模具高速铣削加工技术及数控编程实例

1、模具高速铳削加工技术及数控编程实例一、前言模具作为模压产品生产的关键工装， 其设计?与生产周期日益成为决定新产品开发周期的决定因素。 U前工业发达国家的航空航天、汽车、机械、模具、机床等行业第一得益于该项新技术，使上述行质量明显提高，本钱大幅度降低，取得了市场竞争优势。在汽车工业中，过去新车型的开10 年，此刻缩短为 2? 3 年。福特、通用、丰田等公司的新车型开发周期仅为 1 年半 , 子一切都得益于企业模具设计与制造手腕的现代化水平的提高。高速切削技术慢慢应业的产品发周期一样为 这【无忧机械电 用于加工铸铁和硕铝合金，尤其是无忧机械电子加工大型覆盖件冲压模、锻模、压铸模和注射模， 工时刻和

2、硏制时刻的同时提高尺寸公差和表面一致性。 U前国际上高速切削加工技U的是在减少加 术要紧应用于汽车工业、模具行业、航空航天行业，尤其是在加工复杂曲面的领域，工件本身或刀 具系统刚性要求较高的加工领域，显示了壮大的功能。国内高速切削加工技术的硏究与应用始于 20 世纪 90 年代，也是要紧应用于模具、航空、航天和汽车工业，但采纳的高速切削 CNC机床、高 速切削刀具和 CAD/CAM软件等以入口为主。二、高速切削加工应用的关键技术数控高速切削加工作为模具制造中最为重要的一项先进制造技术，是集高效、优质、低耗于一身的 先进制造技术。在常规切削加工中备受困扰的一系列问题，通过高速切削加工的应用得到了

3、解决。 度、进给速度相对于传统的切削加工，以级数级提高，切削机理也发生了根本的变化。与其切削速 传统切削加工相比，切削加工发生了本质性的飞跃，其单位功率的金属切除率提高了 30%? 40 陰 切削力降低了 30 孰刀具的切削寿命提高了 70%留于工件的切削热大幅度降低，低阶切削振动儿 乎消失。随着切削速度的提高，单位时间毛坯材料的去除率增加，切削时间减少，加工效率提高 高了产品的市场竞争力。同时，高速加工的小量快进使切削力减少 力和热应力变形，提高了刚性差和薄壁零件切削加工的可能性。, 从而缩短了产品的制造周期，提 , 切屑的高速排除 , 减少了工件的切削山于切削力的降低，转速的提高使切削系统

4、的丄作频率远离机床的低阶固有频率，而丄件的表面粗 糙度对低阶频率最为敬感，山此降低了表面粗糙度。在模具的高淬硕钢件 （HRC4 65） 的加工过 程中，釆用高速切削可以取代电加工和磨削抛光的工序，避免了电极的制造和费时的电加工时间 越需要的薄壁模具工件，高速铳削可顺利完成。多工步加工。这些优点在资金回转要求快、1 ?高速切削加工, 大幅度减少了钳工的打磨与抛光量。一些市场上越来而且在高速铳削 CNC加工中心上，模具一次装夹可完成 交货时间紧急、产品竞争激烈的模具等行业是非常适宜的。高速加工切削系统主要山可满足高速切削的高速加工中心、高性能的刀具夹持系 统、高速切 削刀具、安全可靠的高速切削 C

5、AH软件系统等构成，因此，高速加工 实质上是一项大的系统工程。随着切削刀具技术的进步，高速加工已可以应用于 加工合金钢 （HRC3 , 广泛地应用于汽车和电子元件产品中的冲压模、注塑模 具等零件的加工。高速加工的定义依赖于被加工的工件材料的类型。图 1 是采用 高速加工时对不同材料普遍采用的切削速度。例如，高速加工合金钢采用的切削 速度为 500m/min, 而这一速度在加工铝合金时为常规采纳的顺铳速度。随着高速加工的应用范围扩大，对新型刀具材料的研究、刀具设计结构的改进、 数控刀具路 径新策略的产生和切削条件的改善等也有所提高。而且，切削过程的 计算机辅助模拟技术也 岀现了，这项技术对预测刀

