摘要：模具被称作“工业之母”，是衡量一个国家制造业是否发达的标准之一。随着现代越来越完美的产品功能机构，以及人类不断对美感的追求，产品内部结构设计越来越复杂，模具外形轮廓设计也日趋多样，自由曲面所占比例不断增加。为此，对精密、复杂模具加工提出更高...
模具被称作“工业之母”，是衡量一个国家制造业是否发达的标准之一。随着现代越来越完美的产品功能机构，以及人类不断对美感的追求，产品内部结构设计越来越复杂，模具外形轮廓设计也日趋多样，自由曲面所占比例不断增加。为此，对精密、复杂模具加工提出更高要求，不仅应保证高制造精度和表面质量，而且还要以模具加工先进技术去促进产品、模具机构设计更完美。
随着20世纪90年代初HSM（高速加工技术）开始工程运用，尤其近十几年我国对高速加工技术研究的不断深入，对高速加工机床、高速加工刀具与刀柄、高速加工工艺、CAD/CAM软件等的持续研究，高速加工技术已越来越多地应用于精密、复杂模具加工与制造中，正不断地创新模具制造工艺，不断地提高模具现代智造水平。
高速加工技术广泛运用于现代模具智造的优势
模具的几何形状复杂，属单件小批量产品。特别是精密、复杂模具，其精度要求更高、几何形状特别复杂。在传统模具加工工艺中，加工周期长、生产效率低，精加工淬硬模具通常采用电火花和钳工抛光。为缩短模具制造周期，提高模具质量，高速加工技术在模具制造过程中引人注目，其利用机床高转速和高进给速度，为精密、复杂模具制造的技术、工艺革新带来正面效果，且得到迅速推广。
（1）高速加工技术运用于模具粗加工和半精加工，大大提高了金属切除率。
（2）模具制造时，选用高速切削机床、高速加工刀具和工艺，可进行淬火淬硬加工。对于小型模具，在热处理后，可一次装夹进行粗、精加工；对于大中型模具，可在热处理前进行粗加工和半精加工，可在热处理后进行淬硬精加工。
（3）高速高精度淬硬加工可取代传统模具制造时常用的电加工、钳工抛光等工序，可比传统电火花加工提高50%以上的效率。
（4）运用高速加工技术，采用淬硬加工工艺，可明显提高表面质量、形状精度，实现加工的表面光洁度，表面特别光亮。可以说，一定程度上实现了以铣代磨、以车代磨，对于复杂曲面的模具，其优势得到明显展现。
（5）采用高速加工技术，可杜绝传统电火花、磨削产生的脱碳、烧伤和微裂纹现象，大大减少了模具精加工后的表面损伤，可提高20%以上的模具寿命。
（6）高速加工时，工件发热少、切削力小，热变形小，模具质量稳定且明显提高。即时还需要局部电火花，也可采用高速加工技术与CAD/CAM技术，提高电极的精度，制造形状复杂、薄壁类易变形的高精度电极，改变传统电火花质量不精的特点。
模具行业高速加工机床特点及期望
基于模具机构的特殊性，以及产品质量的高要求，虽然模具行业与其他行业都在广泛运用高速加工机床，但适宜模具行业的高速加工机床与其他行业有着不同的特点以及发展方向。
（1）大承重和高刚性。由于模具正在向大型化方向发展，如矿泉水瓶盖多腔热流道模具（16腔－96腔）、轿车侧围模具、汽车前后保险杠模具等，都是轮廓尺寸较大的，其加工设备必须具有足够大的台面尺寸和工作行程。这些模具，重量由几吨到几十吨，而且15t以上的大吨位模具非常普遍，加之质量的高要求，为此要求适合模具加工的高速加工机床工作台面能承受大重量，结构刚性要高。
（2）高转速和大功率。近几年来，高速铣削在模具加工中已显示了极大优越性。为避免在加工过程中刀具与工件发生“干涉”，刀具悬长可能比传统要长，刀具直径也会比传统要小，因此要求主轴转速非常高，以此来提高加工的可行性。国外高速加工机床主轴转速已达到40 000~100 000r/min（还有更高），快速进给速度可达30 000~60 000min。型腔和模具零件其他部件粗、精加工常常在工件一次装夹中完成，故主轴功率还要大，中等尺寸模具铣床和加工中心的主轴功率常常为10~40kW，有的甚至更高。
