模具被稱作“工業(yè)之母”，是衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)是否發(fā)達(dá)的標(biāo)準(zhǔn)之一。隨著現(xiàn)代越來(lái)越完美的產(chǎn)品功能機(jī)構(gòu)，以及人類不斷對(duì)美感的追求，產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜，模具外形輪廓設(shè)計(jì)也日趨多樣，自由曲面所占比例不斷增加。為此，對(duì)精密、復(fù)雜模具加工提出更高要求，不僅應(yīng)保證高制造精度和表面質(zhì)量，而且還要以模具加工先進(jìn)技術(shù)去促進(jìn)產(chǎn)品、模具機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)更完美。

　　隨著20世紀(jì)90年代初HSM（高速加工技術(shù)）開始工程運(yùn)用，尤其近十幾年我國(guó)對(duì)高速加工技術(shù)研究的不斷深入，對(duì)高速加工機(jī)床、高速加工刀具與刀柄、高速加工工藝、CAD/CAM軟件等的持續(xù)研究，高速加工技術(shù)已越來(lái)越多地應(yīng)用于精密、復(fù)雜模具加工與制造中，正不斷地創(chuàng)新模具制造工藝，不斷地提高模具現(xiàn)代智造水平。

高速加工技術(shù)廣泛運(yùn)用于現(xiàn)代模具智造的優(yōu)勢(shì)

　　模具的幾何形狀復(fù)雜，屬單件小批量產(chǎn)品。特別是精密、復(fù)雜模具，其精度要求更高、幾何形狀特別復(fù)雜。在傳統(tǒng)模具加工工藝中，加工周期長(zhǎng)、生產(chǎn)效率低，精加工淬硬模具通常采用電火花和鉗工拋光。為縮短模具制造周期，提高模具質(zhì)量，高速加工技術(shù)在模具制造過(guò)程中引人注目，其利用機(jī)床高轉(zhuǎn)速和高進(jìn)給速度，為精密、復(fù)雜模具制造的技術(shù)、工藝革新帶來(lái)正面效果，且得到迅速推廣。

　　（1）高速加工技術(shù)運(yùn)用于模具粗加工和半精加工，大大提高了金屬切除率。

　　 （2）模具制造時(shí)，選用高速切削機(jī)床、高速加工刀具和工藝，可進(jìn)行淬火淬硬加工。對(duì)于小型模具，在熱處理后，可一次裝夾進(jìn)行粗、精加工；對(duì)于大中型模具，可在熱處理前進(jìn)行粗加工和半精加工，可在熱處理后進(jìn)行淬硬精加工。

　?。?）高速高精度淬硬加工可取代傳統(tǒng)模具制造時(shí)常用的電加工、鉗工拋光等工序，可比傳統(tǒng)電火花加工提高50%以上的效率。

　　 （4）運(yùn)用高速加工技術(shù)，采用淬硬加工工藝，可明顯提高表面質(zhì)量、形狀精度，實(shí)現(xiàn)加工的表面光潔度，表面特別光亮。可以說(shuō)，一定程度上實(shí)現(xiàn)了以銑代磨、以車代磨，對(duì)于復(fù)雜曲面的模具，其優(yōu)勢(shì)得到明顯展現(xiàn)。

　　 （5）采用高速加工技術(shù)，可杜絕傳統(tǒng)電火花、磨削產(chǎn)生的脫碳、燒傷和微裂紋現(xiàn)象，大大減少了模具精加工后的表面損傷，可提高20%以上的模具壽命。

　　 （6）高速加工時(shí)，工件發(fā)熱少、切削力小，熱變形小，模具質(zhì)量穩(wěn)定且明顯提高。即時(shí)還需要局部電火花，也可采用高速加工技術(shù)與CAD/CAM技術(shù)，提高電極的精度，制造形狀復(fù)雜、薄壁類易變形的高精度電極，改變傳統(tǒng)電火花質(zhì)量不精的特點(diǎn)。

