模具高速铣削加工技术及其数控编程实例应用

1 前言

目前国际上高速切削加工技术主要应用于汽车工业、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，显示了强大的功能。国内高速切削加工技术的研究与应用始于20世纪90年代，应用于模具、航空航天和汽车工业。但采用的高速切削CNC机床、高速切削刀具和CAD／CAM软件等以进口为主。本文讲述了模具高速切削加工过程中的优点及其机床、刀具、CAM数控编程的关键技术应用，并以实例的形式进行了说明，希望对读者有所借鉴作用。

2 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惑的一系列问题通过高速切削加工的应用得到了解决。其切削速度和进给速度比传统的切削加工速度高，切削机理发生了根本的变化。与传统切削加工相比，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％、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，切削时间减少，加工效率提高，缩短了产品的制造周期，增加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，切屑的高速排除，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。另外，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(45～65HRC)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。避免了电极的制造和费时的电加工时间，大幅度减少了钳工的打磨与抛光量。一些市场上越来越需要的薄壁模具工件，高速铣削可顺利完成。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。

(1)高速切削的优点

高速加工切削系统主要由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CAM软件系统，因此高速加工是一项大的系统工程。随着切削刀具技术的进步，高速加工已应用于加工合金钢(硬度大于30HRC)，广泛地应用在汽车和电子元件产品午的冲压模，注射模零件。高速加工的定义依赖于被加工的工件材料的类型。图1为高速加工不同材料时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500Ⅻ／min，而这一速度在加工铝合金时常采用顺铣。

图1 高速铣削制造周期与常用材料切削速度

(2)高速铣削加工机床

超高速切削技术是切削加工的方向，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，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工状态的监控技术和绿色制造技术等等。同时高速切削所用的CNC机床，车、铣、钻等刀具，CAD／CAM软件等技术含量高，价格昂贵，使得高速切削投资大，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，主要表现在以下几个方面：

a．机床结构的刚性。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0.4～10m／s的加速度和减速度。

b．主轴和刀柄的刚性。100100～50000转／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0．005mm。

c．控制单元32或64位并行处理器，高的数据传输率，能够自动加减速。

d．可靠性与加工工艺。提高机床的利用率和无人操作的可靠性，工艺模型有助于对切削条件和刀具寿命之间关系的理解。

常见国内外高速加工中心的代表如表1所示，它们与传统普通数控机床相比，其机床结构、加工速度和性能更优秀，如德国的DMC85高速加工中心，采用直线电机和电主轴，其主轴转速达到30000转／min，进给速度达到120m／min，加速度超过19(重力加速度)。高速机床要求高的主轴单元和冷却系统、高刚性的机床结构、安全装置和监控系统、以及优良的静动力特性等，其技术含量高，机床制造难度大等特点。目前国内的高速机床其性能与国外相比还存在一定的差距。

表1 国内外高速加工中心

(3)高速切削加工刀柄和刀具

由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几何精度和装夹重复定位精度、刚度和高速动平衡的安全可靠性。由于高速切削加工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、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。目前应用较多的是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，适应性较差。由于此类加热系统比较昂贵，在初期时可采用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。

刀具是高速切削加工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为常用高速刀具在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-nC(N)等。目前高速机床和刀具材料的价格昂贵是影响高速加工在国内普及的重要原因之一。其中涂层硬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、铝合金及复合材料的高速切削。

表2 常用高速刀具材料切削适应性

在加工铸铁和合金钢的切削刀具中，硬质合金是最常用的刀具材料。硬质合金刀具耐磨性好，但硬度比立方氮化硼和陶瓷低。为提高硬度和表面光洁度，硬质合金刀具采用硬的涂层材料进行涂层，如氮化钛、氮化钛铝和碳氮化钛。直径在咖10一妒0mm，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42HRC的材料；而氮化钛铝涂层的刀具能够加工洛氏硬度为42HRC甚至更高的材料。根据使用要求，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工铝合金材料的切削参数。应用于高速切削的刀具和涂层材料可分为：立方氮化硼和氮化硅加工铸铁、氮化钛和碳氮化钛涂层的合金刀具加工洛氏硬度达42HRC的合金钢、氮化钛铝和铝氮化钛涂层合金刀具加工洛氏硬度为42HRC，甚至更高的合金钢。经过实践验证在复合材料的铣削加工过程中，由于切屑呈粉末状，因此要求切削刃比较锋利耐磨，采用金刚石材料的刀具其效率和精度比普通硬质合金好。钛合金的切削采用涂层硬质合金和YG8的普通硬质合金比较理想。

