【中國(guó)機(jī)床商務(wù)網(wǎng)】導(dǎo)讀：模具是用來(lái)制造汽車、飛機(jī)、電子和家電等產(chǎn)品各種構(gòu)件的重要技術(shù)裝備。它作為從產(chǎn)品開(kāi)發(fā)到成批生產(chǎn)構(gòu)件的整個(gè)制造流程中的重要一環(huán)，在工業(yè)生產(chǎn)的增值鏈中占有十分重要的位置：模具的開(kāi)發(fā)和制造，在很大程度上決定著新產(chǎn)品的質(zhì)量、成本和投放市場(chǎng)的時(shí)間。
　　
　　由于像鍛造、鋁合金壓鑄和塑料注塑這樣的成形加工工藝和無(wú)定形材料的成形加工工藝，常常采用的是幾何形狀十分復(fù)雜的成形模具，有著凹、凸的自由曲面或較深的型腔，要求具有較高的精度和表面質(zhì)量；另外，由于競(jìng)爭(zhēng)促使產(chǎn)品品種不斷增多，同時(shí)產(chǎn)品更新周期日益縮短，又鑒于模具主要是按單件或較小批量進(jìn)行生產(chǎn)，這就迫使模具制造廠商必須要采用*的加工技術(shù)，在確保工件加工精度的同時(shí)，提高生產(chǎn)效率和加工柔性，縮短加工時(shí)間。例如，在汽車工業(yè)領(lǐng)域，汽車的開(kāi)發(fā)周期已力求縮短到3年，模具的交貨期需從18個(gè)月縮短到12個(gè)月。
　　
　　這些成形模具通常由高性能合金模具鋼制成。模具的加工普遍采用兩種工藝方法：一是采用借助于銅或石墨電極的電火花加工；二是直接采用高速銑削加工模具。在過(guò)去，成形模的加工廣泛采用電火花加工工藝。而這種工藝的生產(chǎn)工藝流程較長(zhǎng)，并缺乏柔性。在進(jìn)行電火花加工之前需要制造出石墨或銅電極。如果由于工藝技術(shù)的原因必須變動(dòng)成形模時(shí)，那就需要變動(dòng)整個(gè)生產(chǎn)工藝流程。由于其較低的柔性，難于進(jìn)行調(diào)整或只能進(jìn)行有限的調(diào)整。此外，還有一個(gè)問(wèn)題就是電火花加工的時(shí)間較長(zhǎng)，在電火花加工后，模具還需要進(jìn)行拋光處理，去除“白色層”。近年來(lái)，盡管電火花加工技術(shù)在電源技術(shù)和石墨材料領(lǐng)域里取得了很大的進(jìn)步，然而，上世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著高速切削技術(shù)的興起和發(fā)展，高速銑削技術(shù)以其能顯著縮短整個(gè)生產(chǎn)流程時(shí)間、很高的加工質(zhì)量和較好的加工柔性而得到普遍接受，已成為加工成形模和注塑模的關(guān)鍵工藝。
　　
　　高速銑削是模具制造zui重要的加工工藝
　　
　　在模具制造中，高速銑削不僅廣泛應(yīng)用于加工復(fù)雜的自由曲面和型腔，而且還被用來(lái)加工電火花加工用的電極。
　　
　　高速銑削，由于采用了比常規(guī)銑削高5～10倍的切削速度和進(jìn)給速度，既能大大縮短加工時(shí)間，也可顯著提高工件的表面質(zhì)量。為了獲得很高的工件表面質(zhì)量，高速銑削工藝可以通過(guò)采用較小的每齒進(jìn)給量和較小的刀軌行距（約百分之幾毫米）來(lái)提高工件表面的加工質(zhì)量（圖1），由此減少或*免去加工表面的后序拋光處理。從而縮短模具整個(gè)加工工藝流程的時(shí)間（圖2）。
　　