模具行業(yè)高速加工機(jī)床特點(diǎn)及期望

　　基于模具機(jī)構(gòu)的特殊性，以及產(chǎn)品質(zhì)量的高要求，雖然模具行業(yè)與其他行業(yè)都在廣泛運(yùn)用高速加工機(jī)床，但適宜模具行業(yè)的高速加工機(jī)床與其他行業(yè)有著不同的特點(diǎn)以及發(fā)展方向。

　?。?）大承重和高剛性。由于模具正在向大型化方向發(fā)展，如礦泉水瓶蓋多腔熱流道模具（16腔－96腔）、轎車側(cè)圍模具、汽車前后保險(xiǎn)杠模具等，都是輪廓尺寸較大的，其加工設(shè)備必須具有足夠大的臺(tái)面尺寸和工作行程。這些模具，重量由幾噸到幾十噸，而且15t以上的大噸位模具非常普遍，加之質(zhì)量的高要求，為此要求適合模具加工的高速加工機(jī)床工作臺(tái)面能承受大重量，結(jié)構(gòu)剛性要高。

　?。?）高轉(zhuǎn)速和大功率。近幾年來(lái)，高速銑削在模具加工中已顯示了極大優(yōu)越性。為避免在加工過(guò)程中刀具與工件發(fā)生“干涉”，刀具懸長(zhǎng)可能比傳統(tǒng)要長(zhǎng)，刀具直徑也會(huì)比傳統(tǒng)要小，因此要求主軸轉(zhuǎn)速非常高，以此來(lái)提高加工的可行性。國(guó)外高速加工機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速已達(dá)到40 000~100 000r/min（還有更高），快速進(jìn)給速度可達(dá)30 000~60 000min。型腔和模具零件其他部件粗、精加工常常在工件一次裝夾中完成，故主軸功率還要大，中等尺寸模具銑床和加工中心的主軸功率常常為10~40kW，有的甚至更高。

　?。?）高動(dòng)靜剛度。模具材料的成分特殊，其強(qiáng)度和硬度都很高，加上常常采用加長(zhǎng)的小直徑端銑刀加工模具型腔，在加工過(guò)程容易發(fā)生顫振，為了確保模具零件的加工精度和表面質(zhì)量，運(yùn)用于現(xiàn)代模具制造的高速機(jī)床必須有很高的動(dòng)、靜剛度，以提高機(jī)床的定位精度、跟蹤精度和抗振能力來(lái)確保模具的最終高精度、高質(zhì)量。

　　（4）多軸聯(lián)動(dòng)及良好深孔（腔）切削能力。模具型腔多為復(fù)雜的空間曲面及較深的溝槽構(gòu)成，且許多模具具有深孔腔，如汽車內(nèi)飾零件、食品包裝盒模具。為了達(dá)到對(duì)3D曲面的高精度、高速度和高穩(wěn)定性加工，希望高速加工機(jī)床能多軸聯(lián)動(dòng)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)一次裝夾后的多方位、高精度、高效率加工；為徹底創(chuàng)新模具加工工藝，改變傳統(tǒng)電加工、人工處理等無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度的工序，高速加工機(jī)床應(yīng)具有良好的深孔腔綜合切削能力。

　?。?）復(fù)合加工或柔性智造能力。普遍的高速加工中心已可將許多機(jī)加工工序復(fù)合在一臺(tái)機(jī)床上實(shí)現(xiàn)，但這仍不能完全適應(yīng)模具加工。如將機(jī)械加工、電加工、化學(xué)加工、超聲波、精密測(cè)量等不同工序復(fù)合到一臺(tái)高速加工中心或柔性智造單元，或至少能兼?zhèn)鋬伞⑷N以上工藝特點(diǎn)的高速?gòu)?fù)合加工中心是現(xiàn)代模具智造機(jī)床的發(fā)展方向，此設(shè)備將實(shí)現(xiàn)模具現(xiàn)代智造的飛躍。

