張念川

摘 要：為了縮短模具制造周期，保障模具制造精密度，提高模具制造水平，高速加工技術(shù)在模具制造過程中引人注目。根據(jù)高速加工技術(shù)在企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用，指出了高速加工在模具制造中的優(yōu)勢(shì)，分析了高速加工在模具制造中的加工工藝及其優(yōu)化，以期為模具制造水平的提升提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：模具；高速加工；工藝優(yōu)化；刀具

中圖分類號(hào)：TG506.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.03.155

1 高速加工技術(shù)的制造優(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、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。為了縮短模具制造周期、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)、工藝革新帶來了正面效果，且得到了迅速推廣。

2 模具行業(yè)高速加工機(jī)床的現(xiàn)狀

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，尤其在多軸聯(lián)動(dòng)控制時(shí)，應(yīng)由各軸理論加減速與各軸實(shí)際允許加減速對(duì)比來決定是否降低當(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。

3 模具高速加工刀具、刀柄特點(diǎn)及發(fā)展

高速切削刀具主要材料表如表1所示。

模具的高速切削加工需配備適宜的刀具、刀柄。高速切削 要求刀具材料有高硬度、高強(qiáng)度、高耐磨性、高韌度、高的熱

硬性、高化學(xué)穩(wěn)定性以及強(qiáng)大的抗熱沖擊能力等。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。此外，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)合金以及超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金刀具等。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。

在國際刀柄系統(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德國開發(fā)的HSK（空心短錐柄）刀柄系統(tǒng)。HSK刀柄系統(tǒng)為空心、薄壁、短錐結(jié)構(gòu)，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定位，使用由內(nèi)向外的外脹式夾緊機(jī)構(gòu)。②美國KENNAMETAL公司開發(fā)的KM刀柄系統(tǒng)。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±2.5 μm。③日本日研（NIKKEN）公司開發(fā)的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，不同的是將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，刀柄尾部沒有傳遞扭矩的鍵槽，所以，軸向尺寸比HSK刀柄短，其與前面兩種刀柄的最大區(qū)別在于刀柄沒有采用薄壁結(jié)構(gòu)，刀柄錐面處增加了一個(gè)中間錐套。KM刀柄和HSK刀柄是通過薄壁的變形來補(bǔ)償?shù)侗椭鬏S制造誤差，保證錐面和端面同時(shí)可靠地接觸，而NC5刀柄是通過中間錐套的軸向移動(dòng)來達(dá)到這個(gè)目的的。中間錐套的軸向移動(dòng)動(dòng)力來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要求可稍低些。④大昭和精機(jī)開發(fā)的BIG-PLUS40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定位，因此，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。⑤瑞典SANDVIKCOROMANT公司開發(fā)的CAPTO刀柄系統(tǒng)。CAPTO刀柄系統(tǒng)與以上幾種錐柄不同的是，其錐柄不是圓錐形，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)相同，其可實(shí)現(xiàn)工具柄錐面和止靠端面的接觸定位，特點(diǎn)是通過三棱空心錐柄與三棱錐孔間的成形鎖緊來實(shí)現(xiàn)工具柄的無間隙定位，從而無需采用鍵槽和驅(qū)動(dòng)鍵這樣的元件，就能傳遞較大的轉(zhuǎn)距。其特點(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)、無滑動(dòng)的扭轉(zhuǎn)傳遞、動(dòng)平衡性能好、位置精度高；缺點(diǎn)是三棱體加工較難，制造成本相比以上幾種錐柄均高。

4 模具高速加工工藝特性及優(yōu)化

在高速加工過程中，切削模式、刀具路徑、程序切前檢查以及切削參數(shù)等都是成功高速切削的關(guān)鍵因素。在這段過程中，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。

4.1 切削載荷必須輕而恒定

高速切削中，刀路軌跡必須光滑，通常采用較小的步距和淺的切削深度（刀具直徑的10%左右）；刀具要平滑地切入、切出工件，使用坡度、圓弧和螺旋式進(jìn)刀，在平面的輪廓加工過程中，通常采用圓弧的切向進(jìn)退刀方式，在曲面加工過程中多采用讓刀，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形加工。此外，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。

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不光滑，出現(xiàn)急劇變化的路徑。遇到這樣的情況時(shí)，一般采用抬刀至一定高度過渡或輔助軌跡過渡的方式。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入，如圖1所示。

合理的切入切出方式、橫向與拐角路徑的平滑過渡及等高分層加工規(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。

4.2 合理的刀具參數(shù)選擇

對(duì)于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。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。遇到陡峭、拐角等位置時(shí)，為了避免高速加工設(shè)備沒有前饋功能，必須合理降速。在編程時(shí)，陡峭、拐角位置設(shè)置適宜的調(diào)整比例，合理地對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以保持高速機(jī)床合理的負(fù)載，以及減少質(zhì)量事故。

4.3 先進(jìn)的CAM軟件選擇

采用高速加工設(shè)備后，對(duì)編程人員的要求也提高。近年來，CAM系統(tǒng)也越來越簡單和方便，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UG NX/CAM、以色列Cimatron/CAM、法國CATIA/CAM、美國I-DEAS/CAM、美國Mastercam/CAM、英國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。

5 結(jié)束語

新形勢(shì)下，市場(chǎng)對(duì)模具加工的要求越來越高，對(duì)高速加工技術(shù)擁有強(qiáng)烈需求。但高速加工的數(shù)控機(jī)床刀具等裝備技術(shù)含量高、投資較大，在模具行業(yè)運(yùn)用高速加工技術(shù)應(yīng)與模具質(zhì)量、周期、壽命、成本等一并統(tǒng)籌研究、革新，在降低模具制造成本、縮短模具新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造周期的同時(shí)，提高了成形工藝和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平。

〔編輯：張思楠〕