高速铣削在模具制造业中的运用

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　　如今，在中央政府提出“加快工业基础建设、振兴东北老工业基地”的指导思想下，东北三省又迎来了建国以来的又一次契机，在国有企业优化重组、吸引外资等方面都取得了长足进步。在机械制造行业高速发展的今天，高速加工也越来越多地被应用到生产制作中来。目前，高速加工主要应用于汽车工业、航空航天业、模具制造业等。

　　 “工业发展、模具先行”。尤其是在东北沿海城市大连，这种表现尤为突出。随着国企增资扩建模具车间/模具分厂、在连的日资企业逐渐把在日本的模具制造厂转移到了大连、大部分模具也由原来的日本供应转向了本区域采购等等一系列机遇，大连的模具业成倍数地增长，专业模具制造商日俱规模，高速铣削被越来越多地应用到模具加工中来。

　　众所周知，减少电火花加工=缩短制作周期=降低生产成本。在模具制作过程中，电极制作、电火花加工、手工抛光是模具加工中的辅助工序，既费时又费力。随着高速加工的发展，以30,000转——60,000转主轴，用R0.15mm——R0.3mm的端铣刀，来作深腔、清角、光洁度的加工，势必取代绝大部分放电加工。

　　但是，高速加工需要靠机床、刀具、软件、编程、夹具等一套完整的系统来保证的，每一方面都缺一不可，所以，虽然高速加工是模具制造业未来趋势，我们也要一步一步来学习、掌握这门新的加工技术。

　　目前，在我们大连地区，有高速加工中心的厂家不多，如：共立精机、鸿圆精密、华录模塑等，机床转速在12,000转——30,000转不等，主要用于铜/石墨电极制作、精密模具部件制作。在今年八月份大连国际机床展上，据他们的领导及操作员反映，从使用效果来看，未达到理想的高速效果。我想在这期《劲锋》期刊的一角，把我所了解的高速加工阐述一下，希望以下内容对您及贵公司有所启发、有所帮助，也欢迎您来访或来电提出您的高见，愿与您共同探讨高速加工。

　　首先，我们先来讨论一下：

为什么需要高速铣削：
1、面对成本压力，要降低生产成本；
2、面对竟争压力，要缩短制作周期；
3、减少电火花加工，减少电极加工；
4、减少手工工作，得到更好的光洁度；
5、薄壁件，不得不采用高速铣；
6、超硬钢铣削——高转速、大进给、小切深

高速加工目标：
1、高精度
2、高光洁度
3、最短的加工时间

高速加工的要点：
1、速度快、稳定性高的控制系统
2、精确的刀路编程
3、高速、高刚性、同心度高的刀具系统
4、快速、精准的装夹系统

　　
　　在简要地了解了以上信息后，暂时抛开高速加工中心母机不谈，我们再从以下四个方面来论述一下影响高速加工的几点因素：

一、高速加工中心对控制系统的要求：

　　高速加工追求高精度和高光洁度，在CAM计算机辅助设计中，用点逼进法来加工圆弧，这样产生的NC程序多达十几兆到几十兆，这就需要控制系统有非常高的数据处理能力，一般要有1秒钟内处理5000~10000条数据的能力，不然机床会在加工到尖角位或转弯位停顿甚至死机。
1、开放式控制系统。如：Heidenhaim、Siemens、Fanuc等，处理器PⅢ1000MHz以上，并可根据需要自行升级，具有更好的通用性、柔性、扩　　展性，并向智能化、网络化发展，保证高速加工下的可靠性和安全性。
2、程序块处理时间为0.1ms，即每秒可处理10，000个以上程序块，10，000个以上程序块超前看功能。
3、自动控制加速度功能。可根据高精度或高速加工要求，对机床运行做出调整。如：转角减速，避免过切现象产生。
4、及时升级最新的控制系统版本，通过更优化的曲线计算和插补，获得更好的加工精度和表面质量，同时可将加工时间缩短20%。

二、高速加工中心对刀路编程的要求：

1、编程界面为ISO，点与点之间隙极小，有时候少于0.001mm
2、高精度编程软件
3、复杂编程策略：·粗加工·半精加工·精加工

参考资料：高速主轴规格
主轴转数功率最大刀具直径
36000rpm，17kw Φ20mmMAX
42000rpm，14kw Φ15mmMAX
60000rpm，15kw Φ8mmMAX

三、高速加工中心对刀具的要求：
　　刀具与机床是相辅相成，共同发展的，高速加工当然对刀具也有着很高的要求：
　　高速加工刀具
1、类型：整体式、机夹式、可调式
2、材质：超细微粒硬质合金、PCD（聚晶金刚石）、CBN（立方氮化硼）或金刚石沉积涂层刀具等。
提示：*高速铣削必须使用硬质合金或以上刀具，除了比白钢刀具有良好的切削性能外，还具有撞刀时断裂，保护主轴的特点；