　?。?）高精度的數(shù)控控制系統(tǒng)。要實(shí)現(xiàn)高速加工能力，機(jī)床需要具有高精度的數(shù)控控制系統(tǒng)。

　　一方面，高速加工機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)擁有高精度插補(bǔ)，這是數(shù)控系統(tǒng)高速、高精度化的基礎(chǔ)。CNC的伺服系統(tǒng)執(zhí)行的是NC代碼經(jīng)數(shù)控系統(tǒng)離散后的數(shù)據(jù)，高速、高精度的加工首先要求的是極短的插補(bǔ)周期和高的計(jì)算精度，如FANU16i采用納米級(jí)的位置指令進(jìn)行計(jì)算和數(shù)據(jù)交換。

　　其次，高速加工機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)還應(yīng)有高精度前饋能力。CNC的伺服系統(tǒng)是復(fù)雜的控制系統(tǒng)，傳統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)主要是對(duì)伺服位置偏差、速度偏差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)控制，由于沒(méi)有利用已知的后繼插補(bǔ)輸出條件、機(jī)床移動(dòng)部件的慣性、摩擦阻尼滯后等信息，在高速加工中的動(dòng)態(tài)跟隨誤差會(huì)比較大。

　　在現(xiàn)代高速數(shù)控系統(tǒng)中，一般采用前饋控制減少伺服系統(tǒng)滯后，如SIEMENS840Di數(shù)控系統(tǒng)采用的速度前饋及轉(zhuǎn)矩前饋跟蹤誤差補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)。另外，高速加工機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)還應(yīng)具有續(xù)輪廓前瞻控制（Look ahead）能力。

　　在高速加工中，為了保證機(jī)床在高速運(yùn)動(dòng)條件下的精度和平穩(wěn)性，系統(tǒng)必須看到將要執(zhí)行的一系列空間待加工路徑，尤其多軸聯(lián)動(dòng)控制時(shí)，須由各軸理論加減速與各軸實(shí)際允許加減速對(duì)比來(lái)決定是否降低當(dāng)前速度或提高到理論速度，動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)進(jìn)給速度，以此實(shí)現(xiàn)高精度、高質(zhì)量。

模具高速加工刀具、刀柄特點(diǎn)及發(fā)展

　　模具的高速切削加工需配備適宜的刀具、刀柄。高速切削要求刀具材料應(yīng)有高硬度、高強(qiáng)度、耐磨性、高韌度及抗沖擊能力強(qiáng)，高的熱硬性和化學(xué)穩(wěn)定性，高抗熱沖擊能力強(qiáng)等。高速切削要求刀具和刀柄的外形尺寸小，夾緊精度高，傳遞轉(zhuǎn)矩大，結(jié)構(gòu)對(duì)稱性好，有利于刀具的動(dòng)平衡。其次還需選擇合適的刀具幾何角度，以及選擇合適的切削參數(shù)。

　　目前廣泛應(yīng)用的高速切削刀具主要有：金剛石刀具、立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、涂層刀具、TiC（N）基硬質(zhì)合金、超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金刀具等（見(jiàn)附表）。合理選用刀具材料是成功進(jìn)行高速切削加工的關(guān)鍵，每一刀具材料針對(duì)不同的模具材料，有其不同的適應(yīng)能力。

高速切削刀具主要材料表

　　在國(guó)際刀柄系統(tǒng)市場(chǎng)上，影響比較大的高速加工工具系統(tǒng)主要有以下幾種：

　　（1）德國(guó)開發(fā)的HSK（空心短錐柄）刀柄系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）。HSK刀柄系統(tǒng)，空心、薄壁、短錐，錐比為1︰10，端面與錐面同時(shí)定位、夾緊，刀柄在主軸中的定位為過(guò)定位，使用由內(nèi)向外的外漲式夾緊機(jī)構(gòu)。

圖1  HSK刀柄系統(tǒng)