6、具温度、应力、延长刀具利用 寿命很成心义。铸造、冲模、热压 模和注塑模加工的应用代表了铸铁、铸钢和合 金钢的高速切削应用范围的扩大。丄业领先的国家在冲模和铸模制造方面，研制 时刻大部份花费在机械加工和抛光加工工序上，如图 1 所示。冲模或铸模的机械 加工和抛光加工约占整个加工费用的 2/3, 而高速铳可正好用来缩短硏制周期， 降低加工费用。工 件 材 料过渡区域 高速加工区域纤雏増加塑科铝合金害詞和董洞不锈祸试合金媒合金图 1 高速铳削制造周期与经常使用材料切削速度2. 高速铳削加工机床超高速切削技术是切削加工的发展方向， 也是时代发展的产物。 高速切削技术是 切削加工技术的主要发展方向之一，

7、 它随着 CNC技术、 微电子技术、 新材料和新 结构等基础技术的发展而迈上更高的台阶。 然而，高速切削技术自身也存在着一 些急待解决的问题，如高硬度材料的切削机理、 刀具在载荷变化过程中的破损、 建立高速切削数据库、开发适用于高速切削加丄状态的监控技术和绿色制造技术 等。高速切削所用的 CC 机床、刀具和 CAD./CAM软件等，技术含量高，价格昂贵 , 使得高速切削投资很大，这在一定程度上制约了高速切削技术的推广应用。高 速 切削的高效应用要求机床系统中的部件都必须先进，主要表现在以下儿个方面：(1) 机床结构的刚性要求提供高速进给的驱动器 (快进速度约 40m/min, 3D 轮廓加工速

8、度为 lOm/min), 能够提供0. 4m/s2 到 10m/s2 的加速度和减速度。(2) 主轴和刀柄的刚性要求满足 10000r/min 到 50000r/min 的转速，通过主轴压缩空气或冷却系统控制 刀柄和主轴间的轴向间隙不大于英寸。(3) 控制单元要求 32 或 64 位并行处理器，具有高的数据传输率，能够自动加减速。(4) 可靠性与加工工艺能够提高机床的利用率 (6000h/y) 和无人操作的靠得住性， 工艺模型有助于对 切削条件和刀具寿命之间关系的明白得。常见国内外高速加工中心的代表如表 1 所示。 与传统普通数控机床相比， 其机床 结构、 加工速度和性能表现更加优秀，如德国的

9、 DMC85ISJ 速加工中心，采用直线 电机和电主轴，其主轴转速达到 30000r/min, 进给速度达到 120m/inin, 加速度 超过 lg (重力加速度 ) 。高速机床要求高性能的主轴单元和冷却系统、 高刚性 的机床结构、 平安装置和监控系统和优良的静动力特性等，具有技术含量高、机 床制造难度大等特点。 U前国内的高速机床，其性能与国外相较还存在必然的差 距。表 1 国内外高速加工中心序号123456799ms 号DMC85HSM700K211/214HYPERMARKFrswDiGni65KT!4(? VrBVMC1254)主犧转毬 ,T/minISOflfr WHMM42000

10、-4O4KM)6040040000戒大进给建度 / nvimin124)202460403048048快移速废 / mniin12&402410060JO48n制适商 DECKEL MAHO (? ( qNDKRQN OS ： FIDIA SPA CgiX WCINCENATTMAZAK C 日本沈 RIKLK 厂北京机床研頤大连机床乗囚北京机电研处曲3 ?高速切削加工的刀柄和刀具山于高速切削加工时离心力和振动的影响，要求刀具具有很高的儿何精度和装夹 重复定位精 度，很高的刚度和高速动平衡的安全可鼎性。山于高速切削加匸时较 大的离心力和振动等特点， 传统的 7:24 锥度刀柄系统在进行高速切削

