向极限挑战的高速加工技术

　　高速加工技术开发重点是速度与切削效率。
        优质产品短期交货
       随着用户需求多样化，希望缩短产品开发制造周期的呼声也在提高。作为批量生产零部件时不可缺少的金属
模具，其制造和用这个模具生产的锻造部件、铸造部件也达到优质、短时间交货的方法，是使切削工具、磨削砂轮高速旋转。在此以模具切削加工技术为主，说明一下为实现高精度、高效率加工的关键制造工艺。
       为何要高速切削加工
        加工中心的加工时间，是包括了排出铁屑的切削时间和交换工具、轴的定位时间等非切削时间组成的。在加工锻造、铸造的引擎等部件时，为缩短同一产品的批量加工时间，尽量缩短非切削时间是有效的。现在有高速自动工具交换装置，也实现了100m／min以上高速化的轴的快速进给。
       在加工金属模具的形状部位时，切削时间占的比率较高，因此想办法提高切削效率对于缩短加工时间会产生很大的效果。
        现在看一看高速加工的有利之点。首先是加工精度和加工效率。高速加工的进刀量使每刃为小进给，使工具高速旋转进行加工，这就提高了进给速度。结果是降低了切削阻力，抑制了刚性较低工具在加工中的变形，使形状精度得到提高。
        最近的切削工具在切削铁方面的材料时，100-500m／min的切削速度成为推荐条件得到开发。这样，高速加工的效率同过去的加工相比可以提高两倍。
        再是切削发热。进行切削时切削点的发热，是工具的前倾面、后隙面的摩擦热和铁屑被剪断变形导致的发热为主，随着切削速度的提高，整体发热量会增加，但90％以上被铁屑吸收，热传导基本上不会到工具、工件上。很好地利用这一特点，就可以在抑制工具磨损的同时提高加工效率。
        能够很好地运用上述有利之点，是高速加工成功地达到高精度、高效率的关键。下面再看一看金属模具加工的特点、为实现高速切削的设备、刀具、工具CAM等。    
        细微直线组成的金属模具形状    
        加工模具形状部位采用的数据，是把要达到的3次元曲面以微细的点群进行直线插补，属于大量微细直线的集结。加工中心按照这微细直线动作时，要使直线和直线相接部分保证加工精度，就要按照衔接部分的折曲角度和直线长度的比率降低切削进给速度，通过衔接部位后，需要反复进行达到切削进给速度时的加减速。
        就像开汽车一样，在大的R弯道上可以高速通过，但在V字形弯道时，如果不充分减速，汽车就会越出道路。
        因此，对于加工中心各进给轴的指令都是以非常短的间隔作出指示的。变化进给轴的加速度、对进给轴进行移动指令时，从停止状态到达到指令的进给速度有个必要的距离。例如，作出5m／min的进给速度指示时，原来加工中心采用的1．6m／s²的进给轴加速度就要达到2．2mm的加速距离，如使用高加速的9．8/s²时，就成为0．4mm的短加速距离。 再引用一下开车的例子，就像大型卡车(低加速机)和赛车(高加速机)并排启动，看哪一辆先达到预定的速度一样。
         一般来说，模具形状部位加工用的NC数据，很多是2mm到3mm以下，短的也有为0.1mm以下的。现在有提高刀具轨迹公差、生产更高精度模具的倾向，因此也有时将线分长缩短，这样，低加速的加工中心作出高速的进给速度指示时，实际的进给速度也不会达到指示的速度。也就是说仅提高了进给指令速度，不会缩短加工时间，为提高加工效率，需要有高加速、高速进给轴的加工中心。
        高速加工中心
        这几年，进给结构采用高导引滚珠丝杠或直线电机，加减速度从9.8到19.6m/s²、进给速度从60m/min到120m/min的高速快速进给加工中心正在商品化。        