　　（2）美國(guó)KENNAMETAL公司開發(fā)了KM刀柄系統(tǒng)（見(jiàn)圖2）。KM刀柄系統(tǒng)，也是一種由錐面和止靠端面進(jìn)行雙向定位和夾緊的系統(tǒng)，柄部采用與HSK相同的1：10短錐。其重要特點(diǎn)是通過(guò)錐柄的止靠端面、錐度大直徑處的錐面和錐柄尾部的錐面共三個(gè)面進(jìn)行接觸夾緊。夾緊時(shí)，通過(guò)推桿斜面推動(dòng)滾珠徑向壓緊在滾珠軌道上，使這種夾緊力以3.5：1的增力比實(shí)現(xiàn)強(qiáng)力夾緊，由此達(dá)到幾乎類似于一個(gè)整體刀具的剛性。而且其徑向和軸向的重復(fù)定位精度可達(dá)到±2.5μm。

圖2  KM刀柄系統(tǒng)

　?。?）日本日研（NIKKEN）公司開發(fā)了NC5刀柄系統(tǒng)。NC5刀柄系統(tǒng)，也采用了空心短錐結(jié)構(gòu)，錐度為1：10，并且也是采用錐面和端面同時(shí)定位、夾緊工作方式，定位原理與其他系統(tǒng)相同，不同的是把1：10的錐柄分成錐套與圓柱柄兩部分套在一起，錐套端面有蝶形彈簧，錐柄尾端是螺釘孔，用于安裝拉釘。

　　NC5刀柄系統(tǒng)的扭矩是由前端圓柱上的鍵槽傳遞的，刀柄尾部沒(méi)有傳遞扭矩的鍵槽，所以軸向尺寸比HSK刀柄短。它與前面兩種刀柄的最大區(qū)別在于刀柄沒(méi)有采用薄壁結(jié)構(gòu)，刀柄錐面處增加了一個(gè)中間錐套。KM刀柄和HSK刀柄是通過(guò)薄壁的變形來(lái)補(bǔ)償?shù)侗椭鬏S制造誤差，保證錐面和端面同時(shí)可靠的接觸，而NC5刀柄是通過(guò)中間錐套的軸向移動(dòng)達(dá)到這個(gè)目的。 中間錐套的軸向移動(dòng)動(dòng)力來(lái)自刀柄端面上的碟形彈簧。由于中間錐套的誤差補(bǔ)償能力較強(qiáng)，因此NC5刀柄對(duì)主軸和刀柄本身的制造精度的要求可稍低些。

　　NC5刀柄系統(tǒng)，僅有一個(gè)安裝拉釘?shù)穆葆斂?，孔壁較厚，強(qiáng)度高，可采用增壓夾緊機(jī)構(gòu)，滿足重切削的要求。其主要缺點(diǎn)是刀柄和主軸錐孔之間增加了一個(gè)接觸面，刀柄的定位精度和剛度有所下降。

圖3  日研NC5工具系統(tǒng)

　?。?）大昭和精機(jī)開發(fā)的BIG-PLUS 40 型系統(tǒng)。BIG-PLUS刀柄的錐度仍然是7：24。其工作原理是將刀柄裝進(jìn)主軸錐孔鎖緊前，端面的間隙小。鎖緊后利用主軸內(nèi)孔的彈性膨脹補(bǔ)償端面間隙，使刀柄端面與主軸端面貼緊，從而增大其剛度。這種刀柄同樣采用了過(guò)定位，因而必須嚴(yán)格控制其外形精度和位置精度，其制造工藝難度比HSK刀柄還要高。這種改進(jìn)型錐柄可與原7:24錐柄互換使用，可應(yīng)用于原主軸錐孔。

