高速铣削逐浙成为模具的重要加工工艺

　　用EDM进行模具型面精加工和抛光的工艺已经逐浙减少，高速铣削逐浙成为模具的重要加工工艺手段，它为进一步缩短模具生产周期提供了条件。 

　　模具是机械制造业中使用量大面广的重要基础工艺装备，已成为当代工业生产中的重要手段和工艺发展方向。美、日等工业发达国家模具产值早已超过机床产值，目前全世界模具年产值约600亿美元，超过全球机床产值。我国1997年模具产值就已接近200亿元人民币，但仍有某些模具，特别是以汽车覆盖件模具为代表的复杂模具存在供求缺口(缺口约占需求量的2/3)。1996～1998年模具进口金额分别为9.18、6.31、6.63亿美元。 

　　面对全球化市场竞争，随着新产品开发周期和产品更新期的日益缩短，对模具设计制造的快速响应要求也就越来越高，要求尽可能缩短模具生产周期，这已经成为衡量一个国家制造业水平的重要标志之一。

　　随着模具CAD/CAE/CAM系统的进步，加工设备高速化、精密化、数控化的发展，都为进一步缩短模具生产周期提供了条件。本文着重介绍高速铣削技术在模具制造中的应用。

　　80年代以来，随着高速铣削技术的成熟和发展，用EDM进行模具型面精加工和抛光的工艺已经逐浙减少，高速铣削逐浙成为模具的重要加工工艺手段。在德国和日本，采用高速铣削作为模具半精加工、精加工的手段已成为主流工艺。 

　　 采用高速铣削的理由

　　1) 除了有内锐角的型腔和窄而深的型腔，基本上都可以用高速铣削取代EDM加工。

　　2) 采用高速铣削加工模具比EDM方法可以节省25%～60%的加工时间；

　　3) 高速铣削的模具表面质量提高，避免了EDM加工时可能出现的表面微细裂纹；

　　4) 高速铣削45～60HRC硬表面，精铣表面的粗糙度可达Ra=0.63μm，从而可以减少工资费用高的手动抛光时间； 

　　5) 省却了EDM加工方法电极的制造环节，从而显著地缩短了模具制造的周期。 

　　模具高速铣削使用的刀具

　　由于刀具材料性能的改善和新型刀具材料及涂层工艺的开发，刀具允许的切削速度几乎每隔10年提高1倍。高速铣削正是基于这一重要前提。对刀具材料既要求硬度高、耐磨性好、耐热性(红硬性)好，又要求韧性好、耐冲击，以适应高硬度模具钢的高速铣削要求。

　　1. 粗铣和半精铣通常使用细颗粒、超细颗粒硬质合金球头立铣刀或平头立铣刀，刀具经复合涂层，切削深度0.1～0.3mm，切削速度可以达150～250m/min。

　　2. 在半精铣和精铣中使用氮化硅陶瓷刀具或Si3N4+TiC(或TiN)复合陶瓷刀具，切深0.05～0.15mm，切削速度可达250～600m/min。

　　3. 超硬材料立方氮化硼是模具高速精铣的主要刀具材料。聚晶立方氮化硼(PCBN)硬度高、耐热性极好，近年来在提高韧性和更好的化学稳定性以后，开始用于淬硬钢模具的高速铣削。精铣时切深0.05～0.10mm，切削速度300～1200m/min，精铣效果几乎可代替磨削。

　　除了正确选用刀具材料外，高速铣削还应优化刀具几何参数，解决刀具(连同主轴)的动平衡和刀杆抗振性问题。与常规铣削相比，高速铣削铣刀的前角相对减小而后角有所增大。铣刀直径较小时(通常为球头立铣刀)，为避免球头顶端靠近回转中心部分由于切削速度很低而降低切削性能，应使用能使刀具摆动的CNC机床，通常主轴倾斜30°。

　　有一个摆动轴的即为4轴CNC联动，有二个摆动轴的为5轴CNC联动。而使用平头立铣刀铣削3维自由曲面时编程较复杂。 

　　CAD/CAM系统和数控仿形集成化技术

　　在模具复杂曲面的数控加工中，必须先产生刀具轨迹和数控加工指令，这可以通过数控仿形测量实现。即根据实物(样件)模型数控仿形测量结果(3维点群数据)，建立几何形体数字化模型，再由CAD／CAM系统生成刀具轨迹和数控加工指令(见图1)，从而可在CNC机床上加工出与实物模型一致的曲面形状。 

　　于是，就将模具复杂曲面的直接测量引入到设计-加工过程中， 构成测量-造型-加工集成化系统，即数控仿形铣床。

　　它完全不同于传统的机械仿形或电气仿形铣床，它既具有数控、仿形功能，又具有数字化功能。

　　这种数控仿形铣床特别适合于型腔较浅、型面高度变化不大、型面轮廓有相当斜度的模具复杂曲面的仿形加工。其数字式测头或非接触式激光测头(激光扫描传感器)能以10m/min甚至更高的速度进行仿形扫描和数字化转换，仿形精度可达±5μm。

　　高速铣削加工机床必须具备的条件

　　数控仿形铣床、CNC高速铣床或高速加工中心是模具高速铣削使用的机床，这些机床有下列基本特征：

　　1. 高速大功率主轴单元。能提供很高的转速，因为球头立铣刀往往直径较小，为达到足够高的切削速度，主轴必须有极高的转速。图2所示，瑞士MIKRON公司开发的HSM700高速铣床(加工中心)主轴最高转速42000r/min。

　　2. 具有高加、减速的高速进给系统。高速铣削不仅切削速度高，而且为保持合理的每齿进给量，也相应要求有很高的进给速度。HSM700高速铣床的工作进给速度可达20m/min，进给轴加速度10m/S2，最大快移速度40/min。

　　3. 能使用锥面与端面双定位的1：10空心短锥柄刀夹的主轴端部结构和HSK工具系统，以确保在极高转速下刀具的定心精度。

　　4. 高速精密CNC系统。具有在轮廓加工中能减小跟踪误差的高精度伺服单元，具有最佳加减速特性，具有各种误差补偿及超前控制功能。

　　5. 不仅能实现干切削，必要时可使用切削液，或使用气-油喷射冷却(油量极少)。

　　6. 设有全封闭安全防护装置。

　　7. 整机具有良好的热稳定性和动态刚性。 

　　 近年来兴起的并联杆系机床(国内亦称虚拟轴机床，俗称六腿机床)，由于其运动是基于Stewart平台运动原理实现的，特别适于高速加工，有很广的工艺范围。

　　德国MIKROMAT公司与Fraunhofer机床与成形研究所(IWV)联合开发的6X型高速立式加工中心示意图。其特点是取消了安装主轴头的动平台，6杆直接与主轴头壳体用球关节联结且不在同一平面上(见图b)。主轴头移动行程630×630×630mm，摆动角度30°，电主轴最高转速30000r/min，最大功率16kW，额定扭矩17Nm，刀柄为HSK50。6杆的最大直线运动速度30m/min，最大加速度10m/S2。

　　这种6X型机床由于取消了安装主轴头的动平台，运动部件的质量减轻了, 因而可实现高速铣削所需的很高的轨迹铣削速度，特别适合于模具高速铣削加工。

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