（3）高动静刚度。模具材料的成分特殊，其强度和硬度都很高，加上常常采用加长的小直径端铣刀加工模具型腔，在加工过程容易发生颤振，为了确保模具零件的加工精度和表面质量，运用于现代模具制造的高速机床必须有很高的动、静刚度，以提高机床的定位精度、跟踪精度和抗振能力来确保模具的最终高精度、高质量。
（4）多轴联动及良好深孔（腔）切削能力。模具型腔多为复杂的空间曲面及较深的沟槽构成，且许多模具具有深孔腔，如汽车内饰零件、食品包装盒模具。为了达到对3D曲面的高精度、高速度和高稳定性加工，希望高速加工机床能多轴联动，以此来实现一次装夹后的多方位、高精度、高效率加工；为彻底创新模具加工工艺，改变传统电加工、人工处理等无法实现高精度的工序，高速加工机床应具有良好的深孔腔综合切削能力。
（5）复合加工或柔性智造能力。普遍的高速加工中心已可将许多机加工工序复合在一台机床上实现，但这仍不能完全适应模具加工。如将机械加工、电加工、化学加工、超声波、精密测量等不同工序复合到一台高速加工中心或柔性智造单元，或至少能兼备两、三种以上工艺特点的高速复合加工中心是现代模具智造机床的发展方向，此设备将实现模具现代智造的飞跃。
（6）高精度的数控控制系统。要实现高速加工能力，机床需要具有高精度的数控控制系统。
一方面，高速加工机床数控系统应拥有高精度插补，这是数控系统高速、高精度化的基础。CNC的伺服系统执行的是NC代码经数控系统离散后的数据，高速、高精度的加工首先要求的是极短的插补周期和高的计算精度，如FANU16i采用纳米级的位置指令进行计算和数据交换。
其次，高速加工机床数控系统还应有高精度前馈能力。CNC的伺服系统是复杂的控制系统，传统伺服控制系统主要是对伺服位置偏差、速度偏差进行PID调节控制，由于没有利用已知的后继插补输出条件、机床移动部件的惯性、摩擦阻尼滞后等信息，在高速加工中的动态跟随误差会比较大。
在现代高速数控系统中，一般采用前馈控制减少伺服系统滞后，如SIEMENS840Di数控系统采用的速度前馈及转矩前馈跟踪误差补偿等技术。另外，高速加工机床数控系统还应具有续轮廓前瞻控制（Look ahead）能力。
在高速加工中，为了保证机床在高速运动条件下的精度和平稳性，系统必须看到将要执行的一系列空间待加工路径，尤其多轴联动控制时，须由各轴理论加减速与各轴实际允许加减速对比来决定是否降低当前速度或提高到理论速度，动态地调节进给速度，以此实现高精度、高质量。
模具高速加工刀具、刀柄特点及发展
模具的高速切削加工需配备适宜的刀具、刀柄。高速切削要求刀具材料应有高硬度、高强度、耐磨性、高韧度及抗冲击能力强，高的热硬性和化学稳定性，高抗热冲击能力强等。高速切削要求刀具和刀柄的外形尺寸小，夹紧精度高，传递转矩大，结构对称性好，有利于刀具的动平衡。其次还需选择合适的刀具几何角度，以及选择合适的切削参数。
目前广泛应用的高速切削刀具主要有：金刚石刀具、立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、涂层刀具、TiC（N）基硬质合金、超细晶粒硬质合金刀具等（见附表）。合理选用刀具材料是成功进行高速切削加工的关键，每一刀具材料针对不同的模具材料，有其不同的适应能力。
高速切削刀具主要材料表
在国际刀柄系统市场上，影响比较大的高速加工工具系统主要有以下几种：
