加工中心高速切削技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用

黎文龍，熊 杰

（1.江西贛州技師學(xué)院，江西 贛州341000；2.江西環(huán)境工程職業(yè)學(xué)院，江西 贛州341000）

1 高速切削技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

（1）機(jī)床利用率高，加工效率高，高切削速度，單位時(shí)間內(nèi)金屬去除率高?？蓪?shí)現(xiàn)模具零件粗精一體化加工，減少了模具零件更換的時(shí)間，為單件自動(dòng)化生產(chǎn)提供了發(fā)展。

（2）切削力小，高速切削范圍內(nèi)，隨著切削速度的提高，切削力下降，適用于零件剛性差和薄壁零件的加工，如整體離心葉輪、航空測(cè)力試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⑹姌O加工等。模具零件的筋采用石墨電極加工，石墨筋位電極去除火花位壁厚最小只有0.15～0.3mm，易崩角、折斷，非高速切削很難加工，筋位深度大于15mm采用石墨電極加工。

（3）加工的零件精度高，表面質(zhì)量好，高速加工時(shí)鐵屑以很高的速度排出，95%以上的熱量被鐵屑帶走，減少零件加工內(nèi)應(yīng)力和熱變形量，高速切削在精密和超大型零件加工上的應(yīng)用，解決了模具質(zhì)量依賴于手工作業(yè)，依賴于鉗工研配技術(shù)，達(dá)到了模具只裝配少修模的效果，模具精度高，質(zhì)量可控，使用壽命長(zhǎng)。

（4）簡(jiǎn)化機(jī)加工工藝流程，高速切削高金屬去除率，小切削力，高轉(zhuǎn)速讓小直徑刀具0.5～1mm得到成功應(yīng)用，結(jié)合五軸加工應(yīng)用技術(shù)，減少EDM加工，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、綠色制造，降低了模具生產(chǎn)制造成本。

2 高速切削對(duì)數(shù)控機(jī)床要求

（1）主軸轉(zhuǎn)速高、功率大。目前使用于高速加工的數(shù)控機(jī)床，BT刀柄系列要求轉(zhuǎn)速大于8000r/min，HSK刀柄系列要求轉(zhuǎn)速大于12000r/min，主軸功率不小于15 kW，并且具有高效、快速的冷卻系統(tǒng)。

（2）快速進(jìn)給系統(tǒng)和快速移動(dòng)速度。機(jī)床結(jié)構(gòu)上常采用直線電機(jī)、滾珠絲杠以及無(wú)間隙直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，并減輕移動(dòng)部件的質(zhì)量，結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)無(wú)傳動(dòng)及進(jìn)給部件的高速移動(dòng)和快速準(zhǔn)確定位。

（3）高性能的CNC控制系統(tǒng)。高速切削加工技術(shù)采用的CNC數(shù)控系統(tǒng)必須具備高的數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算速度，保證實(shí)現(xiàn)高速插補(bǔ)、程序快速處理和有效的超前處理能力，提高刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡控制精度和最佳拐角減速度。

（4）高性能刀具夾持系統(tǒng)，是指由刀柄、夾頭和切削刀具所組成的完整的刀具體系。刀柄與機(jī)床主軸相連，切削刀具通過(guò)刀具夾頭裝入刀柄之中。要滿足高速銑削較高的系統(tǒng)精度，系統(tǒng)精度包括系統(tǒng)定位夾持精度和刀具重復(fù)定位精度，前者指刀具與刀柄、刀柄與機(jī)床主軸的連接精度；后者指每次換刀后刀具系統(tǒng)精度的一致性。較高的刀具系統(tǒng)剛度，刀具系統(tǒng)的靜、動(dòng)剛度是影響加工精度及切削性能的重要因素。刀具系統(tǒng)剛度不足會(huì)導(dǎo)致刀具系統(tǒng)振動(dòng)，從而降低加工精度，并加劇刀具的磨損，降低刀具的使用壽命。

3 高速切削數(shù)控編程技術(shù)

高速編程的軟件較多，如UG、PowerMILL、WorkNC、Cimatron等，但軟件只是工具，如何借助工具提供適用于HSC的NC代碼，是HSC加工實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)之一。

高速切削進(jìn)給速度是普通切削5～10倍，程序錯(cuò)誤（如過(guò)切、干涉、碰撞等）都會(huì)造成嚴(yán)重的事故。而高速加工無(wú)法靠操作工人急停來(lái)預(yù)防，任何意外事故都會(huì)給企業(yè)造成巨大損失。這就要求CAM系統(tǒng)必須具備全自動(dòng)的防過(guò)切、防碰撞等功能，保證NC代碼的絕對(duì)安全。PowerMILL是基于圖形，全程防過(guò)切、防碰撞的智能化CAM系統(tǒng)，并結(jié)合Vericut仿真驗(yàn)證可確保程序的安全性，在大型模具和高速加工的實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。