　?。?）瑞典SANDVIK COROMANT公司開發(fā)的CAPTO刀柄系統(tǒng)（見(jiàn)圖4）。CAPTO刀柄系統(tǒng)，與以上幾種錐柄不同的是，錐柄不是圓錐形，而是呈錐形的三棱形（空心），棱為圓弧形，錐度為1：20。與HSK刀柄系統(tǒng)一樣，可實(shí)現(xiàn)工具柄錐面和止靠端面的接觸定位，其特點(diǎn)是通過(guò)三棱空心錐柄與三棱錐孔間的成形鎖緊來(lái)實(shí)現(xiàn)工具柄的無(wú)間隙定位，從而無(wú)需采用諸如鍵槽和驅(qū)動(dòng)鍵這樣的元件就能傳遞較大的轉(zhuǎn)距。他的特點(diǎn)是應(yīng)力分散，分布合理，定心性好，精度高，適合高速旋轉(zhuǎn)。優(yōu)點(diǎn)是無(wú)滑動(dòng)的扭矩傳遞，動(dòng)平衡性能好，位置精度高。缺點(diǎn)是三棱體很難加工，制造成本相比以上幾種錐柄都要高。

圖4  CAPTO刀柄系統(tǒng)

　　國(guó)際上，還有其他一些公司，也各自開發(fā)出多種適應(yīng)高速切削加工需要的工具系統(tǒng)。尤其是日本三菱金屬、富士精工等也在兩面夾緊系統(tǒng)的研究與開發(fā)方面做了大量的研發(fā)工作。這些工具系統(tǒng)都在一定的程度上解決了傳統(tǒng)的BT（7 : 24 錐度）工具系統(tǒng)存在的問(wèn)題，但都各具特點(diǎn)，其共同特點(diǎn)是大都采用了錐面和端面同時(shí)夾緊的兩面夾緊式工作方式。但從適應(yīng)機(jī)床轉(zhuǎn)速進(jìn)一步高速化的發(fā)展要求，1：10短錐空心柄則更有優(yōu)勢(shì)。所以，更多的日本公司還是積極采用德國(guó)DIN標(biāo)準(zhǔn)的HSK刀柄，如NT工具公司、黑田精工、圣和精機(jī)、三菱金屬等都先后引進(jìn)HSK生產(chǎn)技術(shù)。

　　從刀具夾持來(lái)講，除傳統(tǒng)的夾頭夾持外，為適應(yīng)高速加工的需求，液壓夾持刀柄、熱裝式刀柄在近幾年都為高速加工技術(shù)水平提高帶來(lái)了驚喜。

模具高速加工工藝特性及優(yōu)化

　　由于在高速加工過(guò)程中，切削模式、刀具路徑、程序切前檢查以及切削參數(shù)等都將是成功高速切削的關(guān)鍵因素。因其過(guò)程高速度的動(dòng)態(tài)變化，切削期間刀具干涉、瞬間停止、尖角處理、切削方向的逆轉(zhuǎn)和不穩(wěn)定的刀具移動(dòng)等各種因素都將直接影響切削的速度和加工質(zhì)量。

　?。?）切削載荷須輕而恒定。高速切削中刀路軌跡必須要光滑，通常采用較小的步距和淺的切削深度（刀具直徑的10%左右）；刀具要平滑的切入、切出工件，使用坡度、圓弧和螺旋式進(jìn)刀（見(jiàn)圖5），在平面的輪廓加工過(guò)程中，通常采用圓弧的切向進(jìn)退刀方式，在曲面加工過(guò)程中多采用讓刀，沿一定坡度或螺旋線方向切入切出工件；大量采用等高分層加工代替仿行加工。另外，粗加工時(shí)刀具多以螺旋或圓弧方式切入工件材料，使進(jìn)給率和機(jī)床轉(zhuǎn)速之比達(dá)到最佳；精加工應(yīng)避免急劇變化的刀具運(yùn)動(dòng)，避免在外形輪廓上直接進(jìn)刀和退刀。

