高速铣削的技术特点及在模具加工行业的应用

一、前言
在现代模具生产中,随着对塑件的美观度及功能要求得越来越高,塑件内部结构设计得越来越复杂,模具的外形设计也日趋复杂,自由曲面所占比例不断增加,相应的模具结构也设计得越来越复杂。这些都对模具加工技术提出了更高要求,不仅应保证高的制造精度和表面质量,而且要追求加工表面的美观。随着对高速加工技术研究的不断深入,尤其在加工机床、数控系统、刀具系统、CAD/CAM软件等相关技术不断发展的推动下,高速加工技术已越来越多地应用于模具型腔的加工与制造中。

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。相对于传统的切削加工,其切削速度、进给速度有了很大的提高,而且切削机理也不相同。高速切削使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%,切削力降低了30%,刀具的切削寿命提高了70%,留于工件的切削热大幅度降低,低阶切削振动几乎消失。随着切削速度的提高,单位时间毛坯材料的去除率增加了,切削时间减少了,加工效率提高了,从而缩短了产品的制造周期,提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了,切屑的高速排出减少了工件的切削力和热应力变形,提高了刚性差和薄壁零件切削加工的可能性。由于切削力的降低,转速的提高使切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率,而工件的表面粗糙度对低阶频率最为敏感,由此降低了表面粗糙度。在模具的高淬硬钢件(HRC45~HRC65)的加工过程中,采用高速切削可以取代电加工和磨削抛光的工序,从而避免了电极的制造和费时的电加工,大幅度减少了钳工的打磨与抛光量。对于一些市场上越来越需要的薄壁模具工件,高速铣削也可顺利完成,而且在高速铣削CNC加工中心上,模具一次装夹可完成多工步加工。

高速加工技术对模具加工工艺产生了巨大影响,改变了传统模具加工采用的“退火→铣削加工→热处理→磨削”或“电火花加工→手工打磨、抛光”等复杂冗长的工艺流程,甚至可用高速切削加工替代原来的全部工序。高速加工技术除可应用于淬硬模具型腔的直接加工(尤其是半精加工和精加工)外,在EDM电极加工、快速样件制造等方面也得到了广泛应用。大量生产实践表明,应用高速切削技术可节省模具后续加工中约80%的手工研磨时间,节约加工成本费用近30%,模具表面加工精度可达1m,刀具切削效率可提高1倍。

二、高速铣削加工机床

高速切削技术是切削加工技术的主要发展方向之一,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。由于模具加工的特殊性以及高速加工技术的自身特点,对模具高速加工的相关技术及工艺系统(加工机床、数控系统、刀具等)提出了比传统模具加工更高的要求。

1.高稳定性的机床支撑部件

高速切削机床的床身等支撑部件应具有很好的动、静刚度,热刚度和最佳的阻尼特性。大部分机床都采用高质量、高刚性和高抗张性的灰铸铁作为支撑部件材料,有的机床公司还在底座中添加高阻尼特性的聚合物混凝土,以增加其抗振性和热稳定性,这不但可保证机床精度稳定,也可防止切削时刀具振颤。采用封闭式床身设计,整体铸造床身,对称床身结构并配有密布的加强筋等也是提高机床稳定性的重要措施。一些机床公司的研发部门在设计过程中,还采用模态分析和有限元结构计算等,优化了结构,使机床支撑部件更加稳定可靠。

2.机床主轴

高速机床的主轴性能是实现高速切削加工的重要条件。高速切削机床主轴的转速范围为10000~100000m/min,主轴功率大于15kW。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0.005mm。还要求主轴具有快速升速、在指定位置快速准停的性能(即具有极高的角加减速度),因此高速主轴常采用液体静压轴承式、空气静压轴承式、热压氮化硅(Si3N4)陶瓷轴承磁悬浮轴承式等结构形式。润滑多采用油气润滑、喷射润滑等技术。主轴冷却一般采用主轴内部水冷或气冷。

3.机床驱动系统

为满足模具高速加工的需要,高速加工机床的驱动系统应具有下列特性:

(1)高的进给速度。研究表明,对于小直径刀具,提高转速和每齿进给量有利于降低刀具磨损。目前常用的进给速度范围为20~30m/min,如采用大导程滚珠丝杠传动,进给速度可达60m/min；采用直线电机则可使进给速度达到120m/min。

(2)高的加速度。对三维复杂曲面廓形的高速加工要求驱动系统具有良好的加速度特性,要求提供高速进给的驱动器(快进速度约40m/min,3D轮廓加工速度为10m/min),能够提供0.4m/s2到10m/s2的加速度和减速度。

机床制造商大多采用全闭环位置伺服控制的小导程、大尺寸、高质量的滚珠丝杠或大导程多头丝杠。随着电机技术的发展,先进的直线电动机已经问世,并成功应用于CNC机床。先进的直线电动机驱动使CNC机床不再有质量惯性、超前、滞后和振动等问题,加快了伺服响应速度,提高了伺服控制精度和机床加工精度。

4.数控系统

先进的数控系统是保证模具复杂曲面高速加工质量和效率的关键因素,模具高速切削加工对数控系统的基本要求为:

(1)高速的数字控制回路(Digitalcontrolloop),包括:32位或64位并行处理器及1.5Gb以上的硬盘；极短的直线电机采样时间。

(2)速度和加速度的前馈控制(Feedforwardcontrol)；数字驱动系统的爬行控制(Jerkcontrol)。

(3)先进的插补方法(基于NURBS的样条插补),以获得良好的表面质量、精确的尺寸和高的几何精度。

(4)预处理(Look-ahead)功能。要求具有大容量缓冲寄存器,可预先阅读和检查多个程序段(如DMG机床可多达500个程序段,Simens系统可达1000~2000个程序段),以便在被加工表面形状(曲率)发生变化时可及时采取改变进给速度等措施以避免过切等。

(5)误差补偿功能,包括因直线电机、主轴等发热导致的热误差补偿、象限误差补偿、测量系统误差补偿等功能。此外,模具高速切削加工对数据传输速度的要求也很高。

(6)传统的数据接口,如RS232串行口的传输速度为19.2kb,而许多先进的加工中心均已采用以太局域网(Ethernet)进行数据传输,速度可达200kb。

5.冷却润滑

高速加工采用带涂层的硬质合金刀具,在高速、高温的情况下不用切削液,切削效率更高。这是因为:铣削主轴高速旋转,切削液若要达到切削区,首先要克服极大的离心力；即使它克服了离心力进入切削区,也可能由于切削区的高温而立即蒸发,冷却效果很小甚至没有；同时切削液会使刀具刃部的温度激烈变化,容易导致裂纹的产生,所以要采用油/气冷却润滑的干式切削方式。这种方式可以用高压气体迅速吹走切削区产生的切削,从而将大量的切削热带走,同时经雾化的润滑油可以在刀具刃部和工件表面形成一层极薄的微观保护膜,可有效地延长刀具寿命并提高零件的表面质量。

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