由于模具加工的特殊性以及高速加工技術(shù)的自身特點(diǎn)，對(duì)模具高速加工的相關(guān)技術(shù)提出了比傳統(tǒng)加工更高的要求。構(gòu)建實(shí)用可行的基于高速切削技術(shù)的現(xiàn)代模具制造系統(tǒng)，研究好模具制造中應(yīng)用高速切削技術(shù)的一些關(guān)鍵技術(shù)，如用于模具制造的高速加工機(jī)床的正確選用、CAD／CAM系統(tǒng)的合適選擇及編程方法、刀頭系統(tǒng)和刀具的合理選用等工藝技術(shù)是模具制造企業(yè)充分發(fā)揮高速切削技術(shù)特點(diǎn)、加快模具開發(fā)速度、提高模具制造品質(zhì)、降低模具制造成本的關(guān)鍵所在。

1 基于高速加工技術(shù)的現(xiàn)代模具制造系統(tǒng)　　傳統(tǒng)的模具制造技術(shù)主要是根據(jù)設(shè)計(jì)圖樣，采用普通數(shù)控銑削、仿形加工、成形磨削、電火花加工以及鉗工拋光、修配等方法來(lái)制造模具?！　?/span>

現(xiàn)代模具制造能夠利用CAD／CAE／CAPP／CAM技術(shù)對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)制造過(guò)程進(jìn)行有效預(yù)測(cè)和評(píng)估，迅速獲得樣品，同時(shí)節(jié)省大量的模具試制材料費(fèi)用，減少模具返修率，縮短生產(chǎn)周期，大大降低了模具制造成本。高速切削技術(shù)因其具有高效率、高精度和良好的經(jīng)濟(jì)效益的特點(diǎn)在現(xiàn)代模具制造系統(tǒng)中占有極其重要的地位。在這樣的背景下，基于高速切削的模具制造系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生(圖1)。

2 高速切削加工模具的機(jī)床選擇　　

a)高速加工模具對(duì)機(jī)床的要求：模具加工機(jī)床在高速切削中占據(jù)著最重要的地位。相比于普通切削，高速切削對(duì)于使用的機(jī)床要求機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速高、功率大；機(jī)床剛度好；極高的主軸轉(zhuǎn)動(dòng)和工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)加速度；較好的高速控制系統(tǒng)?！　?/span>

b)高速切削機(jī)床選用的一般原則：模具制造企業(yè)選購(gòu)高速切削機(jī)床應(yīng)根據(jù)加工對(duì)象的工藝要求、企業(yè)的經(jīng)濟(jì)環(huán)境和設(shè)備的使用環(huán)境等諸因素來(lái)進(jìn)行具體的分析，從工藝的適應(yīng)性、性能價(jià)格比、規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)性等幾方面來(lái)考慮?！　?/span>

1)工藝適應(yīng)性原則：主要是指所選購(gòu)的機(jī)床功能應(yīng)能適用被加工零件的形狀尺寸、尺寸精度和生產(chǎn)節(jié)拍等要求；　　2)性能價(jià)格比原則：模具加工主要是以單件小批量生產(chǎn)為特征，其加工特點(diǎn)不是以追求高移動(dòng)速度為主要目的，所以模具制造業(yè)通常選擇HSM型高速加工中心，因?yàn)樗燃庸つ芰ο喈?dāng)?shù)腍VM型高速加工中心價(jià)格便宜了許多，但機(jī)床并不是越便宜越好，還要注意性能價(jià)格比；　　

3)風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避原則：購(gòu)買機(jī)床前要做好市場(chǎng)調(diào)研工作，綜合考慮，將風(fēng)險(xiǎn)降到最小，使物有所值，調(diào)研方法除傳統(tǒng)的用戶調(diào)研、廠家交流和考察外，特別要留意在我國(guó)舉辦的權(quán)威性國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)--CIMT的相關(guān)信息。

3模具高速加工數(shù)控編程及策略　　

a)高速切削對(duì)CAD／CAM系統(tǒng)的要求：為了保證高速加工編程的效率，CAD／CAM系統(tǒng)須滿足以下條件：　　

1)高效的電腦配置：CAM處理程序計(jì)算量非常大，需要足夠容量和強(qiáng)勁功能的計(jì)算機(jī)硬件來(lái)支持，要求硬件具有以下特性：處理器速度足夠快；足夠的內(nèi)存；具有足夠顯存和支持Open-GL功能的3D視頻顯示卡?！　?/span>