11、时表现出 明显的刚性不足、 重复定位精度不高、轴向尺寸不稳定等， 主轴的膨胀引起刀具 及夹紧机构质心的偏离， 影响刀具的动平衡能力。 L1前应用较多的是 HSK高速刀 柄和国外现今流行的热胀冷缩紧固式刀柄。热胀冷缩紧固式刀柄的加热系统，其 刚性较好，但是刀具可换性较差，一个刀柄只能安装一种连接直径的刀具。山于 此类加热系统比较昂贵，在初期时釆用 HSK类的刀柄系统即可。当企业的高速机 床数量超过 3 台以上时，采用热胀冷缩紧固式刀柄比较合适。刀具是高速切削加丄中最活跃重要的因素之一， 它直接影响着加工效率、 制造成 本和产品的加工精度。刀具在高速加工过程中要承受高温、高压 . 摩擦、冲击和 振

12、动等载荷，因此其硬度和耐磨性、 强度和韧性、 耐热性、 工艺性能和经济性等 基本性能是实现高速加工的关键因素之一。同时不同的材料的工件高速切削在刀 具的选用上要注意其与工件材料的匹配性，表 2 为常用高速刀具对不同工件材料 切削加工的适应性能力。 高速切削加工的刀具技术发展速度很快， 应用较多的如 金刚石 (PCD)、立方氮化硼 (CBN)、 陶瓷刀具、涂层硬质合金、 (碳)氮化钛 硬质合金 TIC (X) 等。 U前山于高速机床和刀具材料价格比较昂贵是影响高速 加工在国内普及的重要原因之一。其中涂层硕质合金在高速加工中应用最为广 泛，可用于耐热合金、钛合金、高温合金、铸铁、纯钢、铝合金及复合

13、材料的高 速切削。表 2 经常使用高速刀具材料切削适应性 XZJ 具林PCDPCBN闷梵刀具淤記駆凰合 金TICN 杷廉合金?一优 ft 股耐热合金X X ? ? ?X 差诙合盒XX盗温合金XXWttX?伽 语合金X X ? X复合林料XX在加工铸铁和合金钢的切削刀具中，硕质合金是最经常使用的刀具材料。硬质合 金刀具耐磨性好， 但硕度比立方氮化硼和陶瓷低。 为提高硬度和表面光洁度， 硬 质合金刀具采纳硬的涂层材料进行涂层，如氮化钛、氮化钛铝和碳氮化钛等。直 径在 10?40mm范圉内， 且有碳氮化钛涂层的硬质合金刀片能够加工洛氏硬度小 于 42 的材料；而氮化钛铝涂层的刀具能够加丄洛氏硬度为

14、42 乃至更高的材料。 可依照利用要求，选用不同的刀具材料和涂层材料。表 3 给出了硬质合金刀具加 丄铝合金材料的切削参【无忙机械电子数。应用于高速切削的刀具和涂层材料可分为：加工铸铁的立方氮化硼和氮化硅刀 具，加工洛氏硬度达 42 的合金钢的氮化钛和碳氮化钛涂层的合金刀具，加工洛 氏硬度为42 其至更高的合金钢的氮化钛铝和铝氮化钛涂层合金刀具等。经过实 践验证，在复合材料的铳削加工过程中山于切屑呈现粉末状，因此要求切削刃比 用金刚石材料的刀具其效率和精度比普通硬质合金要好。钛合金 质合金和 YG8的普通硬质合金比较理想。较锋利耐磨，采的切削采用涂层硕表 3 硬质合金铝合金的高速切削参数刀貝进

