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模具制造中高速加工技术的应用浅析摘要:目前国内模具型腔一般都釆用电火花加工成型,电加工模具的质量和数量在现代化生产的背景下,已经远远不能满足要求。
高速加工技术的出现使模具制造技术登上了一个新台阶,本文在介绍高速加工技术在模具制造中的优越性的基础上,对采用的面向高速加工的加工机床特点和NCP系统工艺措施展开讨论,希望对行业发展有所帮助。
关键词:高速模具优越工艺编程系统1 模具高速加工的优越性与常规切削加工相比,高速加工不论在速度还是质量上都具有不可比拟的优势,主要表现在以下几个方面。
(1)由于采用高的切削速度和高的进给速度,这就使得单位时间内处理的金属材料增多,大大提高了生产效率。
此外,“一次过”技术真正实现了模具加工过程的精简化,用高速加工中心或高速铣床加工模具,可以一次作业完成型腔的粗、精加工和模具零件其它部位的机械加工,这就有效的减少了反复作业的时间,比传统的方法效率提高了好几倍。
而且,高速加工过程不需要传统机床中的电极,也不需要后续的手工研磨与抛光程序,因此,使得模具的生产和开发效率都大大提高。
(2)在高速加工作业中,要达到提高零件表面质量的目的只需要采用较少的步距。
高速生产过程中,高速切削以高于常规切速10倍左右的切削速度对零件进行高速加工,这就减少了表面粗糙化现象,一般来说多余的毛坯材料再被切割下来的瞬间就被带离工件,不会影响后续的处理,所以,通过高速加工技术生产出来的零件残余很少。
(3)在传统的切削作业中,由于作业时间长,工件内的热量散发不出去,从而导致材料质地变软变形,而由于高速加工时切削力大大降低、大部分切削热都随着切屑散发,所以因热量导致工件变形的情况很少发生。
(4)高速加工技术的主轴转速稳定,切削过程中产生的95%以上的热量都被切屑迅速带走。
机床主轴以10000～80000r/min的高转速运转,激振频率和“机床—刀具—工件”系统的固有频率范围相差很大,减小了共振作用造成的不稳定,使零件的整个加工过程平稳无冲击。
模具制造中的高速加工技术摘要随着模具行业的不断进步与发展，传统的电加工模具在生产的质量与数量上，都已经不能满足当前社会的需求，因此，模具制造行业便对其加工技术进行了改进，于是便应运而生的出现了模具的高速加工技术。
本文主要对模具制造技术的发展与变化进行介绍，并对高速的加工技术特点进行阐述，同时，还对高速加工技术在模具制造中的几项关键性技术进行了介绍，从而说明高速加工技术，是当前模具加工中的一个重要发展方向。
关键词模具制造；高速加工中图分类号g210 文献标识码a 文章编号 1674-6708（2012）78-0152-021模具制造技术的发展与变化在模具行业快速发展的今天，对于模具的加工性能以及使用寿命的要求都越来越高，无论是哪种类型的模具，在其模具型腔的组成元件中，都应该采用强度较高且耐磨性好的材料来进行制造。
由于这些材料在热处理之后将具有很高的硬度，因此传统的加工方式无法对其进行加工。
面对这种情况最好的解决方法，当数使用特种加工。
而我国的模具型腔加工，在很长一个时期都是由电火花加工独霸天下。
电火花加工属于一种以放电烧蚀的微切削技术，其加工时间非常长，并且使用电火花在工件的表面，实施局部高温放电式的烧蚀时，容易造成工件表面的某些性能受到损伤，从而在其表面出现一些微细裂纹，导致表面粗糙度不能满足模具的相关要求。
此外，在完成电加工之后的工件，还需要进行较长时间的手工研磨以及抛光处理，这些都是造成其生产效率低的重要原因，然而在许多领域中，模具在其新产品的开发速度及生产效率中，都起着非常重要的作用，因此，急需对其加工技术进行创新。
经过不断的探索与研究，模具制造出现了一项全新的技术——高速加工技术。
其具有产品质量好、生产效率高以及能处理造型复杂的各种薄壁或硬质的零件等特点。
据相关数据显示，在模具的加工技术中，高速加工已代替了传统加工中85%的份额，真正成为了当前模具制造技术中的主流趋势。
2模具制造技术中的高速机床高速机床必须满足的技术要求包括：主轴转速快且功率高。
快速模具制造技术概述快速模具制造技术是一种高效、灵活和经济的制造方法，用于制作注塑模具、压铸模具和挤压模具等。
这种技术通过利用先进的数控加工设备、3D打印技术和快速零件制造技术，在短时间内生产出高质量的模具。
本文将介绍快速模具制造技术的原理、优势和应用。
原理快速模具制造技术主要基于数控机床的加工精度和3D打印的快速原型制作能力。
在制造过程中，首先使用计算机辅助设计软件（CAD）设计模具的三维模型，然后将模型转化为数控机床可以识别的G代码。
数控机床根据G代码自动控制刀具的运动，将坯料加工成模具的形状。
3D打印技术可用于制作复杂形状的模块和零部件，以及快速制作模具的原型。
优势快速模具制造技术具有以下几个优势：时间和成本节约相比传统模具制造方法，快速模具制造技术能够大大减少制造周期和成本。
数控机床的高速加工和自动化控制使加工过程更加高效和精准，而3D打印技术可以减少原型制作的时间和成本。
灵活性和适应性快速模具制造技术可以根据不同的需求和设计变化进行快速调整。
由于使用了数控机床和3D打印技术，可以灵活地调整模具的形状和尺寸，满足不同产品的需求。
高质量和复杂性快速模具制造技术可以实现复杂形状和高精度模具的制造。
数控机床的高精度加工和3D打印技术的高分辨率保证了模具的质量和精度。
创新和设计自由度快速模具制造技术提供了更大的创新和设计自由度。
