模具高速加工技術與策略
1 引言
作為現代先進制造技術中最重要的共性技術之一的高速加工技術代表了切削加工的發展方向，并逐漸成為切削加工的主流技術。高速切削中的“高速”是一個相對概念，對于不同的加工方式及工件材料，高速切削時采用的切削速度并不相同。一般來說，高速切削采用的切削速度比常規切削速度高5～10倍以上。由于高速切削技術的應用可顯著提高加工效率和加工精度、降低切削力、減小切削熱對工件的影響、實現工序集約化等，因此已在航空航天、模具制造、汽車制造、精密機械等領域得到廣泛應用，并取得了良好的技術經濟效益。
在現代模具的成形制造中，由于模具的形面設計日趨復雜，自由曲面所占比例不斷增加，因此對模具加工技術提出了更高要求，即不僅應保證高的制造精度和表面質量，而且要追求加工表面的美觀。隨著對高速加工技術的研究不斷深入，尤其在加工機床、數控系統、刀具系統、CAD/CAM軟件等相關技術不斷發展的推動下，高速加工技術已越來越多地應用于模具的制造加工。
高速加工技術對模具加工工藝產生了巨大影響，改變了傳統模具加工采用的“退火→銑削加工→熱處理→磨削”或“電火花加工→手工打磨、拋光”等復雜冗長的工藝流程，甚至可用高速切削加工替代原來的全部工序。高速加工技術除可應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電極加工、快速樣件制造等方面也得到廣泛應用。大量生產實踐表明，應用高速切削技術可節省模具后續加工中約80%的手工研磨時間，節約加工成本費用近30%，模具表面加工精度可達1μm，刀具切削效率可提高一倍。
2 模具高速加工對加工系統的要求
由于模具加工的特殊性以及高速加工技術的自身特點，對模具高速加工的相關技術及工藝系統(加工機床、數控系統、刀具等)提出了比傳統模具加工更高的要求。
1) 機床主軸
高速機床的主軸性能是實現高速切削加工的重要條件。高速切削機床主軸的轉速范圍為10,000～100,000m/min，并要求主軸具有快速升速、在指定位置快速準停的性能(即具有極高的角加減速度)，因此高速主軸常采用液體靜壓軸承式、空氣靜壓軸承式、磁懸浮軸承式等結構形式。
2) 機床驅動系統
為滿足模具高速加工的需要，加工機床的驅動系統應具有下列特性：
a.高的進給速度。研究表明，對于小直徑刀具，提高轉速和每齒進給量有利于降低刀具磨損。目前常用的進給速度范圍為20～30m/min，如采用大導程滾珠絲杠傳動，進給速度可達60m/min；采用直線電機則可使進給速度達到120m/min。
b.高的加速度。對三維復雜曲面廓形的高速加工要求驅動系統具有良好的加速度特性，驅動系統加速度應達到20～40m/s2。
c.高的速度增益因子(Velocity gain factor)KV。為達到較高的三維輪廓動態精度以及最小的滯后，一般要求速度增益因子KV=20～30(m/min)/mm。
3) 數控系統
先進的數控系統是保證模具復雜曲面高速加工質量和效率的關鍵因素，模具高速切削加工對數控系統的基本要求為：
a.高速的數字控制回路(Digital control loop)。包括：32位或64位處理器及1.5Gb以上的硬盤；極短的直線電機采樣時間(小于500μs)；
b.速度和加速度的前饋控制(Feed forward control)；數字驅動系統的爬行控制(Jerk control)。
c.先進的插補方法(基于NURBS的樣條插補)，以獲得良好的表面質量、精確的尺寸和高的幾何精度。
d.預處理(Look-ahead)功能。要求具有大容量緩沖寄存器，可預先閱讀和檢查多個程序段(如DMG機床可多達500個程序段，Simens系統可達1000～2000個程序段)，以便在被加工表面形狀(曲率)發生變化時可及時采取改變進給速度等措施以避免過切等。
e.誤差補償功能。包括因直線電機、主軸等發熱導致的熱誤差補償、象限誤差補償、測量系統誤差補償等功能。
此外，模具高速切削加工對數據傳輸速度的要求也很高。傳統的數據接口如RS232串行口的傳輸速度為19.2kb，而許多先進的加工中心均已采用以太局域網(Ethernet)進行數據傳輸，速度可達200kb。
4) 高速切削刀具系統
高速切削刀具系統的主要發展趨勢是空心錐部和主軸端面同時接觸的雙定位式刀柄(如德國OTT公司的HSK刀柄、美國Kennametal公司的KM刀柄等)，其軸向定位精度可達0.001mm。在高速旋轉的離心力作用下，刀夾鎖緊更為牢固，其徑向跳動不超過5μm。用于高速切削加工的刀具材料主要有硬質合金、陶瓷、金屬陶瓷、立方氮化硼(PCBN)、聚晶金剛石等。為滿足模具高速加工的要求，刀具技術的發展主要集中在新型涂層材料與涂層方法的研究、新型刀具結構的開發等方面。
3 模具高速加工工藝及策略
