模具制造中的高速加工技術(shù)

楊淑君

黃巖第一職業(yè)技術(shù)學(xué)校，浙江臺(tái)州 318020

1 模具制造技術(shù)的發(fā)展與變化

在模具行業(yè)快速發(fā)展的今天，對(duì)于模具的加工性能以及使用壽命的要求都越來越高，無(wú)論是哪種類型的模具，在其模具型腔的組成元件中，都應(yīng)該采用強(qiáng)度較高且耐磨性好的材料來進(jìn)行制造。由于這些材料在熱處理之后將具有很高的硬度，因此傳統(tǒng)的加工方式無(wú)法對(duì)其進(jìn)行加工。面對(duì)這種情況最好的解決方法，當(dāng)數(shù)使用特種加工。而我國(guó)的模具型腔加工，在很長(zhǎng)一個(gè)時(shí)期都是由電火花加工獨(dú)霸天下。

電火花加工屬于一種以放電燒蝕的微切削技術(shù)，其加工時(shí)間非常長(zhǎng)，并且使用電火花在工件的表面，實(shí)施局部高溫放電式的燒蝕時(shí)，容易造成工件表面的某些性能受到損傷，從而在其表面出現(xiàn)一些微細(xì)裂紋，導(dǎo)致表面粗糙度不能滿足模具的相關(guān)要求。此外，在完成電加工之后的工件，還需要進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的手工研磨以及拋光處理，這些都是造成其生產(chǎn)效率低的重要原因，然而在許多領(lǐng)域中，模具在其新產(chǎn)品的開發(fā)速度及生產(chǎn)效率中，都起著非常重要的作用，因此，急需對(duì)其加工技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新。

經(jīng)過不斷的探索與研究，模具制造出現(xiàn)了一項(xiàng)全新的技術(shù)——高速加工技術(shù)。其具有產(chǎn)品質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高以及能處理造型復(fù)雜的各種薄壁或硬質(zhì)的零件等特點(diǎn)。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在模具的加工技術(shù)中，高速加工已代替了傳統(tǒng)加工中85%的份額，真正成為了當(dāng)前模具制造技術(shù)中的主流趨勢(shì)。

2 模具制造技術(shù)中的高速機(jī)床

高速機(jī)床必須滿足的技術(shù)要求包括：

主軸轉(zhuǎn)速快且功率高。一般情況下在對(duì)模具型腔的曲面進(jìn)行高速加工時(shí)，常選用的是直徑較小的球頭銑刀，因?yàn)樗闹睆皆?mm～12mm之間，所以要求主軸必須具有極高的轉(zhuǎn)速，有的轉(zhuǎn)速能達(dá)到20000r/min～80000r/min，以便能夠進(jìn)行高速切削。同時(shí)，由于型腔無(wú)論是粗加工還是細(xì)加工，均由工件的一次裝夾而成，因此，必須要求主軸具有的功率要高，通常在中等規(guī)格的加工中，其主軸的功率應(yīng)保持在10kW～40kW及以上。

機(jī)床的剛度要好。由于模具材料普遍的硬度及強(qiáng)度都很高，且常用于模具型腔加工的小直徑立銑刀，具有伸長(zhǎng)量較大的特點(diǎn)，所以在加工過程中極易出現(xiàn)顫振現(xiàn)象，所以應(yīng)采用剛度大且精度高的電主軸。同時(shí)，為了提高工件的表面質(zhì)量及加工精度，機(jī)床還應(yīng)具有極好的動(dòng)、靜態(tài)剛度，從而使機(jī)床的抗振能力、跟蹤精度及定位精度都得到一定程度的提高。