（1）德国开发的HSK（空心短锥柄）刀柄系统（见图1）。HSK刀柄系统，空心、薄壁、短锥，锥比为1︰10，端面与锥面同时定位、夹紧，刀柄在主轴中的定位为过定位，使用由内向外的外涨式夹紧机构。
图1 HSK刀柄系统
（2）美国KENNAMETAL公司开发了KM刀柄系统（见图2）。KM刀柄系统，也是一种由锥面和止靠端面进行双向定位和夹紧的系统，柄部采用与HSK相同的1：10短锥。其重要特点是通过锥柄的止靠端面、锥度大直径处的锥面和锥柄尾部的锥面共三个面进行接触夹紧。夹紧时，通过推杆斜面推动滚珠径向压紧在滚珠轨道上，使这种夹紧力以3.5：1的增力比实现强力夹紧，由此达到几乎类似于一个整体刀具的刚性。而且其径向和轴向的重复定位精度可达到±2.5μm。
图2 KM刀柄系统
（3）日本日研（NIKKEN）公司开发了NC5刀柄系统。NC5刀柄系统，也采用了空心短锥结构，锥度为1：10，并且也是采用锥面和端面同时定位、夹紧工作方式，定位原理与其他系统相同，不同的是把1：10的锥柄分成锥套与圆柱柄两部分套在一起，锥套端面有蝶形弹簧，锥柄尾端是螺钉孔，用于安装拉钉。
NC5刀柄系统的扭矩是由前端圆柱上的键槽传递的，刀柄尾部没有传递扭矩的键槽，所以轴向尺寸比HSK刀柄短。它与前面两种刀柄的最大区别在于刀柄没有采用薄壁结构，刀柄锥面处增加了一个中间锥套。KM刀柄和HSK刀柄是通过薄壁的变形来补偿刀柄和主轴制造误差，保证锥面和端面同时可靠的接触，而NC5刀柄是通过中间锥套的轴向移动达到这个目的。 中间锥套的轴向移动动力来自刀柄端面上的碟形弹簧。由于中间锥套的误差补偿能力较强，因此NC5刀柄对主轴和刀柄本身的制造精度的要求可稍低些。
NC5刀柄系统，仅有一个安装拉钉的螺钉孔，孔壁较厚，强度高，可采用增压夹紧机构，满足重切削的要求。其主要缺点是刀柄和主轴锥孔之间增加了一个接触面，刀柄的定位精度和刚度有所下降。
图3 日研NC5工具系统
（4）大昭和精机开发的BIG-PLUS 40 型系统。BIG-PLUS刀柄的锥度仍然是7：24。其工作原理是将刀柄装进主轴锥孔锁紧前，端面的间隙小。锁紧后利用主轴内孔的弹性膨胀补偿端面间隙，使刀柄端面与主轴端面贴紧，从而增大其刚度。这种刀柄同样采用了过定位，因而必须严格控制其外形精度和位置精度，其制造工艺难度比HSK刀柄还要高。这种改进型锥柄可与原7:24锥柄互换使用，可应用于原主轴锥孔。
（5）瑞典SANDVIK COROMANT公司开发的CAPTO刀柄系统（见图4）。CAPTO刀柄系统，与以上几种锥柄不同的是，锥柄不是圆锥形，而是呈锥形的三棱形（空心），棱为圆弧形，锥度为1：20。与HSK刀柄系统一样，可实现工具柄锥面和止靠端面的接触定位，其特点是通过三棱空心锥柄与三棱锥孔间的成形锁紧来实现工具柄的无间隙定位，从而无需采用诸如键槽和驱动键这样的元件就能传递较大的转距。他的特点是应力分散，分布合理，定心性好，精度高，适合高速旋转。优点是无滑动的扭矩传递，动平衡性能好，位置精度高。缺点是三棱体很难加工，制造成本相比以上几种锥柄都要高。
图4 CAPTO刀柄系统
国际上，还有其他一些公司，也各自开发出多种适应高速切削加工需要的工具系统。尤其是日本三菱金属、富士精工等也在两面夹紧系统的研究与开发方面做了大量的研发工作。这些工具系统都在一定的程度上解决了传统的BT（7 : 24 锥度）工具系统存在的问题，但都各具特点，其共同特点是大都采用了锥面和端面同时夹紧的两面夹紧式工作方式。但从适应机床转速进一步高速化的发展要求，1：10短锥空心柄则更有优势。所以，更多的日本公司还是积极采用德国DIN标准的HSK刀柄，如NT工具公司、黑田精工、圣和精机、三菱金属等都先后引进HSK生产技术。