　　高速硬銑（通常把硬度超過(guò)56HRC、Rm>2000N/mm2的鋼鐵材料進(jìn)行的加工稱之為硬加工）為模具加工提供了很大的應(yīng)用潛力，高速硬銑可以補(bǔ)充模具傳統(tǒng)的加工工藝流程，在許多情況甚至可以*替代電火花加工。這就可以在一次裝夾下對(duì)模具構(gòu)件進(jìn)行全部加工，不僅大幅度地減少加工時(shí)間、改善型面的表面質(zhì)量和加工精度，而且可以簡(jiǎn)化加工工藝流程。由于節(jié)省了制造電極、電火花加工和拋光（或大大減少拋光工作量）三道工序，縮短了模具的制造周期，降低了生產(chǎn)成本。例如，制造一個(gè)材質(zhì)為熱作模具鋼的注塑模，硬度56HRC。采用高速硬銑，工件可在一次裝夾下進(jìn)行粗、半精和精銑加工成成品。而采用電火花加工，工件需經(jīng)過(guò)粗銑、調(diào)質(zhì)、（同時(shí)制造電極）、電火花加工和拋光，模具的制造時(shí)間要比高速硬銑高三倍。
　　
　　近幾年來(lái)，許多錐齒輪鍛模的制造幾乎都采用了高速硬銑工藝。如WalterPrototyp以及日立工具株式會(huì)社等刀具廠商都為高速硬銑錐齒輪鍛模（圖3）提供了成套刀具，僅從這些高速硬銑的加工實(shí)例中可以看出，銑削工藝比電火花加工贏得了更為重要的地位，特別是高速硬銑已成為模具加工zui為重要的關(guān)鍵工藝，在模具制造業(yè)采用硬銑工藝已成為模具加工技術(shù)的發(fā)展趨向。
　　
　　5軸聯(lián)動(dòng)加工
　　
　　對(duì)于一些較深或難于接近的型腔自由曲面，通過(guò)5軸加工就能夠采用相對(duì)短的銑刀，以增強(qiáng)銑刀的剛性和提高銑刀加工的穩(wěn)定性。由此提高自由曲面的表面質(zhì)量、尺寸精度和形狀精度。通過(guò)5軸加工結(jié)合刀具的幾何角度，也有利于加工難于切削的材料。
　　
　　5軸聯(lián)動(dòng)加工是通過(guò)在三個(gè)現(xiàn)有的笛卡爾直線坐標(biāo)軸上集成兩個(gè)附加的旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸，使銑刀以5個(gè)自由度相對(duì)于構(gòu)件的自由表面實(shí)施5軸聯(lián)動(dòng)加工。由此，就能實(shí)現(xiàn)*的銑刀切削情況，通過(guò)銑刀軸自由的幾何定向，能使銑刀的刀刃*地適應(yīng)構(gòu)件的輪廓加工表面。
　　
　　5軸加工有下列優(yōu)點(diǎn)：
　　
　　◆可以加工復(fù)雜的自由曲面；
　　
　　◆能加工工件的側(cè)凹；
　　
　　◆工件可以在一次裝夾下或稍經(jīng)換夾完成全部加工；
　　
　　◆可以加工垂直的工件表面；
　　
　　◆可以采用短和剛性好的銑刀進(jìn)行加工。
　　
　　但是，5軸聯(lián)動(dòng)銑削的缺點(diǎn)是CAM系統(tǒng)復(fù)雜的編程，并需較長(zhǎng)的編程時(shí)間，由此影響到模具這種單件生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。
　　
　　高速銑削（硬銑）的應(yīng)用限制
　　
　　高速硬銑的難度常常會(huì)隨著工件硬度和工件幾何形狀復(fù)雜性的增加而加大。前些年，在模具制造業(yè)，工件硬度在62～64HRC被認(rèn)為是高速硬銑能進(jìn)行可靠加工的硬度上限。因?yàn)楫?dāng)硬度超過(guò)極限值時(shí)，銑削時(shí)銑刀就會(huì)迅速磨損。而復(fù)雜的幾何形狀會(huì)使切削條件變差，致使加工難于順利進(jìn)行。
　　