加速性能極佳。主軸一般從啟動(dòng)開始到加速至最大轉(zhuǎn)速，所需的時(shí)間為1s～2s。工作臺(tái)在進(jìn)行加速與減速時(shí)，也從常規(guī)的0.1g～0.2g，提高到了現(xiàn)在的1g～5g，以保證小圓角半徑在曲面加工時(shí)，能有效實(shí)現(xiàn)高速加工，并滿足型面的幾何精度要求。此外，對(duì)于機(jī)床進(jìn)給速度來說則不能過快，通常保持在30m/min為宜。近來隨著變頻調(diào)速的主軸電動(dòng)機(jī)與直線電動(dòng)機(jī)被廣泛應(yīng)用于高速機(jī)床上，為模具制造中充分利用高速加工技術(shù)，創(chuàng)造了更有利的條件。針對(duì)某些復(fù)雜的模具制造時(shí)，還可以使用五軸聯(lián)動(dòng)加工中心。這種機(jī)床的特點(diǎn)是除了直線運(yùn)動(dòng)的3個(gè)坐標(biāo)外，同時(shí)還有進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的2個(gè)坐標(biāo)，銑頭還可以與工作臺(tái)進(jìn)行多軸聯(lián)動(dòng)，從而把連續(xù)回轉(zhuǎn)進(jìn)給變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，非常適合于加工較為復(fù)雜的腔曲面模具零件時(shí)使用。

3 模具制造技術(shù)中的高速刀具

高速刀具在模具的高速加工技術(shù)中，占據(jù)著非常重要的地位。由于在進(jìn)行高速切削的時(shí)候，所產(chǎn)生出來的切削熱及對(duì)刀具的磨損程度，均比常規(guī)切削速度時(shí)要高出許多，所以在使用高速切削時(shí)，對(duì)刀具材料在性能方面便有了更高的要求。理想中的刀具材料首先必須滿足高硬度、高強(qiáng)度及耐磨性好的要求；其次，還應(yīng)該具有抗沖擊力強(qiáng)與韌度高的特點(diǎn)；另外就是化學(xué)穩(wěn)定性與熱硬性良好，具有較強(qiáng)的抗熱沖擊力。然而在實(shí)際的加工過程中，同時(shí)具備上述要求的材料還未找到，因此，常規(guī)的處理辦法是在抗沖擊力強(qiáng)的刀具材料基體上，覆蓋上具有耐磨性高與熱硬性好的涂層，或者是在硬質(zhì)合金或者陶瓷材料基體上，燒結(jié)上金剛石一類的超硬材料，使之成為性能優(yōu)良的高速加工刀具。在對(duì)刀具材料進(jìn)行選擇的時(shí)候，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)工件材料、加工精度、加工工序以及表面質(zhì)量要求等，進(jìn)行合理的分析以后再選擇適宜的刀具材料。

此外，加工刀具的結(jié)構(gòu)、精度、動(dòng)平衡以及斷屑和排屑能力等，都會(huì)對(duì)高速切削在表面質(zhì)量、生產(chǎn)效率以及刀具使用壽命等方面，造成直接的影響，因此，在進(jìn)行設(shè)計(jì)與選擇的時(shí)候，必須做到科學(xué)且合理，同時(shí)還應(yīng)充分考慮到安全性能方面的問題。例如：對(duì)于模具零件的平面進(jìn)行粗、精加工時(shí)，立銑刀應(yīng)選擇帶有可轉(zhuǎn)位刀片的。并且，為了使軸向加工的精度以及高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中刀具的安全得到有力保障，刀具與機(jī)床在連接的方式上，幾乎不再使用過去7∶24長(zhǎng)錐度刀柄，取而代之的是錐度為1∶10的HSK空心刀柄。

4 模具制造技術(shù)中的CAD/CAM

對(duì)于有效利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來使其自身的設(shè)計(jì)與制造水平，能得到有效提高的行業(yè)之一便是模具制造業(yè)。從高速加工被廣泛用于模具制造以來，CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）、CAT（計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量）及CAM（計(jì)算機(jī)輔助制造）等，均在模具制造中得到了更加有效的應(yīng)用。

