高速加工在模具制造中的應用

朱正方

江蘇江淮動力股份有限公司工裝模具廠，江蘇鹽城 224002

0 引言

高速加工技術是集材料科學、信息科學、控制理論和制造技術為一體的綜合高新技術，在汽車、模具、航空航天等制造領域得到了廣泛的應用，并取得了顯著的經濟效益。高速加工工具系統是高速精密數控機床的重要組成部分，其結構特性、動態性能、動平衡穩定性等直接影響和制約著高速加工的質量和效率。目前在模具制造中大量采用高速加工技術，這已經是大趨所驅。在國外很多知名的模具制造企業中，過去那種電火花機床加工已經基本上被高速機床加工所代替了，高速加工在模具制造中的應用大大提高了模具的生產質量和生產效率，具有極為重要的作用。

1 在模具制造中應用高速加工技術

眾所周知，模具制造的特點在于幾何形狀復雜、不能大規模大批量生產，只能單件小批量加工，由于這些原因的存在導致模具制造長期以來生產效率低、加工周期長。精加工淬硬模具在過去的模具加工工藝中，一般都是采用人工修光工藝和電火花加工工藝，這樣導致模具在進行后期加工的時候通常會花費很多的時間。因此，目前發展模具加工技術的首要任務就在于一定要有效地降低生產成本，與此同時縮短加工時間。近年來，隨著我國制造技術的不斷進步，模具制造加工工藝方面出現很多應用效果較好的新技術，如復合加工、電火花銑削成型加工、快速原型制模、CAD/CAE設計仿真、高速切削等，而在這些新技術中應用效果最好、最引人注目的就是高速切削加工技術。與傳統切削加工相比，高速切削加工與之最大的區別在于三個工藝參數的不同——切削深度、進給速度和主軸轉速。傳統切削加工一般都是采用大切削參數和低進給速度，而高速切削加工采用小切削參數和快進給速度。

高速切削加工模具具有其他很多的優點，它是以切削方式，利用機床的高進給速度和高轉速來完成模具制造過程中的多個生產工序。

1）速切削半精加工技術和粗加技術大大提高金屬切除率，有效地提高形狀精度、表面質量、特別適用于對于復雜曲面的模具進行制造加工，加工出來的模具表面光亮度高，而且表面粗糙度低，更具優勢；

2）高速加工技術可加工淬硬材料，它主要是采用高速切削刀具、工藝和機床來進行完成。與電火花加工相比，高速切削半精加工技術和粗加技術能夠有效提高生產效率50%，減少大量耗時的手工修磨。對于大型模具， 熱處理淬硬后進行精加工，而粗加工和半精加工應用于熱處理前。對于小型模具, 在一次裝夾中，在材料熱處理后，粗、精加工都能夠有效完成；

3）高速加工技術結合CAD/CAM技術來制造加工的模具工件熱變形小、切削力減小、發熱少，特別適用于快速加工薄壁類易變形、形狀復雜的電極；

4）高速加工技術可以提高模具壽命20%，這是因為它能夠大大減少表面損傷，這些損傷是由于模具精加工后造成的，有效避免磨削產生的微裂紋、燒傷和脫碳、電火花現象。

2 加工模具的高速切削機床

目前加工模具的高速切削機床正在朝著高速切削加工中心的方向發展，底座筋形采用有限元進行優化設計及分析，使機床具有很高的剛性；材料采用高密鑄鐵，強度高吸震性好。在設計上采用了具有很高剛性及回轉精度的靜壓軸承結構。機床具有C軸功能，C軸功能通過采用雙電機協同消隙結構來實現。X軸、Z軸采用伺服電機驅動。Z軸伺服電機通過行星齒輪減速箱與絲杠相連，具有較大的輸出扭矩及剛性。X軸伺服電機通過同步齒形帶與滾珠絲杠相連，提高了伺服電機的使用效率并增大了輸出扭矩。內置銑削主軸，可完成銑鉆攻絲等功能。機床標準卡盤為自制手動四爪卡盤，結構簡單維護方便。液壓系統選用變量葉片泵，液壓油箱放置在底座右側面，由防護與外界隔離。各個液壓回路均采用疊加閥安裝方式，結構緊湊，安裝方便。機床配備多個工位回轉刀庫，由液壓分度馬達驅動刀庫正轉或反轉，刀具到位后由液壓缸插銷定位。車刀與銑刀共用一個刀庫。機床數控系統標準配置采用著名國內外數控公司的數控系統，例如：SIEMENS公司生產的SIEMENS 840D數控系統。

選用刀具的好壞直接關系到高速加工技術的應用，加工模具的高速切削機床應該配備適宜高速切削的刀具。國內外各個刀具公司基本上都在近年來先后推出了多種高速切削刀具，有超硬刀具，諸如陶瓷刀具，這種刀具能夠直接高速切削淬硬鋼；還有物美價廉的加工普通結構鋼的高速切削刀具。另外值得注意的是， 在淬硬鋼的精加工和半精加工中，涂層刀具發揮著巨大作用。例如：某廠生產的金剛石薄膜涂層刀具就具有較好的使用性能，金剛石膜具有與天然金剛石相同的結構和性質。在刀具基體上涂層金剛石薄膜可以增強刀具硬度、減少摩擦力、提高切削效率、延長刀具使用壽命、提升加工精度、降低制造成本。鈉米金剛石膜刀具已廣泛應用于高硅鋁合金、石墨、陶瓷、玻璃纖維、碳纖維、實木地板、復合地板等難加工材料。而且還開發出應用于黑色金屬模具材料的金剛石涂層刀具。為滿足模具加工業和石墨、玻璃纖維、碳纖維材料加工業的需求，還有很多刀具企業正在重點開發加工硅鋁合金和鑄鐵零、部件的CVD面銑刀、車刀、鏜鉸刀、復合銑刀、倒角刀和DLC滾齒刀、復合鉆頭和鈉米金剛石膜立銑刀、球頭立銑刀等產品。開發TiN氮化鈦、TiCN氮碳化鈦、AITiN氮鋁化鈦、AITNPT氮鋁化鈦PT、AICrTiN氮鉻鋁鈦、CrN氮化鉻、CrC碳化鉻、CrNAC氮化鉻AC、C碳等各種傳統涂層刀具和來料加工。

總的來說，高速加工技術選用的刀具，要有較高的使用壽命，有較好的刀具形狀（包括動平衡性、表面精度、排屑性能等），有很好的材料性能（包括紅硬性、韌性、硬度）、刀具直徑不能小于刀長度的1/4 倍，刀具的徑向跳動要小于 0.015mm，刀夾的加速度達到 3g 以上等。

3 結論

總之，對于模具制造加工企業而言，高速切削是具有很大的吸引力，但是我們也要注意到，模具的高速切削加工設備運行成本高，要有復雜的計算機編程技術、對刀具的使用要求。大家必須有效地解決如何選擇和應用工藝實驗、刀具軌跡編程、合理的加工工藝、高速切削刀具、高速加工模具的機床等一系列問題。

[1]李偉.高速加工技術在現代模具制造中的應用[J].裝備制造技術，2010(3)：147-149.

[2]王軍.高速切削加工是汽車模具制造的發展趨勢[J].現代制造，2009(11)：141-143.