汽车模具制造中，高速铣削加工数控技术的应用

1、引言

　　应用高速切削(HSC)技术加工制造模具，具有切削效率高、可以明显缩短机动加工时间，加工精度高、表面质量好因此可以大大缩短机械后加工如磨削、人工后加工和取样检验辅助工时等许多优点。国外制造某种汽车车门拉伸模具时，粗铣后应用高速铣削技术比传统铣削工艺增加一道半精铣工序约10h，但精铣时间从36h缩短到30h，并完全节省了其后的钳工平整走刀痕迹工作20h，钳工铲刮从30h减少到4h，钳工抛光从20h减少为10h，总工时从106h缩短到了54h。

　　生产实践表明，通过引进和应用高速铣削加工技术，尤其是相关的五轴联动铣削、计算机辅助设计(CAD)/计算机辅助制造(CAM)和计算机数控(CNC)技术，有力推动了汽车模具制造的发展。

2、 五轴联动铣削

　　铣削加工能够获得良好的曲线型近似表面。使用球头刀具进行三轴联动铣削时，通过x、y、z3根轴方向的直线进给运动，可以保证刀具切到工件上任意坐标点，但刀具轴线的方向不可改变。刀具轴线上的点实际切削速度为零，刀具中央的容屑空间也很小。如果这些点参与切削，不利的切削条件会导致加工表面质量下降，刀刃磨损加剧，加工时间延长，使高品位的刀具材料得不到充分利用。

　　与三轴联动铣削比较，五轴联动铣削具有一系列优点。此时，通过2根旋转轴的运动，可以随时调整刀具轴线的方向，使铣刀轴线与工件表面夹角和实际切削速度保持不变。可以更为灵活地设定走刀路径，以满足对工件表面给定的峰谷深度的要求。其中使用球头刀具加工时，无论刀具相对工件处于什么方位，总是在半球面上分离切屑。因此每次总是切下几何形状和尺寸相同的切屑。发生改变的是分离切屑时刀刃的运动轨迹，以及由此而确定的刀刃接触条件和切削几何运动条件。也就是说，可以通过有目的地改变和确定刀具的方位，来影响切削过程和几何运动参数，并可从刀具磨损、表面质量和加工过程稳定性等方面入手优化二者.

　　当然，五轴联动铣削的数控编程比较复杂，对计算机数控(CNC)系统的计算能力和速度要求更高，在需要机床各直线进给轴作大幅度补偿运动的同时又要求避免发生干涉碰撞。因此在模具制造中，只能利用五轴联动铣削的优点加工一定范围内的工件。

　　五轴联动铣削可以令人满意地用于加工下凹较浅的零件，例如一种商用车车顶衬里的压铸模。当数学描述复杂的工件表面可以采用铣刀侧铣时，也能够应用五轴铣削加工。国外一家汽车制造配套厂家，利用五轴铣削的走刀行程同时加工出活动组合模具的外形轮廓和压边圈。但是，下凹深且局部形状复杂的模具一般不能够采用通常的五轴铣削加工，因为刀具可能会与工件发生干涉。

　　限于技术发展当前的水平，五轴联动切削机床2根旋转轴的运动速度和加速度较低，导致五轴联动铣削往往不能够充分发挥高速切削机床的性能和威力。此时，比较恰当的折中方案是3+2轴加工，既保证工件轮廓上各点切削时几何运动条件基本相同，又使轨迹运动速度和加速度比较高。实际运用中首先将工件轮廓划分为不同区域，在各区域内尽可能最优地调整刀具的方位。随后采用三轴联动插补方式切削加工工件各区域轮廓，虽然不能保证切削条件完全不变，但可以避免发生不利的情况例如刀具头部中央参与切削。

　　程运行的速度和精度的问题，有制造厂家把改进目标放到要让NC系统能够较为直接地处理曲面的CAD描述上，也即不经过NC编程语言中间搭桥。其结果，使NC系统处理程序块的正常时间降低到2ms，最短时间可达到0.5ms。这样一来，NC系统的速度不再是瓶颈，需要拖带沉重工件即汽车模具的进给驱动系统转而变为薄弱环节。

　　由于CAD数据经常存在缺陷或不完整，还有NC系统制造厂家便想方设法方便用户介入CAM过程，去发现和修正不正确的数据，但刀具补偿还是由NC系统完成。此时除了补偿刀具长度，还可以在狭小的公差范围内补偿小的、重磨的刀具的半径，并且不需要改编刀路。以上这些制造厂家目前提供的NC系统，都可以对五轴联动铣削加工补偿刀具长度和工件位置。

　　另外，对模具制造具有重要意义的速度预控制(前瞻)功能，已经成为现代CNC系统的一个标准特征。这一功能的设立，可以使NC系统预先处理多个即将到来的程序块，以便进给加速度和刀路速度与被铣削的工件轮廓相适应，不让进给速度在每一程序块终结时降低到零。在模具制造中常见的自由表面，往往要求加工时密布中间插值点，这时利用前瞻功能可以控制机床产生平滑的轨迹运动，同时保持很高的刀路速度。有制造厂家进一步开发成功具有适应前瞻功能的NC系统，能够在运行过程中作机床误差补偿。另一方面，由于需要的计算量太大，目前机床控制系统还不能够通过在线计算发现加工干涉情况，需要在今后继续努力改进。