15、给速度 ? 切削深度，切削宽度(m m in ill mm平面粗加工6 刃 680 竭饶刀40000150键槽加工2 刃 10 立铳刀120000.510側刃面加工2 刃 10 立铳刀600020( L54. 高速切削数控编程高速铳削加工对数控编程系统的要求越来越高，价格昂贵的高速加工设备对软件 岀了更高的安全性和有效性要求。高速切削有着比传统切削特殊的工艺要求，要有高速切削机床和高速切削刀具外，具有合适的 CAM编程软件也是至关重提除了要的。数控加工的数控指令包含了所有的工艺过程，一个优秀的高速加工 CAM 编程系统应具有很高的计算速度、 较强的插补功能、 全程自动过切检查及处理能 力、 自

16、动刀柄与 夹具干涉检查、 进给率优化处理功能、 待加工轨迹监控功能、 刀 具轨迹编辑优化功能和加工残余分析功能等。高速切削编程首先要注意加丄方法 次，要尽一切可能保证刀具轨迹光滑平稳，这会直接影响 件的寿命；最后，要尽量使刀具载荷均匀，这会直接影(l) CAM系统应具有很高的计算编程速度的安全性和有效性；其加工质量和机床主轴等零响刀具的寿命。高速加工中采用非常小的切给量与切深，故高速加工的 NC程序比对传统数控加 工程序要大得多， 因而要求计算速度要快， 要方便节约刀具轨迹编辑， 优化编程 的时间。(2) 全程自动防过切处理能力及自动刀柄干涉检查能力 高速加工以传统加工近 10倍的切削速度进行

17、加工，一旦发生过切对机床、产品 和刀具将产生灾难性的后果，所以要求其 CAM系统必须具有全程自动防过切处理 的能力。高速加工的重要特征之一就是能够使用较小直径的刀具，加工模具的细 节结构。系统能够自动提示最短夹纳 复持刀具长度，并自动进行刀具干涉检查。(3) 丰富的拓速切削刀具轨迹策略高速加工对加工工艺走刀方式比传统方式机能有着特殊要求，因而要求 CAM系统 能够满足这些特定的工艺要求。为了能够确保最大的切削效率，乂保证在高速切 削时加工的安全性， CAM系统应能根据加工瞬时余量的大小，自动对进给率进行 优化处理，以确保高速加工刀具受力状态的平稳性，提高刀具的使用寿命。 CAM软件在生成刀具轨

18、迹方面应具备以下功能：应幸免刀具轨迹中走刀方向的突然转变，以避免因局部过切而造成刀具或设备 的损坏；应维持刀具轨迹的平稳，幸免突然加速或减速；下刀或行间过度部份最好采纳斜式下刀或圆弧下刀，幸免垂直下刀直接接近工 件材料；行切的端点采纳圆弧连接，幸免直线连接；残余量加工或清根加工是提高加工效率的重要手腕，一样应采纳多次加工或采系列刀具从大到小分次加工，幸免用小刀一次加工完成，还应幸免全力宽切削 ;刀具轨迹编辑优化功能超级重要，幸免多余空刀，可通过对刀具轨迹的镜像、 制、旋转等操作，幸免重复计算；刀具轨迹裁剪修复功能也很重要， 可通过精准裁剪减少空刀， 提高效率， 也可 用于零件局部转变时的编程，

19、现在只需修改转变的部份，不必对整个模型重编；可提供优秀的可视化仿真加工模拟与过切检查，如 Vericut 软件就可专门好地 检测干与。三、 在高速铳削编程中的经常使用策略和 的粗加工、残留粗加以及以获取高质量的加 精加工和镜面加工等。高速加工中的粗加 进给率和小切削量的组合。等高加工方CAM软件 高速加工包括以去除余量为 LI 的 工表面及细微结构为 L1 的的半精加工、工所应采取的工艺方案是高切削速度、高式是众多 CAM软件普遍采用的一种加 11 方式。 应用较多的是螺旋等高和等 Z 轴等 高两种方式， 也就是在加工区域仅一次进刀，在不抬刀的情况下生成连续光滑的 刀具路径，进、退刀方式采用圆