1) 粗加工
模具粗加工的主要目標是追求單位時間內的材料去除率，并為半精加工準備工件的幾何輪廓。圖1所示為粗加工過程中工件輪廓形狀對刀具載荷的影響。由圖可見，在切削過程中因切削層金屬面積發生變化，導致刀具承受的載荷發生變化，使切削過程不穩定，刀具磨損速度不均勻，加工表面質量下降。目前開發的許多CAM軟件可通過以下措施保持切削條件恒定，從而獲得良好的加工質量。
粗加工時工件輪廓形狀對刀具載荷的影響 a.恒定的切削載荷。通過計算獲得恒定的切削層面積和材料去除率，使切削載荷與刀具磨損速率保持均衡，以提高刀具壽命和加工質量。
b.避免突然改變刀具進給方向。
c.避免將刀具埋入工件。如加工模具型腔時，應避免刀具垂直插入工件，而應采用傾斜下刀方式(常用傾斜角為20°～30°)，最好采用螺旋式下刀以降低刀具載荷；加工模具型芯時，應盡量先從工件外部下刀然后水平切入工件。
d.刀具切入、切出工件時應盡可能采用傾斜式(或圓弧式)切入、切出，避免垂直切入、切出。
e.采用攀爬式切削(Climb cutting)可降低切削熱，減小刀具受力和加工硬化程度，提高加工質量。
2) 半精加工
模具半精加工的主要目標是使工件輪廓形狀平整，表面精加工余量均勻，這對于工具鋼模具尤為重要，因為它將影響精加工時刀具切削層面積的變化及刀具載荷的變化，從而影響切削過程的穩定性及精加工表面質量。
粗加工是基于體積模型(Volume model)，精加工則是基于面模型(Surface model)。而以前開發的CAD/CAM系統對零件的幾何描述是不連續的，由于沒有描述粗加工后、精加工前加工模型的中間信息，故粗加工表面的剩余加工余量分布及最大剩余加工余量均是未知的。因此應對半精加工策略進行優化以保證半精加工后工件表面具有均勻的剩余加工余量。優化過程包括：粗加工后輪廓的計算、最大剩余加工余量的計算、最大允許加工余量的確定、對剩余加工余量大于最大允許加工余量的型面分區(如凹槽、拐角等過渡半徑小于粗加工刀具半徑的區域)以及半精加工時刀心軌跡的計算等。
現有的模具高速加工CAD/CAM軟件大都具備剩余加工余量分析功能，并能根據剩余加工余量的大小及分布情況采用合理的半精加工策略。如Open Mind公司的Hyper Mill和Hyper Form軟件提供了束狀銑削(Pencil milling)和剩余銑削(Rest milling)等方法來清除粗加工后剩余加工余量較大的角落以保證后續工序均勻的加工余量。Pro/Engineer軟件的局部銑削(Local milling)具有相似的功能，如局部銑削工序的剩余加工余量取值與粗加工相等，該工序只用一把小直徑銑刀來清除粗加工未切到的角落，然后再進行半精加工；如果取局部銑削工序的剩余加工余量值作為半精加工的剩余加工余量，則該工序不僅可清除粗加工未切到的角落，還可完成半精加工。
3) 精加工
模具的高速精加工策略取決于刀具與工件的接觸點，而刀具與工件的接觸點隨著加工表面的曲面斜率和刀具有效半徑的變化而變化。對于由多個曲面組合而成的復雜曲面加工(見圖2)，應盡可能在一個工序中進行連續加工，而不是對各個曲面分別進行加工，以減少抬刀、下刀的次數。然而由于加工中表面斜率的變化，如果只定義加工的側吃刀量(Step over)，就可能造成在斜率不同的表面上實際步距不均勻，從而影響加工質量。
組合曲面的加工 Pro/Engineer解決上述問題的方法是在定義側吃刀量的同時，再定義加工表面殘留面積高度(Scallop machine)；Hyper Mill則提供了等步距加工(Equidistant machine)方式，可保證走刀路徑間均勻的側吃刀量，而不受表面斜率及曲率的限制，保證刀具在切削過程中始終承受均勻的載荷。
一般情況下，精加工曲面的曲率半徑應大于刀具半徑的1.5倍，以避免進給方向的突然轉變。在模具的高速精加工中，在每次切入、切出工件時，進給方向的改變應盡量采用圓弧或曲線轉接，避免采用直線轉接，以保持切削過程的平穩性。
4) 進給速度的優化
目前很多CAM軟件都具有進給速度的優化調整功能(如圖3所示)：在半精加工過程中，當切削層面積大時降低進給速度，而切削層面積小時增大進給速度。應用進給速度的優化調整可使切削過程平穩，提高加工表面質量。切削層面積的大小完全由CAM軟件自動計算，進給速度的調整可由用戶根據加工要求來設置。
4 結語
模具高速加工技術是多種先進加工技術的集成，不僅涉及到高速加工工藝，而且還包括高速加工機床、數控系統、高速切削刀具及CAD/CAM技術等。模具高速加工技術目前已在發達國家的模具制造業中普遍應用，而在我國的應用范圍及應用水平仍有待提高，大力發展和推廣應用模具高速加工技術對促進我國模具制造業整體技術水平和經濟效益的提高具有重要意義。