在高速加工的數(shù)控編程中主要注意事項(xiàng)有：

（1）避免高速加工中機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的慣性。盡可能采用恒定的進(jìn)給速度，高速加工突然改變方向就像在高速路上緊急剎車，會(huì)造成巨大安全隱患，甚至損壞機(jī)床。模具零件加工中刀具路徑軌跡需要時(shí)刻改變方向，這就要求在改變進(jìn)給方向之前采用圓角減速降低切削速度，或者編程時(shí)全部采用圓弧過(guò)渡，螺旋線進(jìn)刀，以使刀具轉(zhuǎn)向變得盡量平穩(wěn)可靠。

（2）高速粗加工采用工藝方案是高切削速度，高進(jìn)給率，小切削深度和小切削寬度的組合，并采用螺旋進(jìn)刀，螺旋角度不大于0.5°的進(jìn)刀方式。粗加工優(yōu)先選用偏置加工策略，較少采用平行加工。由于徑向余量大于軸向余量，根據(jù)刀具直徑和刀具精度不同，余量設(shè)置也不相同。對(duì)于預(yù)硬模具鋼，如碳素鋼寶鋼P(yáng)20，用50R3三角刀片粗加工，徑向余量設(shè)置為0.5mm，軸向余量為0.35mm，用22R2長(zhǎng)方形刀片粗加工，徑向余量設(shè)置為0.3mm，軸向?yàn)?.2mm，采用順銑加工。

（3）半精加工為了保證精加工時(shí)余量均勻，選擇粗加工時(shí)生成的殘留毛坯作為加工素材，進(jìn)行局部再粗銑。精加工為了獲得優(yōu)良的零件表面質(zhì)量和加工精度，使用最優(yōu)化的切削速度和高進(jìn)給率。球形刀具加工要避免刀尖切削，因?yàn)榈都饩€速度為0，容易拉毛零件表面，刀具磨損快，加工精度差。進(jìn)刀方式采用垂直圓弧進(jìn)刀和切削刀路連接保持相切，刀具沖擊力較小，能有效保護(hù)刀具。

4 刀具的選擇

（1）有色金屬及其合金高速切削刀具材料的選用：吸附、發(fā)泡模具的材料主要是鋁及其合金，選用的刀具材料主要是PCD，涂層硬質(zhì)合金銑刀，刀片要求鋒利，PCD刀具是高速加工高硅鋁合金的理想材料，不但能獲得良好的加工質(zhì)量，而且刀具使用壽命長(zhǎng)，切削時(shí)切削速度達(dá)到1000～40000m/min。

（2）碳素鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼高速切削刀具材料選擇：注射模零件材料常采用預(yù)硬鋼，刀具材料選擇用PCBN刀具、TiC（N），加工速度達(dá)到300～800 m/min。淬硬鋼（45～55HRC）高速切削時(shí)，刀具材料選擇PCBN刀具和陶瓷，加工速度達(dá)到150～300 m/min。零件材料硬度越高越能體現(xiàn)出高速切削的優(yōu)越性，并實(shí)現(xiàn)以銑代磨，大幅度提高加工效率和加工精度，減少人工拋光工作量和鉗工研配作業(yè)時(shí)間。

（3）非金屬高速切削刀具材料的選用：非金屬材料較多，石墨在注射模型腔加工中應(yīng)用非常廣泛，主要用于電火花加工使用的電極加工，其表面質(zhì)量和加工精度對(duì)模具零件質(zhì)量影響較大，用高速加工方式提高石墨電極表面質(zhì)量和精度，加工時(shí)可以選擇刀具具有金剛石涂層刀具PCD、PCBN或TiN涂層硬質(zhì)合金刀具。

（4）不銹鋼高速切削時(shí)選擇刀具：不銹鋼中加入較多的金屬元素（Cr和Ni），此材料特點(diǎn)是力學(xué)強(qiáng)度好，硬度適中（28～32HRC）,切削塑性好，不易斷屑，所以要提高刀具切削刃的粗糙度以減少切削形成卷曲時(shí)的阻力。刀具材料選擇YG類硬質(zhì)合金，如加工Mirrax ESR奧氏體不銹鋼，粗銑切削速度160～240m/min，精銑切削速度240～280 m/min，應(yīng)避免選用YT類硬質(zhì)合金，因不銹鋼中的Ti和YT類硬質(zhì)合金中的Ti易產(chǎn)生親合作用，加工刀具易磨損。

5 結(jié)語(yǔ)

文章論述了HSC的概念，結(jié)合現(xiàn)代機(jī)床技術(shù)、編程技術(shù)、刀具材料技術(shù)在模具制造上的應(yīng)用，為模具制造企業(yè)提供借鑒，為模具質(zhì)量提高提供指導(dǎo)意見(jiàn)。