        可是，并非所有这些设备都能有效地进行金属模具的高速加工。正如前面所述，模具形状部位的加工
是三次元曲面，这在加工时就需要频繁地加减速。为做到保持指标精度的同时进行加工，就要在不能因快
速的加减速产生的惯性导致机械本体变形方面下功夫。
        高速模具加工设备是将导轨配置于移动体的两端，各轴的移动体都有两端支持，是以两面支撑的状态支
持高刚性的。滚珠丝杠每个轴都是移动体两端各有两个的配置，这样重心附近也能驱动，能够适应60m/min、
9.8m/s²的高速快速加减速的进给。
        高速刀具

        刀夹是使机械和工具结合的要素，原来只约束锥面的BT夹具，在主轴回转速度超过20,000min-1时，锥口会由于离心膨胀而张开，刀头的振摆就会加大。刀头的振摆直接影响工具寿命，这就会使工具寿命缩短。于是，为做到高速加工，就必须采用可约束锥面和端面两个面的双面高速夹具。关于此类型夹具，HSK和KM公司，还有其他夹具厂家都提出了有特长的夹具方案。
        工具的保持方式从离心膨胀及加工精度考虑，多采用高速旋转时也具有可靠精度的热压配合式夹具。原来
采用的简夹控制方式也提高了精度，可用于高速加工。
        用于高速的切削工具
        由于使用超微原料的超微粒子超硬开发得到推进，硬度和韧性值得到提高，使得高速高效加工成为可能。
又由于开发出了在工具表面施以耐热性和硬度都非常好的涂层，更具提高寿命的效果。在硬度和耐热性方
面具有比超硬还好的性质的CBN、最近又出现了提高CBN含量的烧结体，实验报告结果显示，超过1，000m/min的切削速度时，工具磨损也很少。
         CAM
         CAM将切削出来的形状以点群数据表示，这样，决定工具移动轨迹的刀具对于实现高精度加工起到很
大作用。为达到较高的形状精度，就要尽量减少切削阻力的变动，需采用相对固定工具变形量的切削方法。
实现了这一方法的是等高线加工。
         等高线加工是高度在同样位置时的连续切削，工具和工件的接触位置不产生变化。这样，铁屑的厚度是固
定的，切削阻力的变动就很小。这种加工方法对竖壁等可达到很细小的节距型缝，但加工缓面时节距就会变
粗，使得表面光洁度不理想。最近在型缝较粗的地方加上了使型缝输出的功能，从而得到很好的加工面。
        将点群进行直线插补时，需要在短时间处理大量的NC数据，如果CNC装置能力不足时，就要产生NC
数据处理的等待时间，这会导致进给轴控制不能平缓，使加工面出现凹凸现象。
        为提高处理速度，采用圆弧插补和NURBS插补可以消除NC数据处理的等待时间，实现高速高精度加
工。实际已有报告显示，研制出了对模具形状部位的直线插补数据进行圆弧插补，平均线分长度粗工序时
为5倍、精加工序为2倍，适合高速切削的NC数据。
   
        削减了手工研磨工序
        曲轴模具是以放电加工方式对形状部位进行加工，对于电加工后的痕迹都是用手工研磨方法去掉的。这
是因为曲轴模具需采用深雕加工法，但工具探出的长度与工具直径比大时，切削面则容易发生“振颤”
而不会得到良好的加工面。
        也有引用上述高速加工技术，使用高刚性主轴的加工中心、采用降低切削阻力的工具径路和高刚性工
具，得到平滑理想的加工面，从而削减手工研磨工序的做法。
        为实现高速切削加工，就需采用相应高速的加工中心、可适应快速进给的刀具轨迹、考虑到加工中心
特性的有编制NC数据功能的CAM、再加上可以进行高速、高效加工的切削工具、振摆小的工具刀夹等，
注重提高这些周边技术，并将这些技术都充分运用到切削加工技术中去，总之是需要多方面的协调配合。

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