模具高速加工技術

當今企業的競爭集中表現在產品款式、新產品開發周期及產品生產規模方面。模具作為新產品生產的關鍵工裝，其設計與生產日益成為新產品開發周期的決定因素。在汽車工業中，過去新車型的開發周期一般為十年，現在縮短為二到三年，福特及豐田新車型的開發周期僅為一年半，這一切都得益于企業模具設計與制造水平的提高。


高速加工技術隨著數控加工設備與高性能加工刀具技術的發展而日益成熟，極大地提高了模具加工速度，減少了加工工序，縮短甚至消除了耗時的鉗工修復工作，從而大大地縮短了模具的生產周期。模具的高速加工技術逐漸成為我國模具工業技術改造最主要的內容之一。什么是高速加工？高速加工與傳統加工在加工工藝上有什么區別？高速加工對加工設備、刀具、夾具及相應的CAD/CAM系統提出了什么特殊的要求？高速加工有哪些技術優勢？這些一直是我國模具行業面臨的主要問題。

英國Delcam公司是世界上最早致力于高速加工工藝及相應CAD/CAM技術研究的專業CAD/CAM集成系統開發商之一。該公司也是世界上唯一擁有大型模具加工車間的CAD/CAM軟件系統開發商。Delcam公司模具車間自1985年購進多臺Briageport VF1000 高速加工中心，又于1995年引進行程為6m的Mecof 5軸聯動高速加工中心，以進一步加強高速加工工藝及CAM系統的研究。1999年3月又成功地舉辦了歐洲首屆HSM技術研討會暨HSM現場加工展示會，來自世界各地的100多位專家介紹了各自的經驗。

高速加工技術在我國剛剛起步，眾多企業非常關注高速加工的發展及在模具行業的應用，以及高速加工的工藝特點，高速加工對設備、刀具的特殊要求以及高速加工對CAD/CAM系統的特殊要求。故將Delcam HSM技術研討會暨HSM現場加工展示會的資料整理成文，希望與我國從事模具高速加工的工程技術人員交流。

關于高速加工的定義



60多年前，Salomon提出高速加工的概念，并對高速加工進行了深入的研究，其研究成果表明：隨著切削線速度的增加，溫度及刀具磨損會劇烈增加，當切削線速度達到某臨界值時，切削溫度及切削力會減小，后又隨著切削速度的增加而急劇增加。從圖1可看出，以刀具磨損的切削力為限制條件，前一個低于該值的區域是傳統加工，后一個低于該值的區域為高速加工。由此也可看出，不同材料有不同的加工臨界值， 有其高速加工的特定范圍。刀具材料與質量是高速加工最主要的限制條件之一，故高速加工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。

高速加工是緣起自航空鋁合金材料零件的加工，高水平合金涂層刀具的壽命不是主要的限制因素。高速加工主要受設備主軸速度及材料熔點的限制，一般主軸速度為50000～60000r/min或更高。本文主要關注塑料模具、壓鑄模具、沖壓模具及鍛模等用的合金模具鋼的高速加工，這種材料的硬度一般超過洛氏50度，故高速加工的限制因素主要是刀具壽命，而非鋁加工中的主軸速度。對于小型模具細節結構的加工，主軸速度可達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。

高速加工的分類及優勢



Delcam高速加工的研究表明，高速加工按其目的而言應分為兩類，即以實現單位時間去除材料量最大為目的的高速加工，和以實現高質量加工表面與細節結構為目的的高速加工。任何模具的高速加工都是這兩類技術的綜合運用。相對而言，后者因極大地減少了鉗工拋光、修復時間，減少甚至消除了部分工序，因而大大縮短了模具的生產周期。

與傳統加工方式相比，高速加工（HSM）的優勢如下：


高速加工提高了模具加工的速度

對于精加工，從材料去除速度而言，高速加工比一般加工快四倍以上——盡管高速加工采取了非常小的進給速度與切深，對粗加工而言高速加工可理解為45m3/min的切削量。

高速加工可獲得高質量的加工表面

因高速加工采取了極小的進給量與切深，故可獲得很高的表面質量，有時甚至可以省去鉗工修光的工序，因表面質量的提高又省去了修光及點火花等工序所需的時間。

簡化了加工工序

傳統銑削加工只能在淬火之前進行，因淬火造成的變形必須要經手工修整或采用電加工最終成形�，F在則可以通過高速加工完成，省去了電極材料、電極加工編程及加工，以及電加工過程所需所有費用，而且不會出現電加工所導致的表面硬化。另外，由于高速加工切削量減少，便可使用更小直徑的刀具對更小的圓角半徑及模具細節進行加工，節省了部分加工或手工修整工藝。減少人工修光時間及工藝的簡化對縮短生產周期的貢獻甚至可超過高速加工速度提高而產生的價值。