圖5  圓弧和螺旋方式進(jìn)刀

　　基于模具零件表面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，可能會(huì)導(dǎo)致編程時(shí)相鄰的兩條刀具路徑難以光滑，而出現(xiàn)急劇變化的路徑。遇到這樣的情況，一般采用抬刀至一定高度過(guò)渡或輔助軌跡過(guò)渡的方式。行切的光滑移刀方式可以采用相切圓弧連接、內(nèi)側(cè)或外側(cè)圓弧連接。環(huán)切的光滑移刀多采用環(huán)間圓弧式、空間螺旋式切出與切人（見(jiàn)圖6、圖7）。 

圖6  刀具路徑橫向平滑過(guò)渡方式

圖7  拐角圓弧平滑過(guò)渡方式

　　合理的切入切出方式，橫向與拐角路徑的平滑過(guò)渡，以及等高分層加工規(guī)劃與合理的進(jìn)給量，始終是為了確保高速加工時(shí)切削負(fù)荷輕而恒定。

　?。?）合理的刀具參數(shù)選擇。適宜高速加工的金剛石刀具、立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、涂層刀具、TiC（N）基硬質(zhì)合金、超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金刀具等，不同的材質(zhì)的刀具適宜于不同的模具材料、工況外，針對(duì)不同的模具材質(zhì)，刀具還有不同的切削參數(shù)的選擇。一般認(rèn)為，高速切削的切削速度是常規(guī)切削速度的5～10倍。

　　遇陡峭、拐角等位置，為避免高速加工設(shè)備沒(méi)有前饋功能，須給予合理的降速，要在編程時(shí)在陡峭、拐角位置設(shè)置適宜調(diào)整比例，合理地對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以免保持高速機(jī)床合理的負(fù)載，以及減少質(zhì)量事故。

　?。?）先進(jìn)的CAM軟件選擇。采用高速加工設(shè)備后，對(duì)編程人員的要求也增加。近年來(lái) CAM 系統(tǒng)也越來(lái)越簡(jiǎn)單和方便，更貼近于車間高速加工。當(dāng)前，模具行業(yè)常用的CAM軟件有美國(guó)UG NX/CAM、以色列Cimatron/CAM、法國(guó)CATIA/CAM、美國(guó) I-DEAS/CAM、美國(guó)Mastercam/CAM、英國(guó)Delcam PowerMILL/CAM等輔助制造軟件，都分別對(duì)高速加工模塊進(jìn)行了工藝創(chuàng)新。

結(jié)語(yǔ)
　　隨著市場(chǎng)需求提升，模具市場(chǎng)日益擴(kuò)大，模具制造對(duì)高速加工技術(shù)擁有強(qiáng)烈需求，但精密、復(fù)雜模具制造領(lǐng)域運(yùn)用高速加工技術(shù)在我國(guó)時(shí)間不是很長(zhǎng)，還缺乏成熟經(jīng)驗(yàn)，還需整體提升技術(shù)水平與運(yùn)用廣度。

　　同時(shí)，當(dāng)前模具行業(yè)運(yùn)用高速加工技術(shù)后，雖然模具的質(zhì)量、壽命得到明顯提高，但促使模具制造時(shí)刀具使用成本高、設(shè)備運(yùn)行成本高，總體制造成本有大幅度增加。為此，高速加工技術(shù)的運(yùn)用應(yīng)與模具質(zhì)量、周期、壽命、成本等一并統(tǒng)籌研究、革新，以期通過(guò)合理創(chuàng)新，一方面提高模具質(zhì)量與壽命、縮短模具制造周期，另一方面降低模具制造成本，真正實(shí)現(xiàn)我國(guó)精密、復(fù)雜模具的現(xiàn)在智造新工藝、新水平。
 

　　作者：成都普什汽車模具有限公司綜合管理部部長(zhǎng)鄭萬(wàn)全。

　　本文發(fā)表于《金屬加工（冷加工）》2016年第9期第12-15頁(yè)，版權(quán)歸金屬加工雜志社所有，如轉(zhuǎn)載注明來(lái)源。

不想在茫茫的微信號(hào)中努力尋找「金屬加工」，就將金屬加工「置頂」吧

真愛(ài)粉，都是置頂?shù)抹?/span>