2)合適的CAM編程系統(tǒng)：現(xiàn)有的高速切削數(shù)控編程CAM軟件，如PowerMlLL，MasterCAM，UnigraphicsNX，CATIA，Cimatron E等，都提供了相關(guān)功能的高速數(shù)控銑削刀具軌跡策略。高速數(shù)控加工工藝要求嚴(yán)格，過(guò)切保護(hù)更加重要，一般需對(duì)編程指令進(jìn)行仿真檢驗(yàn)，高速加工編程時(shí)間比一般加工編程時(shí)間要長(zhǎng)得多。　　

3)具有輸入各種不同格式檔案文件的能力：某些加工車間可能面對(duì)各種不同的客戶，而它們所使用的CAD系統(tǒng)也各不相同。在這種情況下，就需要定義一種文件轉(zhuǎn)換格式，從而將幾何數(shù)據(jù)從客戶的CAD系統(tǒng)轉(zhuǎn)入CAM系統(tǒng)。為避免耗時(shí)的曲面修復(fù)工作，如修復(fù)曲面錯(cuò)位、重疊、或幾何數(shù)據(jù)的丟失等，選擇合適的檔案格式來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是至關(guān)重要的?！　?/span>

4)具有豐富的仿真模擬能力：為驗(yàn)證所產(chǎn)生的刀具路徑的正確性，需要有不同的仿真模擬模式供用戶選擇，通常有3種模擬模式，即線架構(gòu)模式、實(shí)體模式和在實(shí)體模型上模擬材料的去除過(guò)程?！　?/span>

b)高速切削數(shù)控編程策略：高速切削數(shù)控編程首先要注意加工方法的安全性和有效性；其次，要盡一切可能保證刀具軌跡的光滑平穩(wěn)，這會(huì)直接影響加工品質(zhì)和機(jī)床主軸等零件的壽命；最后，要盡量使刀具載荷均勻，這會(huì)直接影響刀具的壽命。應(yīng)用高速切削數(shù)控編程CAM軟件生成刀具軌跡時(shí)，要注意以下幾個(gè)問(wèn)題：　　

1)避免刀具軌跡中走刀方向的突然變化，以免因局部過(guò)切而造成刀具或設(shè)備的損壞，保持刀具軌跡的平穩(wěn)，避免突然加速或減速。　　

2)下刀或行間過(guò)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，行切端點(diǎn)采用圓弧連接，避免直線連接?！　?/span>

3)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(yīng)采用多次加工或采用系列刀具從大到小分次加工，直至達(dá)到模具所需的尺寸，不應(yīng)用小刀一次加工完成，同時(shí)應(yīng)避免全刀寬切削?！　?/span>

4)盡可能地保持穩(wěn)定的切削參數(shù)，包括保持切削厚度、進(jìn)給量和切削線速度的一致性。此外，當(dāng)遇到某處切削深度有可能增加時(shí)，應(yīng)降低進(jìn)給速度。　　

5)采用優(yōu)秀的可視化仿真加工模擬與過(guò)切檢查軟件，可以很好地檢測(cè)干涉，保證刀具有正確的軌跡路徑。

4 模具高速切削制造工藝技術(shù)

　　模具高速切削制造工藝技術(shù)主要包括切削方式、走刀、加工階段、切削參數(shù)選擇等?！　?/span>

a)切削方式的選擇：在模具高速數(shù)控銑削加工中，應(yīng)盡量選用順銑加工，因?yàn)樵陧樸姇r(shí)，刀具剛切人工件產(chǎn)生的切屑厚度為最大，隨后逐漸減小。在逆銑時(shí)，刀具剛切人工件產(chǎn)生的切屑厚度為最小，隨后逐漸增厚，這樣增加了刀具與工件的摩擦，在刀刃上產(chǎn)生大量熱量，所以在逆銑中產(chǎn)生的熱量比在順銑時(shí)多很多，徑向力也大大增加。同時(shí)在順銑中，刀刃主要受壓應(yīng)力，而在逆銑中刀刃受拉應(yīng)力，受力狀態(tài)較惡劣，降低了刀具的使用壽命，順銑和逆銑時(shí)刀。高速切削加工適于淺切深，切削深度不應(yīng)超過(guò)0．2咖，這是為避免刀具的位置偏差，確保加工模具的幾何精度，保持恒定的金屬去除率，保證加在工件上的切削載荷是恒定的，以獲得較好的加工效果?！　?/span>

b)走刀方式的選擇：對(duì)于帶有敞口模具型腔的區(qū)域，盡量從材料的外走刀，以實(shí)時(shí)分析材料的切削狀況。而對(duì)于沒(méi)有型腔的封閉區(qū)域，采用螺旋進(jìn)刀方式，在局部區(qū)域切入?！　?/span>

