模具高速加工技术和策略

 1 引言  

    作为现代先进制造技术中最重要的共性技术之一的高速加工技术代表了切削加工的发展方向，并逐渐成为切削加工的主流技术。高速切削中的“高速”是一个相对概念，对于不同的加工方式及工件材料，高速切削时采用的切削速度并不相同。一般来说，高速切削采用的切削速度比常规切削速度高5～10倍以上。由于高速切削技术的应用可显著提高加工效率和加工精度、降低切削力、减小切削热对工件的影响、实现工序集约化等，因此已在航空航天、模具制造、汽车制造、精密机械等领域得到广泛应用，并取得了良好的技术经济效益。 

    在现代模具的成形制造中，由于模具的形面设计日趋复杂，自由曲面所占比例不断增加，因此对模具加工技术提出了更高要求，即不仅应保证高的制造精度和表面质量，而且要追求加工表面的美观。随着对高速加工技术的研究不断深入，尤其在加工机床、数控系统、刀具系统、CAD/CAM软件等相关技术不断发展的推动下，高速加工技术已越来越多地应用于模具的制造加工。 
 
    高速加工技术对模具加工工艺产生了巨大影响，改变了传统模具加工采用的“退火→铣削加工→热处理→磨削”或“电火花加工→手工打磨、抛光”等复杂冗长的工艺流程，甚至可用高速切削加工替代原来的全部工序。高速加工技术除可应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电极加工、快速样件制造等方面也得到广泛应用。大量生产实践表明，应用高速切削技术可节省模具后续加工中约80%的手工研磨时间，节约加工成本费用近30%，模具表面加工精度可达1µm，刀具切削效率可提高一倍。 

    2 模具高速加工对加工系统的要求 

    由于模具加工的特殊性以及高速加工技术的自身特点，对模具高速加工的相关技术及工艺系统(加工机床、数控系统、刀具等)提出了比传统模具加工更高的要求。 

    1) 机床主轴 

    高速机床的主轴性能是实现高速切削加工的重要条件。高速切削机床主轴的转速范围为10,000～100,000m/min，并要求主轴具有快速升速、在指定位置快速准停的性能(即具有极高的角加减速度)，因此高速主轴常采用液体静压轴承式、空气静压轴承式、磁悬浮轴承式等结构形式。

2) 机床驱动系统 

    为满足模具高速加工的需要，加工机床的驱动系统应具有下列特性： 

    a.高的进给速度。研究表明，对于小直径刀具，提高转速和每齿进给量有利于降低刀具磨损。目前常用的进给速度范围为20～30m/min，如采用大导程滚珠丝杠传动，进给速度可达60m/min；采用直线电机则可使进给速度达到120m/min。 
    b.高的加速度。对三维复杂曲面廓形的高速加工要求驱动系统具有良好的加速度特性，驱动系统加速度应达到20～40m/s2。 
    c.高的速度增益因子(Velocity gain factor)KV。为达到较高的三维轮廓动态精度以及最小的滞后，一般要求速度增益因子KV=20～30(m/min)/mm。 

    3) 数控系统 

    先进的数控系统是保证模具复杂曲面高速加工质量和效率的关键因素，模具高速切削加工对数控系统的基本要求为： 

    a.高速的数字控制回路(Digital control loop)。包括：32位或64位处理器及1.5Gb以上的硬盘；极短的直线电机采样时间(<500µs)；b.速度和加速度的前馈控制(Feed forward control)；数字驱动系统的爬行控制(Jerk control)。 
    c.先进的插补方法(基于NURBS的样条插补)，以获得良好的表面质量、精确的尺寸和高的几何精度。 
    d.预处理(Look-ahead)功能。要求具有大容量缓冲寄存器，可预先阅读和检查多个程序段(如DMG机床可多达500个程序段，Simens系统可达1000～2000个程序段)，以便在被加工表面形状(曲率)发生变化时可及时采取改变进给速度等措施以避免过切等。 
    e.误差补偿功能。包括因直线电机、主轴等发热导致的热误差补偿、象限误差补偿、测量系统误差补偿等功能。 

    此外，模具高速切削加工对数据传输速度的要求也很高。传统的数据接口如RS232串行口的传输速度为19.2kb，而许多先进的加工中心均已采用以太局域网(Ethernet)进行数据传输，速度可达200kb。