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技術(shù)文章
使用高速切削 提升模具制造水平
閱讀：1128 發(fā)布時(shí)間：2011-4-9
模具加工是使用高速切削技術(shù)的一大領(lǐng)域，而塑料模具又是模具中的重要組成部分。
據(jù)模具行業(yè)信息統(tǒng)計(jì)，塑料模具在整個(gè)模具產(chǎn)品中所占比例約占30%。塑料模具用量巨大，只要涉及到塑料成型就離不開塑料模具，在我國其用量尤以汽車（含摩托車）行業(yè)、建材行業(yè)、家電行業(yè)為zui大。近年來隨著我國這些行業(yè)的高速發(fā)展，極大地帶動(dòng)了我國對(duì)于塑料模具的需求增長。我國目前已成為*三大汽車生產(chǎn)國，而每一種型號(hào)的汽車都需要大量的塑料模具；塑料建材可大量替代鋼、木材等傳統(tǒng)建材，2005年我國建筑用塑料制品已占總產(chǎn)量的16%，預(yù)計(jì)到2010年，塑料門窗的普及率為30%，塑料管的普及率將達(dá)到50%，從而大大增加對(duì)塑料模具的需求量；作為世界zui大的家電生產(chǎn)國和消費(fèi)國，我國家電行業(yè)所需塑料模具量年增長率約為10%。
基于我國塑料模具市場(chǎng)的旺盛需求，我國模具行業(yè)的結(jié)構(gòu)改革和發(fā)展步伐日益加快，三資企業(yè)、民營企業(yè)得到了很大程度的發(fā)展，同時(shí)外國企業(yè)也紛紛進(jìn)入中國，致使模具行業(yè)競爭激烈。由于我國企業(yè)使用和掌握高速切削加工技術(shù)的企業(yè)較少，因此在高質(zhì)量塑料模具方面，我國企業(yè)還難以與國外企業(yè)競爭。為了扭轉(zhuǎn)這種局面，在我國模具企業(yè)中大力推廣高速切削加工已成為當(dāng)務(wù)之急。
高速切削的概念
早在20世紀(jì)30年代，Salomon通過金屬切削實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：在金屬切削過程中，隨著切削速度的增大，切削力和切削溫度也增大，但當(dāng)切削速度達(dá)到某一臨界值時(shí)，切削力和切削溫度反而隨著切削速度增大而急劇減小，據(jù)此Salomon提出了高速加工的概念。高速加工的真正實(shí)現(xiàn)是近一二十年快速發(fā)展起來的，該技術(shù)是一種隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展而迅猛發(fā)展起來的*。所謂高速切削是指相對(duì)于傳統(tǒng)切削，是以高出常規(guī)切削速度5～10倍，甚至更高的速度，更高的進(jìn)給量，以及工作臺(tái)具有更大快速移動(dòng)速度、更大的加速度和快速換刀等要求，使得切削加工具有率、高質(zhì)量、高精度、低能耗的特點(diǎn)。具體來講，高速切削具有以下特點(diǎn)：
具有高切削速度和高主軸轉(zhuǎn)速，目前國外高速銑床主軸轉(zhuǎn)速在10000～40000r/min，國內(nèi)高速銑床主軸轉(zhuǎn)速通常在10000r/min左右；
具有高快速移動(dòng)速度，高速銑床的快速移動(dòng)速度達(dá)到了30m/min～90m/min；
金屬切除率高，切削效率高，切削45＃鋼時(shí)金屬切除率通常為300～600cm3/min ；
全程定位精度高，重復(fù)定位精度高。
隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，汽車及家電產(chǎn)品等的研制周期大大縮短，零件形狀也越來越復(fù)雜。基于傳統(tǒng)數(shù)控加工方法很難滿足加工要求，高速加工技術(shù)（High Speed Machining）由此應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)屬于當(dāng)前模具加工的一種前沿技術(shù)。
模具高速切削的關(guān)鍵技術(shù)
由于高速加工技術(shù)具有諸多特點(diǎn)以及模具零件具有復(fù)雜的型面，因此模具高速加工技術(shù)對(duì)加工系統(tǒng)中的機(jī)床、刀具、數(shù)控系統(tǒng)等都提出了更高要求。
1、高速主軸