高速切削加工中，由于機(jī)床加速的局限性，容易造成時(shí)間的浪費(fèi)，急?；蚣眲?dòng)則會(huì)破壞模具表面精度，且有可能因?yàn)檫^(guò)切而產(chǎn)生拉刀或在外拐角處咬邊。故應(yīng)盡量減少刀具的急速換向，選擇單一路徑切削模式進(jìn)行順銑，不中斷切削過(guò)程和刀具路徑。盡量減少刀具的切入切出次數(shù)，以獲得相對(duì)穩(wěn)定的切削過(guò)程?！?/span>

c)加工階段及策略：高速切削加工階段包括以去除余量為目的的粗加工、殘留粗加工，以及以獲取高品質(zhì)的加工表面及細(xì)微結(jié)構(gòu)為目的的半精加工、精加工和鏡面加工階段等。　　

1)粗加工階段：粗加工階段所應(yīng)采取的工藝策略是高切削速度、高進(jìn)給率和小切削量的組合。等高加工方式是眾多CAM軟件普遍采用的一種加工方式。應(yīng)用較多的是螺旋等高和z軸等高兩種方式。對(duì)陡峭和平坦區(qū)域分別處理，計(jì)算適合等高及適合使用類似3D偏置的區(qū)域，并且同時(shí)可以使用螺旋方式，在很少抬刀情況下生成優(yōu)化的刀具路徑，獲得更好的表面品質(zhì)。在高速加工中一定要采取圓弧切入、切出連接方式，以及拐角處圓弧過(guò)渡。禁止使用直接下刀的連接方式來(lái)生成高速數(shù)控加工的程序。　　

2)半精加工階段：半精加工階段的策略是進(jìn)行優(yōu)化以保證半精加工后工件表面具有均勻的剩余加工余量。優(yōu)化過(guò)程包括：粗加工階段輪廓的計(jì)算、最大剩余加工余量的計(jì)算、最大允許加工余量的確定、對(duì)剩余加工余量大于最大允許加工余量的型面分區(qū)(如凹槽、拐角等過(guò)渡半徑小于粗加工刀具半徑的區(qū)域)以及半精加工時(shí)刀心軌跡的計(jì)算等。模具高速加工CAM軟件大都具備剩余加工余量分析功能，并能根據(jù)剩余加工余量的大小及分布情況采用合理的半精加工策略。　　

3)精加工階段：高速切削精加工階段的策略包括三維偏置、等高精加工和最佳等高精加工、螺旋等高精加工等策略。對(duì)許多形狀來(lái)說(shuō)，精加工階段最有效的策略是使用三維螺旋策略，使用這種策略可避免使用平行策略和偏置精加工策略中會(huì)出現(xiàn)的頻繁的方向改變，從而提高加工速度，減少刀具磨損。在許多場(chǎng)合需要將陡峭區(qū)域的等高精加工和平坦區(qū)域三維等距精加工方法結(jié)合起來(lái)使用?！　?/span>

d)切削參數(shù)的選擇：　　

1)刀柄和刀具：不同加工階段對(duì)刀桿的要求有側(cè)重。粗加工階段：可能產(chǎn)生明顯的機(jī)械壓力；刀頭要求減弱擺動(dòng)和震動(dòng)。半精加工階段：在所有加工表面上產(chǎn)生均衡的預(yù)留量；可能需要纖細(xì)的刀頭來(lái)加工深部及細(xì)小部份。精加工階段：此工序目的在于精度及平面光亮度；要求最小的圓跳動(dòng)、高精度和高強(qiáng)度；可能會(huì)要求纖細(xì)刀桿和直徑小的刀具來(lái)加工深部或細(xì)小部分?！　?/span>

刀具在高速加工中要承受高溫、高壓、摩擦、沖擊和振動(dòng)等載荷，不同材料的工件高速切削時(shí)，刀具的選用要注意其與工件材料相匹配。高速切削加工的刀具材料有金剛石(PCD)、立方氮化硼(CBN)、陶瓷刀具、涂層硬質(zhì)合金、(碳)氮化鈦硬質(zhì)合金TiC(N)等。其中涂層硬質(zhì)合金在高速加工中應(yīng)用最為廣泛，可用于耐熱合金、鈦合金、高溫合金、鑄鐵、純鋼、鋁合金及復(fù)合材料的高速切削?！　?/span>