20、弧切入、切出。螺 旋等高方式的特点是， 没有等 高层之间的刀路移动， 避免频繁抬刀、 进刀对零件表面 质量的影响及机械设备不 必要的耗损。对陡峭和平坦区域分别处理，让算适合等高及适合使用类似 3D偏 置的区域，并且同时可以使用螺旋方式，在很少抬刀的情况下生成优化的刀具路 径， 获得更好的表面质量。 在高速加工中运用， 一定要釆取圆弧切 入、 切出连接 方式， 以及拐角处圆弧过渡。 禁止使用直接下刀的连接方式来生成高速 加工的程 序。高速精加丄策略包括三维偏置、等高精加工和最佳等高精加工、螺旋等高精加工 等策略。 这些策略可保证切削过程光顺、稳定，确保能快速切除工件上的材料， 精度、 光滑的切削

21、表面。 精加工的基本要求是要获得很高的精度、 光滑的 量，轻松实现精细区域的加工，如小的圆角、沟槽等。得到高 零件表面质对许多形状来说，精加工最有效的策略是使用三维螺旋策略。使用这种策略可避 使用平行策略和偏置精加工策略中会岀现的频繁的方向改变，从而提高加工速 减少刀具磨损。这个策略可以在很少抬刀的情况下生成连续光滑的刀具路径。免 度， 这种加工技术综合了螺旋加工和等高加工策略的优点， 刀具负荷更稳定， 提刀次 数更少，可缩短加工时间， 减小刀具损坏机率。 它还可改善加工表面质量， 工后手工打磨的需要。在许多场合需要将陡峭区域的等高精加工和 距精加工方法结合起来使用。最大 限地减小精加 平坦区

22、域三维等采用高速加工设备之后， 对编程人员的需求量将会增加， 因高速加工工艺要求严 格， 过切保护更加重要，故需花多的时间对 NC指令进行仿真检验。一般情况下， 高速加 工编程时间比一般加丄编程时间要长得多。为了保证高速加工设备足够的 使用率， 需配置更多的 CAM人员。现有的 CAM软件，如 DELCAM的 PowerMILL、 美国MasterCAM UGS的 UnigraphicsNXxDassua 11 的 CATIA 以色列的 Cimatron E等都提供了相关功能的高速铳削刀具轨迹策略。图 2? 图 5 分别为 UnigraphicsNX.CATIA、 MasterCAM平台下的薄

23、壁零件和模具的高速铳削加工刀 具轨迹示意图。图 2 UG NX/CAM烏速铳削轨迹示用意图 3 CATIA 烏速铳削轨迹示用意图 4 MasterCAM iHj 速铳削轨迹示用意图 5 MasterCAM高速铳削仿真加工示用意四、高速切削加工在模具制造中的典型应用实例 模具的高速加工技术逐渐成为我国 模具丄业技术改造最主要的内容之一。高速加 工的效率不仅决定于主轴速度与刀具 直径，还与所切削的材料、刀具寿命及加工 工艺等综合因素有关。注塑模具、压铸 模具、冲压模具及锻模等合金模具钢材料 的硬度一般超过 HRC50。这类模具高速加 工的限制因素主要是刀具寿命，而非铝 合金加工中的主轴速度。对于小

24、型模具的细节结构的加工，主轴速度可达 40000r/min 以上。而大型汽车覆盖件模具的加工，一般主轴速度 12000r/min 以 上的加工即可称为高速加工。注射模、铸模、锻模和覆盖件冲圧模等的模具机械加工时间主要耗费在生产凸模 和凹模等部件上。在美国，最常用的模具材料为 3Cr2Mo模具钢 (HRC30),锻模和 铸模常用材料为 4Cr5MoVlSi 钢，有 HRC4 60 的锻模和 HRC4 50 的铸模等。表 4 列岀了最常用的模具材料， 40Cr. 45# 钢淬火调质是注射模常用的材料， 50%的模具制造商加工注射模采用高速切削来完成。 3Cr2Mo模具钢是加工注射模最 常用的钢，因含碳量低，通常预先热处理到 HRC30时加工，然后在淬火到 HRC355o 在压铸模的应用中，热