数控技术在模具高速铣削加工中应用

三、高速切削加工的刀柄和刀具

　　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以及很高的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、轴向尺寸不稳定等缺陷，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有加热系统，刀柄一般都采用锥部与主轴端面同时接触，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。由于此类加热系统比较昂贵，在初期时采用 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，高速切削刀具应具有良好的机械性能和热稳定性，即具有良好的抗冲击、耐磨损和抗热疲劳的特性。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TIC(N)等。

　　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，采用刀具涂层技术，涂层材料为氮化钛(TiN)、氮化铝钛(TiALN)等。涂层技术使涂层由单一涂层发展为多层、多种涂层材料的涂层，已成为提高高速切削能力的关键技术之一。直径在10~40mm范围内，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42的材料，而氮化钛铝涂层的刀具能够加工洛氏硬度为42 甚至更高的材料。高速切削钢材时，刀具材料应选用热硬性和疲劳强度高的P类硬质合金、涂层硬质合金、立方氮化硼（CBN）与CBN复合刀具材料（WBN）等。切削铸铁，应选用细晶粒的K类硬质合金进行粗加工，选用复合氮化硅陶瓷或聚晶立方氮化硼（PCNB）复合刀具进行精加工。精密加工有色金属或非金属材料时，应选用聚晶金刚石PCD或CVD金刚石涂层刀具。选择切削参数时，针对圆刀片和球头铣刀，应注意有效直径的概念。高速铣削刀具应按动平衡设计制造。刀具的前角比常规刀具的前角要小，后角略大。主副切削刃连接处应修圆或导角，来增大刀尖角，防止刀尖处热磨损。应加大刀尖附近的切削刃长度和刀具材料体积，提高刀具刚性。在保证安全和满足加工要求的条件下，刀具悬伸尽可能短，刀体中央韧性要好。刀柄要比刀具直径粗壮，连接柄呈倒锥状，以增加其刚性。尽量在刀具及刀具系统中央留有冷却液孔。球头立铣刀要考虑有效切削长度，刃口要尽量短，两螺旋槽球头立铣刀通常用于粗铣复杂曲面，四螺旋槽球头立铣刀通常用于精铣复杂曲面。

四、模具高速加工工艺数控技术及策略

　　高速加工包括以去除余量为目的的粗加工、残留粗加工，以及以获取高质量的加工表面及细微结构为目的的半精加工、精加工和镜面加工等。

　　1. 粗加工

　　模具粗加工的主要目标是追求单位时间内的材料去除率，并为半精加工准备工件的几何轮廓。高速加工中的粗加工所应采取的工艺方案是高切削速度、高进给率和小切削用量的组合。等高加工方式是众多CAM软件普遍采用的一种加工方式。应用较多的是螺旋等高和等Z轴等高两种方式，也就是在加工区域仅一次进刀，在不抬刀的情况下生成连续光滑的刀具路径，进、退刀方式采用圆弧切入、切出。螺旋等高方式的特点是，没有等高层之间的刀路移动，可避免频繁抬刀、进刀对零件表面质量的影响及机械设备不必要的耗损。对陡峭和平坦区域分别处理，计算适合等高及适合使用类似3D偏置的区域，并且可以使用螺旋方式，在很少抬刀的情况下生成优化的刀具路径，获得更好的表面质量。在高速加工中，一定要采取圆弧切入、切出连接方式，以及拐角处圆弧过渡，避免突然改变刀具进给方向，禁止使用直接下刀的连接方式，避免将刀具埋入工件。加工模具型腔时，应避免刀具垂直插入工件，而应采用倾斜下刀方式(常用倾斜角为20°~30°)，最好采用螺旋式下刀以降低刀具载荷。加工模具型芯时，应尽量先从工件外部下刀然后水平切入工件。刀具切入、切出工件时应尽可能采用倾斜式(或圆弧式)切入、切出，避免垂直切入、切出。采用攀爬式切削可降低切削热，减小刀具受力和加工硬化程度，提高加工质量。

　　2. 半精加工

　　模具半精加工的主要目标是使工件轮廓形状平整，表面精加工余量均匀，这对于工具钢模具尤为重要，因为它将影响精加工时刀具切削层面积的变化及刀具载荷的变化，从而影响切削过程的稳定性及精加工表面质量。