(4)高速切削数控编程

高速铣削加工对数控编程CAM系统的要求越来越高，价格昂贵的高速加工设备对软件提出了更高的要求——安全性、有效性。高速切削有着比传统切削特殊的工艺要求，除了要有高速切削机床和高速切削刀具，具有合适的CAM编程软件也是至关重要的。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、加工残余分析功能等。高速切削编程首先要注意加工方法的安全性和有效性；其次要尽一切可能保证刀具轨迹光滑平稳，这会直接影响加工质量和机床主轴等零件的寿命；最后要尽量使刀具载荷均匀，这会直接影响刀具的寿命。故应用于高速加工的数控自动编程CAM系统必须能够满足相应的特殊要求。

表3 硬质合金铝合金的高速切削参数

3 常用CAM软件高速铣削编程实例应用


高速精加工策略包括三维偏置、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，得到高精度、光滑的切削表面。精加工的基本要求是要获得很高的精度、光滑的零件表面质量，轻松实现精细区域的加工，如小的圆角、沟漕等。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。使用这种策略可避免使用平行策略和偏置精加工策略中会出现的频繁的方向改变，从而提高加工速度，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，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。它还可改善加工表面质量，最大限度地减小精加工后手工打磨的需要。在许多场合模型需要将陡峭区域的等高精加工和平坦区域三维等距精加工方法结合起来。

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，一般高速加工编程时间比一般加工编程时间要长的多，而大

大缩短了加工时间。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M鹊terc锄、EDS的UnigraphicsNX、Dassualt 的CAⅡA、以色列的CimatronE等都提供相关功能的高速铣削刀具轨迹策略。图2、图3、图4、图5分别为UnigraphicsNX、CATIA、M鹊terc锄平台下的薄壁零件和模具的高速铣削加工刀具轨迹示意图。

图2 UG NX/CAM高速铣削轨迹示意图

图3 CATIA高速铣削轨迹示意图

4 高速切削加工在模具制造中的典型应用实例

高速加工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。注射模、压铸模、冲压模及锻模等合金模具钢材料的硬度一般超过洛氏50HRC。这类模具高速加工的限制因素主要是刀具寿命，对于小型模具的细小结构的加工， 主轴速度可达删转／min以上。而大型汽车覆盖件模具的加工，一般主轴速度在12000转／min以上的加工可称为高速加工。

在注射模、铸模、锻模和覆盖件冲压模的模具加工时间主要耗费在生产凸模(型芯)和凹模(型腔)等部件上。在美国，最常用的模具材料为3Cr2Mo模具钢(30HRC)，锻模和铸模常用材料为4Cr5MoVlSi钢，45～60HRC的锻模和46～50HRC的铸模。表4列出了最常用的模具材料，40Cr、45钢淬火调质，50％的模具制造商加工注射模采用高速切削来完成模具的加工。高速加工用在模具和铸件的加工。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30HRC时加工，然后再淬火到50～55HRC。在压铸模的应用中，热锻模具钢4Cr5MoVl Si在46HRC状态时进行精加工。

表4 美国常用模具材料与公差要求

图6为在UGNX环境下编制的某基于SMC成型的大型覆盖件热压模型腔的数控高速铣削加工刀具轨迹示意图，其粗加工采用基于残留毛坯的等高分层铣削，半精加工采用3D平行铣削。该热压模材料为55铸钢，在粗加工时采用舭0mm的镶齿螺旋铣刀，切削参数为主轴800转／min、切削深度为Z轴每层2mm、切削宽度90％刀具直径宽度、进给率为2000mm／min。图7则为在Maste吒AM平台下为某注射模采用40Cr进行高速切削加工的刀具轨迹与仿真加工示意图，对于传统的数控机床其由于主轴转速的限制，其高速切削用量为咖20mm的刀，转速2000转／min，进给率2000mm／min，切削深度2mm；精加工为咖12mm、切削深度0.2m/min，主轴转速3500转／min，进给率3000mm／min。其加工周期比传统切削效率缩小了很多。

图6 覆盖件热压模高速铣削示意图

图7 注射模高速铣削刀具轨迹示意图

五、结束语

高速加工技术是世界范围内倍受关注的前沿技术，它将极大地促进加工的效率提高和产品品质的改善。正如前文所述，高速加工是一个系统工程，他要求从软件、硬件及设备方面的全方位的改革，但由于其具有传统加工无可比拟的优势，仍将是今后加工技术必然的发展方向。