè)策略可以在很少抬刀的情況下生成連續(xù)光滑的刀具路徑。這種加工技術(shù)綜合了螺旋加工和等高加工策略的優(yōu)點(diǎn)，刀具負(fù)荷更穩(wěn)定，提刀次數(shù)更少，可縮短加工時(shí)間，減小刀具損壞機(jī)率。它還可改善加工表面質(zhì)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(qū)域的等高精加工和平坦區(qū)域三維等距精加工方法結(jié)合起來使用。
采用高速加工設(shè)備之后，對(duì)編程人員的需求量將會(huì)增加，因高速加工工藝要求嚴(yán)格，過切保護(hù)更加重要，故需花多的時(shí)間對(duì)NC指令進(jìn)行仿真檢驗(yàn)。一般情況下，高速加工編程時(shí)間比一般加工編程時(shí)間要長得多。為了保證高速加工設(shè)備足夠的使用率，需配置更多的CAM人員�，F(xiàn)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(guān)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(tái)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(yīng)用實(shí)例
模具的高速加工技術(shù)逐漸成為我國模具工業(yè)技術(shù)改造最主要的內(nèi)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(guān)。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(duì)于小型模具的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的加工，主軸速度可達(dá)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(jī)械加工時(shí)間主要耗費(fèi)在生產(chǎn)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(diào)質(zhì)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(yù)先熱處理到HRC30時(shí)加工，然后在淬火到HRC50～55。在壓鑄模的應(yīng)用中，熱鍛模具鋼4Cr5MoV1Si在HRC46狀態(tài)時(shí)仍可進(jìn)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(huán)境下編制的某基于SMC成型的大型覆蓋件熱壓模凹模的數(shù)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(shí)采用了Ф40的鑲齒螺旋銑刀，切削參數(shù)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(jìn)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(tái)下，對(duì)某采用40Cr的注射模進(jìn)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(tǒng)的數(shù)控機(jī)床，由于其主軸轉(zhuǎn)速的限制，其高速切削用量：粗加工采用Ф20的刀具、轉(zhuǎn)速2000r/min、進(jìn)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(zhuǎn)速3500r/min、進(jìn)給率3000mm/min。
圖7 注射模高速銑削刀具軌跡示意圖
五、結(jié)束語
高速加工技術(shù)是世界范圍內(nèi)倍受關(guān)注的前沿技術(shù)，它將極大地促進(jìn)加工的效率提高和產(chǎn)品品質(zhì)的改善。正如前文所述，高速加工是一個(gè)系統(tǒng)工程，他要求從軟件、硬件及設(shè)備方面的全方位的改革，但由于其具有傳統(tǒng)加工無可比擬的優(yōu)勢，仍將是今后加工技術(shù)必然的發(fā)展方向。（王華僑 王德躍） |