機(jī)床能實(shí)現(xiàn)高速切削的關(guān)鍵是機(jī)床的高速主軸。目前用于模具加工的高速切削機(jī)床主要是高速加工中心、高速銑床等，要求主軸轉(zhuǎn)速為10000r/min～40000r/min（更高的轉(zhuǎn)速仍在研究中，將達(dá)100000r/min）， 另外還要求主軸能夠快速升速、減速，即具有很高的加速度、減速度。要使高速主軸實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速，其關(guān)鍵是主軸的軸承支承方式。高速旋轉(zhuǎn)的主軸要求軸承具有高承載能力、高剛度、高回轉(zhuǎn)精度以及高使用壽命。高速主軸常采用靜承、磁懸浮軸承等支承結(jié)構(gòu)形式。
高速電主軸技術(shù)是近十多年快速發(fā)展起來的，電主軸是高速機(jī)床的zui重要的主軸單元。電主軸又稱內(nèi)裝式電機(jī)主軸單元，其主要特征是將電機(jī)置于主軸內(nèi)部，通過驅(qū)動(dòng)電源直接驅(qū)動(dòng)主軸進(jìn)行工作，從而實(shí)現(xiàn)了電機(jī)、主軸一體化功能。電主軸現(xiàn)在國內(nèi)已有專業(yè)化生產(chǎn)廠家，產(chǎn)品可系列化供應(yīng)，如：洛陽軸承研究所、無錫博華、江蘇星輪、洛陽帥旗、上海富田等企業(yè)均生產(chǎn)不同系列的高速電主軸。電主軸的特點(diǎn)主要有：
氣浮、磁浮軸承無磨擦，不需潤滑，轉(zhuǎn)速高，適用范圍廣，使用壽命長；
轉(zhuǎn)速可調(diào)，變頻電源調(diào)速平穩(wěn)、質(zhì)量可靠；
起動(dòng)性能好，力矩大、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、效率高、精度高；
自動(dòng)換鉆頭電機(jī)可更換鉆頭、銑刀，從而做到了方便、迅速、定位準(zhǔn)確。
2、高速機(jī)床動(dòng)態(tài)特性
高速切削機(jī)床對(duì)其支承件的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性要求很高，機(jī)床床身要具有高的靜剛度、動(dòng)剛度、熱剛度，好的結(jié)構(gòu)剛性，足夠的支承強(qiáng)度，高水平的阻尼特性，從而使機(jī)床固有頻率遠(yuǎn)離高速切削時(shí)發(fā)生顫振的頻率，進(jìn)而使機(jī)床具有好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。目前高速機(jī)床的床身材料多采用非金屬大阻尼材料作支承件，如聚合物混凝土（或稱人造花崗巖），這種材料阻尼特性為鑄鐵的7～10倍，比重只有鑄鐵的三分之一；盡可能減小導(dǎo)軌、滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)副的摩擦阻尼，使運(yùn)動(dòng)部分適應(yīng)快速移動(dòng)和高加速、減速的要求。
3、高速切削刀具
高速切削刀具的關(guān)鍵在于刀具結(jié)構(gòu)和刀具材料。高速切削刀具的結(jié)構(gòu)主要采用空心錐部和主軸端面同時(shí)接觸的雙定位式刀柄（如美國Kenamental公司的ＫＭ刀柄、德國ＯＴＴ公司的ＨＳＫ刀柄等），其軸向定位精度可達(dá)1μｍ。在刀具高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，離心力使刀夾鎖緊更為牢固，其徑向跳動(dòng)不超過5μｍ。
采用新型刀具材料可使切削加工速度大大提高，從而提高生產(chǎn)率，延長刀具壽命。目前用于高速切削加工常用的刀具材料有：硬質(zhì)合金及其涂層、陶瓷、立方氮化硼（CBN）、聚晶立方氮化硼（PCBN）、超硬材料金剛石、聚晶金剛石和金剛石涂層等。
在高速切削刀具技術(shù)中，除了合理選用刀具材料外，還必須解決刀體材料與結(jié)構(gòu)、刀具幾何參數(shù)、刀片夾緊結(jié)構(gòu)、刀具與機(jī)床連接裝夾方式、高速主軸中刀具夾緊措施，以及回轉(zhuǎn)刀具的動(dòng)平衡等問題，一般高速切削刀具的前角比普通切削刀具前角約小10o，而后角約大5～8o 。
高速數(shù)控切削刀具與普通切削刀具相比，應(yīng)具有以下特點(diǎn)：
剛性好，熱變形小，切削加工精度高；
抗振性好，切削過程不易產(chǎn)生顫振，加工表面質(zhì)量好；
刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能可靠斷屑，排屑方便；
刀具耐用度高，切削性能好；