2)刀具的選擇：刀具選擇的原則是：安裝調(diào)整方便、剛性好、耐用度和精度高。在滿足加工要求的前提下，盡量選擇較短的刀柄，以提高刀具加工的剛性。選取刀具時(shí)，要使刀具的尺寸與被件的表面尺寸相適應(yīng)。生產(chǎn)中，模具零件周邊輪廓的平面加工，常采用立銑刀；銑削平面時(shí)，應(yīng)選硬質(zhì)合金刀片銑刀；加工凸臺(tái)、凹槽時(shí)，選高速鋼立銑刀；加工毛坯表面或粗加工孔時(shí)?？蛇x取鑲硬質(zhì)合金刀片的玉米銑刀；對(duì)一些立體型面和變斜角輪廓外形的加工，常采用球頭銑刀、環(huán)形銑刀、錐形銑刀和盤形銑刀。在進(jìn)行模具自由曲面加工時(shí)，由于球頭刀具的端部切削速度為零，為保證加工精度，切削行距一般采用頂端密距，球頭刀具常用于曲面的精加工。而平頭刀具在表面加工品質(zhì)和切削效率方面都優(yōu)于球頭刀，只要在保證不過(guò)切的前提下，無(wú)論是曲面的粗加工還是精加工，都應(yīng)優(yōu)先選擇平頭刀。　　

3)切削用量的確定：選擇切削用量的原則是：粗加工時(shí)，一般以提高生產(chǎn)率為主，但也應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性和加工成本；半精加工和精加工時(shí)，應(yīng)在保證加工品質(zhì)的前提下，兼顧切削效率、經(jīng)濟(jì)性和加工成本。具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)機(jī)床說(shuō)明書、切削用量手冊(cè)，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)而定。

考慮以下幾個(gè)因素：切削深度t(軸向進(jìn)給量)：在機(jī)床、工件和刀具剛度允許的情況下，t就等于加工余量，這是提高生產(chǎn)率的一個(gè)有效措施，為保證模具零件的加工精度和表面品質(zhì)，一般應(yīng)留一定的余量進(jìn)行精加工；　　切削寬度L：一般與刀具直徑d成正比，與切削深度成反比；　　切削速度vc：提高vc也是提高生產(chǎn)率的一個(gè)措施，但vc與刀具耐用度的關(guān)系比較密切，隨著vc的增大，刀具耐用度急劇下降，故vc的選擇主要取決于刀具耐用度，切削速度與加工材料也有很大關(guān)系，具體的確定方法通常采用下列3種方法：由刀具供應(yīng)商提供；參考已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；通過(guò)大量切削實(shí)驗(yàn)建立自己的數(shù)據(jù)庫(kù)?！　?/span>

4)主軸轉(zhuǎn)速n(r／min)：主軸轉(zhuǎn)速一般根據(jù)切削速度來(lái)選定。計(jì)算公式為：vc=πdn／1000。數(shù)控機(jī)床的控制面板上一般備有主軸轉(zhuǎn)速修調(diào)(倍率)開關(guān)，可在加工過(guò)程中對(duì)主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行整倍數(shù)調(diào)整?！　?)進(jìn)給速度vf(每齒進(jìn)給量fx)：vf應(yīng)根據(jù)零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具和工件材料來(lái)選擇。vf的增加也可以提高生產(chǎn)效率。加工表面粗糙度要求低時(shí)，vf可選擇得大些。在加工過(guò)程中，vf也可通過(guò)機(jī)床控制面板上的修調(diào)開關(guān)進(jìn)行人工調(diào)整，但最大進(jìn)給速度要受到設(shè)備剛度和進(jìn)給系統(tǒng)性能等的限制?！　?/span>

由于每齒進(jìn)給量．疋的設(shè)定正確與否，對(duì)刀具所受切削載荷的合理分布有著極其重要的影響，所以實(shí)際生產(chǎn)中的每齒進(jìn)給量的確定可用類似于確定切削速度的方法來(lái)確定：由切削刀具供應(yīng)商提供；參考別人研究所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；通過(guò)大量切削實(shí)驗(yàn)獲得?！　?/span>

5 結(jié)語(yǔ)　　為保證高速加工在模具制造中的順利實(shí)施，首先要注意高速機(jī)床的正確選擇和安全使用；其次是要清楚高速加工對(duì)編程人員的要求與編程方式發(fā)生了改變，高速加工對(duì)CAD／CAM系統(tǒng)的要求以及高速加工模具的常用編程策略；重點(diǎn)討論了高速加工模具的工藝技術(shù)如切削方式的選擇、走刀方式的選擇、各加工階段的不同任務(wù)及相應(yīng)的加工策略、刀頭系統(tǒng)和刀具的正確選用、切削用量的選擇等，并闡述了高速加工模具工藝制訂的內(nèi)容和一般步驟。