　　粗加工是基于体积模型，精加工则是基于面模型。以前开发的CAD/CAM系统对零件的几何描述是不连续的，由于没有描述粗加工后、精加工前加工模型的中间信息，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。因此应对半精加工策略进行优化以保证半精加工后工件表面具有均匀的剩余加工余量。优化过程包括：粗加工后轮廓的计算、最大剩余加工余量的计算、最大允许加工余量的确定、对剩余加工余量大于最大允许加工余量的型面分区(如凹槽、拐角等过渡半径小于粗加工刀具半径的区域)以及半精加工时刀心轨迹的计算等。

　　现有的模具高速加工C A D /CAM软件大都具备剩余加工余量分析功能，并能根据剩余加工余量的大小及分布情况采用合理的半精加工策略。如MasterCAM软件提供了束状铣削 (Pencil milling)和剩余铣削(Rest milling)等方法来清除粗加工后剩余加工余量较大的角落以保证后续工序均匀的加工余量。

　　3. 精加工

　　模具的高速精加工策略取决于刀具与工件的接触点，而刀具与工件的接触点随着加工表面的曲面斜率和刀具有效半径的变化而变化。对于由多个曲面组合而成的复杂曲面加工，应尽可能在一个工序中进行连续加工，而不是对各个曲面分别进行加工，以减少抬刀、下刀的次数。然而，由于加工中表面斜率的变化，如果只定义加工的侧吃刀量(Step over)，就可能造成在斜率不同的表面上实际步距不均匀，从而影响加工质量。

　　一般情况下，精加工曲面的曲率半径应大于刀具半径的1.5倍，以避免进给方向的突然转变。在模具的高速精加工中，在每次切入、切出工件时，进给方向的改变应尽量采用圆弧或曲线转接，避免采用直线转接，以保持切削过程的平稳性。

　　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、沟槽等。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，减小刀具损坏机率。它还可以改善加工表面质量，最大限地减小精加工后手工打磨的需要。在许多场合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使用。

　　数控编程也要考虑几何设计和工艺安排，在使用CAM系统进行高速加工数控编程时，除刀具和加工参数根据具体情况选择外，加工方法的选择和采用的编程策略就成为了关键。一名出色的使用CAD/CAM工作站的编程工程师应该同时也是一名合格的设计与工艺师，他应对零件的几何结构有一个正确的理解，具备对于理想工序安排以及合理刀具轨迹设计的知识和概念。

五、高速切削数控编程

　　高速铣削加工对数控编程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安全性和有效性要求。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外，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和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。

　　1. CAM系统应具有很高的计算编程速度

　　高速加工中采用非常小的进给量与切深，其NC程序比对传统数控加工程序要大得多，因而要求软件计算速度要快，以节省刀具轨迹编辑和优化编程的时间。

　　2. 全程自动防过切处理能力及自动刀柄干涉检查能力

　　高速加工以传统加工近10倍的切削速度进行加工，一旦发生过切对机床、产品和刀具将产生灾难性的后果，所以要求其CAM系统必须具有全程自动防过切处理的能力及自动刀柄与夹具干涉检查、绕避功能。系统能够自动提示最短夹持刀具长度，并自动进行刀具干涉检查。

　　3. 丰富的高速切削刀具轨迹策略

　　高速加工对加工工艺走刀方式比传统方式有着特殊要求，为了能够确保最大的切削效率，又保证在高速切削时加工的安全性，CAM系统应能根据加工瞬时余量的大小自动对进给率进行优化处理，能自动进行刀具轨迹编辑优化、加工残余分析并对待加工轨迹监控，以确保高速加工刀具受力状态的平稳性，提高刀具的使用寿命。

　　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。一般情况下，高速加工编程时间比一般加工编程时间要长得多。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PowerMILL、 MasterCAM、UnigraphicsNX、Cimatron等都提供了相关功能的高速铣削刀具轨迹策略。

六、结束语

　　高速切削技术是切削加工数控技术 的主要发展方向之一，目前主要应用于汽车工业和模具行业，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等，是多种先进加工技术的集成，其高效、高质量为人们所推崇。它不仅涉及到高速加工工艺，而且还包括高速加工机床、数控系统、高速切削刀具及 CAD/CAM数控技术 等。模具高速加工数控技术 目前已在发达国家的模具制造业中普遍应用，而在我国的应用范围及应用水平仍有待提高，由于其具有传统加工无可比拟的优势，仍将是今后加工数控技术 必然的发展方向。