其中CAD常用于對(duì)產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)問題進(jìn)行處理，還能勝任對(duì)產(chǎn)品的可裝配性檢查以及對(duì)模型的設(shè)計(jì)工作，例如Cimatron、Mastercam及UG等軟件，均具備模具的設(shè)計(jì)與開發(fā)功能。值得一提的是UG這種設(shè)計(jì)軟件，它具有零件建模、數(shù)據(jù)讀入及自動(dòng)模型布局等功能，只要充分利用好標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)與過程模板，便能讓初級(jí)設(shè)計(jì)人員同樣可以設(shè)計(jì)出高品質(zhì)、高性能的模具來，最終達(dá)到有效提高模具的設(shè)計(jì)工作效率。

因?yàn)槟＞咝颓欢嘤山Y(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的曲面組合而成，所以對(duì)于數(shù)控編程來說這將是一項(xiàng)非常繁瑣的工作，并且編程質(zhì)量還會(huì)對(duì)模具加工質(zhì)量起到?jīng)Q定性的作用。在實(shí)際的操作過程中，影響編程質(zhì)量的因素很多，其中最主要的因素是加工工藝路線。傳統(tǒng)的加工工藝全憑編程人員自身的經(jīng)驗(yàn)，很容易出現(xiàn)不合理、不科學(xué)的情況，導(dǎo)致模具制造的質(zhì)量有所下降，從而使工件進(jìn)行返工，嚴(yán)重時(shí)還可使工件直接報(bào)廢，甚至于引發(fā)安全事故。若采用CAM軟件虛擬出一個(gè)加工仿真環(huán)境，那此類問題將迎刃而解。以虛擬仿真的方式，可對(duì)實(shí)際的加工環(huán)境及加工過程，進(jìn)行一次動(dòng)態(tài)化的模擬，它所展現(xiàn)出來的情景與真實(shí)加工的過程無(wú)任何不同。在模擬結(jié)束之后，技術(shù)人員便可根據(jù)模擬中反應(yīng)出來的各種情況，對(duì)加工工藝的路線進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。應(yīng)用了這項(xiàng)技術(shù)之后，不但可以使編程人員從巨大的精神負(fù)擔(dān)中解脫出來，又可以有效提高模具的加工質(zhì)量。

5 結(jié)論

高速加工技術(shù)，它是當(dāng)前制造業(yè)中較為先進(jìn)的技術(shù)之一，是在電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，與市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)不斷進(jìn)步下，所產(chǎn)生的一項(xiàng)新技術(shù)。它除了能夠有效提高模具在制造與加工時(shí)的速度與效率，同時(shí)還提高了模具本身的質(zhì)量。相信在加工設(shè)備與加工材料不斷進(jìn)行新舊更替的今天，高速加工技術(shù)在經(jīng)過了不斷的改進(jìn)與完善后，其技術(shù)性能必將更加成熟穩(wěn)定。

當(dāng)然，電加工技術(shù)也有其適宜的加工范圍，例如對(duì)一些較深的小孔、表面精密加工、尖角以及窄槽的加工。所以，高速加工技術(shù)只能說在某些方面的加工效果，要明顯優(yōu)于電加工技術(shù)，但卻不能完全取代電加工技術(shù)，因此，二者應(yīng)做到取長(zhǎng)補(bǔ)短，相輔相成，為模具加工提供更實(shí)用的技術(shù)。并且還有一點(diǎn)是需要我們注意的，對(duì)于高速加工設(shè)備來說，其一次性資金投入量較大，某些規(guī)模不是很大的模具廠根本無(wú)力承受。而從我國(guó)模具廠的規(guī)模來看，小規(guī)模的模具廠與電加工工廠數(shù)量不在少數(shù)，所以在短期內(nèi)高速加工技術(shù)還不會(huì)給電加工技術(shù)帶來太大的沖擊力。

但是可以肯定的是，在不久的將來高速加工技術(shù)，一定能成為我國(guó)模具加工中的主要技術(shù)之一，模具行業(yè)也將迫于形勢(shì)對(duì)加工設(shè)備進(jìn)行更新?lián)Q代，當(dāng)前許多實(shí)力強(qiáng)大且有遠(yuǎn)見的模具制造企業(yè)，都紛紛開始引進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)，以此增強(qiáng)自身的競(jìng)爭(zhēng)力，把被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)，從而更好地迎接由新技術(shù)所帶來的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

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