使模具修復過程變得更加方便

模具在使用過程中往往需要多次修復，以延長使用壽命，過去主要是靠電加工來完成，如果采用高速加工可以更快地完成該工作，而且可使用原NC程序，無需重新編制，且能做到精確無誤。


高速加工(HSM)對機床及刀具的要求



高速加工對機床的要求


主軸速度應能達到12000～40000r/min；

進給速度應達40～60m/min；

快速移動速度達90m/min；

加速度為1g；

高剛性的機械結構；

高穩定、高剛度、冷卻良好的高速主軸；

精確的熱補償系統；

高速處理能力的控制系統（線性插補5-20Microns或NURBS插補功能）；

具有預處理能力的控制系統。


高速加工對刀具及裝夾的要求


刀夾、刀具的加速度小于3g；

刀具的徑向跳動小于0.015mm；

刀長一般小于刀具直徑的4倍。


高速加工(HSM)對CAM系統的要求



高速加工有著不同于傳統加工的特殊的加工工藝要求，而數控加工的數控指令包含了所有的工藝過程，故應用于高速加工的數控自動編程系統——CAM系統必須能夠滿足相應的特殊要求。


CAM系統應具有很高的計算編程速度

高速加工中采用非常小的進給量與切深，故對NC程序的要求比對傳統系統的NC程序要求要嚴格得多，要求計算速度要快且方便、節約編程時間等。另外，快的編程速度使操作人員能夠對多種加工工藝策略進行比較，以便采取最佳的工藝方案，并對刀具軌跡進行編輯、優化，以達到最佳的加工效率。

全程自動防過切處理能力及自動刀柄干涉檢查

高速加工以高出傳統加工近10倍的切削速度加工，一旦發生過切, 其后果不堪設想，故CAM系統必須具有全程自動防過切處理能力。傳統的曲面CAM系統是局部加工的概念，極容易發生過切現象，一般都是靠人工選擇干預的辦法來防止， 很難保證過切防護的安全性，只有通過新一代的、智能化的、面向對象的CAM系統，才能實現防過切處理全部由系統自動完成，才能真正保證其安全性。

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節結構。系統能夠自動提示最短夾刀長度并自動進行刀具干涉檢查，這對于高速加工非常重要。

進給率優化處理功能

為了能夠確保最大的切削效率，并保證在高速切削時加工的安全性，應根據加工瞬時余量的大小，由CAM系統自動對進給率進行優化處理。

符合高速加工要求的豐富的加工策略

與傳統方式相比，高速加工對加工工藝走刀方式有著特殊要求，因而要求CAM系統能夠滿足這些特定的工藝要求：



應避免刀具軌跡中走刀方向的突然變化，以避免因局部過切而造成刀具或設備的損壞。

應保持刀具軌跡的平穩，避免突然加速或減速。

下刀或行間過渡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。

行切的端點采用圓弧連接，避免直線連接。

除非情況必須如此，否則仍應避免全力寬切削。

殘余量加工或清根加工是提高加工效率的重要手段，一般應采用多次加工或采用系列刀具從大到小分次加工，直至達到所需尺寸，避免用小刀一次加工完成。

刀具軌跡編輯優化功能非常重要，應避免多余空刀，可通過對刀具軌跡的攝像、復制、旋轉等操作來避免重復計算。

刀具軌跡裁剪修復功能也很重要，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編程，僅需編輯修改邊際，無需對整個模型重新編程。


高速加工對編程人員的要求與編程方式的改變

采用高速加工設備之后，對編程人員的需求量將會增加，因高速加工工藝要求嚴格，過切保護更加重要，故需多花時間對NC指令進行仿真檢驗。一般而言，高速加工編程時間比普通加工編程時間要長得多，然而卻大大縮短了加工時間。為了保證高速加工設備足夠的使用率，需配置更多的CAM人員。

傳統CAD/CAM中，NC指令的編制是由遠離加工現場的CAD/CAM工程師來完成的，因編程與加工地點分離，往往因編程人員對現場條件及加工工藝不夠清楚而需要對NC指令進行反復檢驗與修改，影響正常使用。隨著CAM系統智能化水平的提高，已經出現了新一代獨立運行的智能化的CAM專業系統，如DELCAM公司的PowerMILL，其主要特點是面向對象的實體加工方式，而非傳統的曲面局部加工方式。只需輸入并選擇加工工藝，即可自動完成編程操作。編程的復雜程度與零件的復雜程度無關，只與加工工藝有關，因而非常易于掌握，只需短時間培訓即可掌握使用。在歐美發達國家，為了充分發揮NC設備操作人員的優勢，縮短加工時間間隔，機側編程已經成為逐漸流行的發展趨勢。