从刀具夹持来讲，除传统的夹头夹持外，为适应高速加工的需求，液压夹持刀柄、热装式刀柄在近几年都为高速加工技术水平提高带来了惊喜。
模具高速加工工艺特性及优化
由于在高速加工过程中，切削模式、刀具路径、程序切前检查以及切削参数等都将是成功高速切削的关键因素。因其过程高速度的动态变化，切削期间刀具干涉、瞬间停止、尖角处理、切削方向的逆转和不稳定的刀具移动等各种因素都将直接影响切削的速度和加工质量。
（1）切削载荷须轻而恒定。高速切削中刀路轨迹必须要光滑，通常采用较小的步距和浅的切削深度（刀具直径的10%左右）；刀具要平滑的切入、切出工件，使用坡度、圆弧和螺旋式进刀（见图5），在平面的轮廓加工过程中，通常采用圆弧的切向进退刀方式，在曲面加工过程中多采用让刀，沿一定坡度或螺旋线方向切入切出工件；大量采用等高分层加工代替仿行加工。另外，粗加工时刀具多以螺旋或圆弧方式切入工件材料，使进给率和机床转速之比达到最佳；精加工应避免急剧变化的刀具运动，避免在外形轮廓上直接进刀和退刀。
图5 圆弧和螺旋方式进刀
基于模具零件表面结构的复杂性，可能会导致编程时相邻的两条刀具路径难以光滑，而出现急剧变化的路径。遇到这样的情况，一般采用抬刀至一定高度过渡或辅助轨迹过渡的方式。行切的光滑移刀方式可以采用相切圆弧连接、内侧或外侧圆弧连接。环切的光滑移刀多采用环间圆弧式、空间螺旋式切出与切人（见图6、图7）。
图6 刀具路径横向平滑过渡方式
图7 拐角圆弧平滑过渡方式
合理的切入切出方式，横向与拐角路径的平滑过渡，以及等高分层加工规划与合理的进给量，始终是为了确保高速加工时切削负荷轻而恒定。
（2）合理的刀具参数选择。适宜高速加工的金刚石刀具、立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、涂层刀具、TiC（N）基硬质合金、超细晶粒硬质合金刀具等，不同的材质的刀具适宜于不同的模具材料、工况外，针对不同的模具材质，刀具还有不同的切削参数的选择。一般认为，高速切削的切削速度是常规切削速度的5～10倍。
遇陡峭、拐角等位置，为避免高速加工设备没有前馈功能，须给予合理的降速，要在编程时在陡峭、拐角位置设置适宜调整比例，合理地对切削参数进行优化，以免保持高速机床合理的负载，以及减少质量事故。
（3）先进的CAM软件选择。采用高速加工设备后，对编程人员的要求也增加。近年来 CAM 系统也越来越简单和方便，更贴近于车间高速加工。当前，模具行业常用的CAM软件有美国UG NX/CAM、以色列Cimatron/CAM、法国CATIA/CAM、美国 I-DEAS/CAM、美国Mastercam/CAM、英国Delcam PowerMILL/CAM等辅助制造软件，都分别对高速加工模块进行了工艺创新。
结语
随着市场需求提升，模具市场日益扩大，模具制造对高速加工技术拥有强烈需求，但精密、复杂模具制造领域运用高速加工技术在我国时间不是很长，还缺乏成熟经验，还需整体提升技术水平与运用广度。
同时，当前模具行业运用高速加工技术后，虽然模具的质量、寿命得到明显提高，但促使模具制造时刀具使用成本高、设备运行成本高，总体制造成本有大幅度增加。为此，高速加工技术的运用应与模具质量、周期、寿命、成本等一并统筹研究、革新，以期通过合理创新，一方面提高模具质量与寿命、缩短模具制造周期，另一方面降低模具制造成本，真正实现我国精密、复杂模具的现在智造新工艺、新水平。
作者：成都普什汽车模具有限公司综合管理部部长郑万全。
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