*使用球头铣刀时，应注意有效加工直径；
*不能用白钢刀；
*尽量小的悬伸；
*顺铣；

　　刀具的预调和管理
1、刀具长度和直径的测量。因为刀具公差一开始即被严格控制，减少机床撞刀，工件质量得到提高，降低废品率。
2、识别刀具磨损状况。通过对刀具切削刃的磨损分析，调整切削参数，从而提高产品精度，降低刀具非合理损耗。
3、刀具预调、刀具管理。刀具经过预调和测量，不需机内对刀，保证生产的连续性，可以使数控加工设备的生产效率至少提高12.5%；使整个库存管理更方便，在刀具成本上可以降低至少20%的年费用。

目前，世界上刀具测量仪器以德国产最优、最专业，如：德国ZOLLER（见图1）、德国WALTER等。
图1 ZOLLER刀具预调和测量仪Venturion400~1400

四、高速加工中心对刀具夹持系统的要求：

1、 HSK刀柄在高速加工中被广泛应用。
　　在高转速、高离心率的情况下，HSK刀柄与主轴的结合将更加紧密、更具刚性，3万rpm以上应为首选。
2、刀具与夹刀头的同心度，直接影响加工精度。
　　热胀式刀柄是专为高速机设计的，具有高刚性、高同心度的性能特点，同心度达0.003mm以下。现在各大刀具制造商都陆续推出了热胀式刀柄，其中性价比极高的品牌为台湾“正河源SYIC”（见图2）高速机系列刀具。刀柄规格：BT、DAT、CAT、HSK；适合转数：从8000rpm~30000rpm，具有高刚性、高同心度的性能特点。
图2 台湾正河源SYIC高速机刀柄
3、为配合热胀刀柄使用，需配置“加热/冷却机”。
　　快速加热原理：由加热器内之感应线圈产生高频磁力，使刀杆感应涡流而直接发热，加热到450℃以上，然后将刀具放入刀柄，待冷却后，使刀柄与刀具全面接触，完全解决了索咀式刀柄只有五点抓住刀具的缺点。加热迅速，仅需15s~20s；冷却约需30s。
　　现有几种品牌加热、冷却机可供参考：
1）台湾正河源加热机
冷却机（见图3）
图3 正河源加热机
2）德国HAIMAR 加热&冷却机（二合一式）
3）德国ZOLLER 对刀、加热&冷却机（三合一式）（见图4）
图4 ZOLLER对刀、加热&冷却机
4、高速加工对刀柄及刀具系统要有很高的动平衡性。
　　当主轴转速达30,000rpm或以上时，主轴、刀柄、刀具三者在旋转时应具有极高的同心度及动平衡能力。否则转速越高离心力越大，当其达到系统的临界状态，将会使刀柄、刀具系统发生激振，其结果是加工质量下降，刀具寿命缩短，使主轴轴承磨损，造成主轴损坏。
消除刀具系统不平衡的方法有三种：
1）加动平衡环
2）加配重螺钉
3）在刀柄上钻或铣去不平衡质量
　　但是，以上方法都需要有刀具动平衡仪精确地计算出需要调整的量，方可实施。
　　目前，德国HAIMAR的刀具动平衡仪最为专业，广泛应用于模具制造、航空航天、汽车、刀具生产等行业，如：海尔模具、株州硬质合金工具厂、瓦尔特（工具）等用户。

五、高速加工中心对夹具的要求：

　　购买高速加工中心的目的就是要缩短制作时间，
如图5所示：用普通加工中心90分钟加工的2D电极，在高速加工中心上1分钟就完成了。但是大家可能忽略了此电极在加工中心上的装夹时间，大约需15~25分钟；铣完的电极，在电火花机安装校正的时间又花掉30分钟，而放电加工仅需30分钟。这种不合理现象，往往成为高速加工的瓶颈。

　　解决这个瓶颈问题，我们可以使用柔性的工具系统，不单消除了装夹、找正中的人为误差，又减少了高档设备的停机时间，使生产效率与模具质量翻倍提高。如：瑞士EROWA工具系统，重复装夹精度在±0.001mm以内，机械手自动换装和手动换装仅需10秒钟（见图6）。
图6 EROWA自动换装设备

　　在最近一年中，我也先后去了瑞士、日本及上海等地的一些精密模具制造厂参观。在劳动力少、工资高的瑞士，一家叫瓦勒伯佰科的公司，专业生产精密塑料模具和冲模，现场操作者只有17人，操控着25台精密数控设备，又负责模具装配，没有专职的钳工，而年销售额350万美元，人均14万美元；在日本黛杰（DIJET）的一个专做硬质合金模具的电加工车间，也只看到了一位操作者在操控着5台设备。

　　也就是说，除了有先进的数控机床外，夹具系统是贯穿生产过程始终的。减少装夹时间，解放劳动力，使机床连续生产，才能最终降低生产成本。

　　综上所述，高速加工的确是一套系统的加工技术，离不开软件编程、刀具、夹具的配合。每一位运筹帷幄的领导人都希望他的投资能尽快地得到回报，那么，及时地“更新知识”，果断地“先人一步”，将是您制胜的法宝。劲锋人也不断地汲取世界先进的机加理念，将理论运用到实践中来，为客户提供更完善的方案与技术服务，希望能与您共同进步！

（大连劲锋 Sophia）

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