　　近年來(lái)，許多刀具制造廠商通過(guò)開(kāi)發(fā)專門的硬涂層來(lái)提高刀具的耐高溫性能，以便加工硬度較高的工件。例如德國(guó)Walter公司，通過(guò)PVD的TiAlSiN涂層，使銑刀能加工硬度為70HRC的淬硬材料；又如日本的日立工具株式會(huì)社，通過(guò)納米半晶態(tài)或非晶態(tài)TH45+涂層使銑刀加工工件的硬度達(dá)到72HRC（這種涂層的zui高適應(yīng)溫度達(dá)1100℃，硬度達(dá)3600HV；而常用的TiAlN硬鍍層zui高適應(yīng)溫度僅為900℃；硬度為3300HV）。
　　
　　在過(guò)去，當(dāng)材料硬度超過(guò)64HRC時(shí)，模具構(gòu)件的加工就需要采用電火花加工。現(xiàn)在工件加工硬度的提高意味著高速硬銑的應(yīng)用范圍又得到了擴(kuò)大。
　　
　　限制高速銑削應(yīng)用的另一個(gè)因素是加工具有較大的深度/寬度比的型腔。對(duì)于加工這樣深的型腔，除了不得不采用細(xì)長(zhǎng)的銑刀、不利于加工外，型腔加工的順利與否還與許多因素有關(guān)：如材料的硬度和韌性、刀夾的園跳動(dòng)、銑刀的園跳動(dòng)、刀夾和銑刀的動(dòng)平衡、排屑和潤(rùn)滑情況，以及是3軸還是5軸加工等。
　　
　　根據(jù)GF阿奇夏米爾公司的資料，加工較深的型腔，采用的銑刀其長(zhǎng)度/直徑比為10時(shí)，銑削過(guò)程通常是可靠的；當(dāng)比值達(dá)到10～15時(shí)，就需要機(jī)床操作者高度注意其銑削過(guò)程；當(dāng)比值超過(guò)15時(shí)，銑削時(shí)就需要使用者具有專門的經(jīng)驗(yàn)和訣竅。
　　
　　為了能夠解決材料愈來(lái)愈硬和形狀變得越來(lái)越復(fù)雜的加工任務(wù)。應(yīng)采用確保加工順利進(jìn)行的一些措施：如加工較深的型腔時(shí)，應(yīng)采用細(xì)長(zhǎng)錐形和具有減震性能的刀夾（例如：液壓膨脹夾頭或三菱應(yīng)力鎖緊夾頭），以避免銑刀在高速銑削時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，導(dǎo)致加工表面質(zhì)量惡化和刀具壽命變短。刀夾、刀具還應(yīng)進(jìn)行動(dòng)平衡，銑刀也應(yīng)采用具有錐形桿的銑刀。并在進(jìn)行高速硬銑的過(guò)程中，應(yīng)采用微量潤(rùn)滑來(lái)提高刀具壽命和改善工件表面質(zhì)量。
　　
　　通常，在遇到型腔極窄且深的情況下，才考慮采用電火花加工工藝，而電極則可以通過(guò)高速銑削來(lái)制造。
　　
　　結(jié)語(yǔ)
　　
　　高速銑削，特別是高速硬銑在模具制造業(yè)中的推廣應(yīng)用，是模具制造技術(shù)的一次重大變革。高速硬銑在多數(shù)情況下，不僅可以替代電火花加工，簡(jiǎn)化模具制造的整個(gè)生產(chǎn)工藝流程，而且可提高模具的加工質(zhì)量、縮短模具制造時(shí)間和降低生產(chǎn)成本。
　　
　　對(duì)制造模具來(lái)說(shuō)，高速加工和電火花加工是兩個(gè)相互進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)的加工工藝，然而從當(dāng)前高速硬銑和5軸加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展的趨向看，可以確信，隨著刀具材料和涂層技術(shù)，以及5軸加工機(jī)床和CAD/CAM軟件等技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，在模具制造中5軸聯(lián)動(dòng)的硬銑技術(shù)，其潛力將會(huì)得到更好的展現(xiàn)。
　　
　　（文章作者：大連組合機(jī)床研究所　李如松）