刀柄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，便于快速換刀，而刀具調(diào)整方便，則提高了換刀調(diào)整效率；
系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，互換性好，便于數(shù)控編程和刀具管理。
4、高速切削機(jī)床的數(shù)控編程
作為模具加工的前沿技術(shù)，高速加工技術(shù)應(yīng)用于模具制造使得CAD/CAM技術(shù)得到快速發(fā)展。由于模具的型面復(fù)雜，現(xiàn)在模具設(shè)計(jì)通常采用CAD三維設(shè)計(jì)軟件建模，即先將Pro-E、UG等三維設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用于產(chǎn)品的三維實(shí)體建模，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)更加快捷、方便，然后通過CAM技術(shù)將三維模型轉(zhuǎn)換為數(shù)控加工代碼傳輸給高速數(shù)控加工銑床或數(shù)控加工中心進(jìn)行加工。基于CAD/CAM的這種要求，高速加工機(jī)床具有如下功能：
數(shù)控系統(tǒng)具有高速編程計(jì)算功能；
CAM系統(tǒng)必須具備刀具路徑優(yōu)化功能，以及具有智能化全程過切防護(hù)功能；
能保持zui大和穩(wěn)定的切削速度，避免不連續(xù)和突然的加速度變化；
應(yīng)保持刀具軌跡的平穩(wěn)，避免刀具軌跡方向的突然變化，以免局部過切而損壞刀具或設(shè)備；
切削時(shí)保持恒進(jìn)給速度，盡可能保持切削進(jìn)給平穩(wěn)；
應(yīng)適當(dāng)控制切削寬度，避免全刀寬切削，以避免損壞刀具和切削顫振的發(fā)生；
對(duì)于殘余量加工，應(yīng)采用系列刀具從大到小分次加工，以達(dá)到所需尺寸，避免一次加工完成。殘余量加工方法是提高加工質(zhì)量和加工效率的有效措施；
刀具軌跡應(yīng)避免多余空刀，可通過對(duì)刀具軌跡的鏡像、復(fù)制、旋轉(zhuǎn)等功能，避免重復(fù)計(jì)算。高速機(jī)床的這種刀具軌跡編輯、變換、優(yōu)化處理等功能非常重要；
高速機(jī)床應(yīng)具有刀具軌跡裁剪修復(fù)功能，可通過裁剪以減少或避免空刀，同時(shí)減少刀具切入材料時(shí)的沖擊，提高切削加工安全性。
高速切削技術(shù)是未來切削加工的方向，高速切削加工技術(shù)的發(fā)展不僅體現(xiàn)在其關(guān)鍵技術(shù)的高速機(jī)床設(shè)備、數(shù)控軟件、電器控制、刀具技術(shù)的進(jìn)步，而且也推動(dòng)了其它相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展。化制造市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)環(huán)境給高速加工技術(shù)的飛速發(fā)展創(chuàng)造了條件，高速加工技術(shù)將在眾多制造企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。盡管與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，我國在高速切削加工技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域還處于起步階段，有些技術(shù)領(lǐng)域幾乎還是空白，但近年來該技術(shù)已經(jīng)引起了我國包括模具企業(yè)在內(nèi)的眾多制造企業(yè)的廣泛關(guān)注。我國要在高速加工技術(shù)占得一席之地，就必須以跨越式的態(tài)勢(shì)發(fā)展。由于高速加工技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用必須集成、優(yōu)化多種學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)，實(shí)施系統(tǒng)技術(shù)工程，故而，我國應(yīng)加大投入，有效組織開展有關(guān)高速切削加工技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用。只有這樣，才能盡快縮短我們與*水平的差距，并提升我國的制造業(yè)水平。