利用3D打印技术可以实现更多样化的模具形状和结构，带来更多的设计可能性。
应用快速模具制造技术已广泛应用于各种制造行业，包括汽车、电子、家电、医疗器械等。
以下是其应用的一些典型示例：注塑模具制造快速模具制造技术在注塑模具制造中得到了广泛应用。
通过快速模具制造技术，注塑模具的制造周期可以大大缩短，同时可以实现更复杂的注塑模具设计，提高生产效率和产品质量。
压铸模具制造压铸模具制造是另一个适合快速模具制造技术的应用领域。
通过使用快速模具制造技术，可以快速制造出高精度的压铸模具，提高压铸产品的生产效率和质量。
高速切削在模具加工方面的优越性和效益作者：郑谦来源：《中国新技术新产品》2012年第22期摘要：与传统模具加工相比，高速切削在模具加工方面不仅能把模具的大小、形状以及表面的粗糙度进行改善，还能把手工修磨这一环节减少掉，从而能把产品制造周期以及整个生产成本大幅度降低下来，因而高速切削在加工模具方面具有更大的优越性和更高的经济效益，在模具制造中它得到了极其广泛的应用。
关键词：高速切削、模具加工、优越性、效益中图分类号： TG50 文献标识码：A1概述随着社会的不断发展，很多崭新技术层出不穷，诸如高速切削加工技术，就是本世纪的一项高新尖端技术。
这种高新技术与传统加工比较起来，有了很大的进步，尤其是在加工方面，其加工主轴具有高转速、切削进给具有高速度等特点，故高速切削是其一大亮点。
但跟传统加工方式比较起来，有关材料切削量在同样单位时间内也要增加三到六倍。
众所周知，在对模具加工时若采用传统的加工方式，以电火花来进行加工是通常所采用的一种方式，但在有关设计和制造电池时，其过程就是一个不仅仅要花费大量时间、而且还要花费大量精力的一个生产工艺过程。
但在进行切削加工时，如果是采用这种高新技术——高速切削，由于这种技术实现了在极其狭小的空间加工，并且其表面结构具有质量很高的特点，因而大大降低和减少了电机的使用量和使用率。
此外，在进行设计和制造电池，这种技术是以高速铣制造为主，因而大大提高了有关制造电池的生产效率。
随着科学技术的快速发展，带来了高速切削技术的广泛应用，在当代可以使用高速切削技术来进行加工很多模具。
例如锻模，由于其具有比较浅的模腔体，所以其刀具的使用年限得到大大延长；又如压铸模，由于其具有适当的尺寸，因而可大大提高其生产效率；再如有关吹塑模和注模，由于它们具有比较小的尺寸，因而其所投入生产成本均比较低，而且制造周期也比较短。
综上，有关切屑刚从刃口流出的温度若采用高速切削技术可以大大降低下来，有关这个效果，铝以及非铁金属要比生铁或者铁质合金来得突出，从而使得刀具的使用年限得到大大延长，这从下图可见一斑。
为满足模具高速加工的需要，高速加工机床的驱动系统应具有下列特性：(1)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20m/min~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 。
(2)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，要求提供高速进给的驱动器(快进速度约40m/min ，3D 轮廓加工速度为10m/min)，能够提供0.4m/s2到10m/s2的加速度和减速度。
机床制造商大多采用全闭环位置伺服控制的小导程、大尺寸、高质量的滚珠丝杠或大导程多头丝杠。
随着电机技术的发展，先进的直线电动机已经问世，并成功应用于CNC 机床。
先进的直线电动机驱动使CNC 机床不再有质量惯性、超前、滞后和振动等问题，加快了伺服响应速度，提高了伺服控制精度和机床加工精度。
4．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：(1) 高速的数字控制回路(Digital control loop)，包括：32位或64位并行处理器及1.5Gb 以上的硬盘；极短的直线电机采样时间。
(2)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)。
(3) 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。
(4)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个~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。
(5)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。
(6) 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(E thernet)进行数据传输，速度可达200kb 。
四、模具高速加工工艺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C AM 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CAD /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(R est 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。
2.高速切削应用于模具加工的优势和现阶段需要解决的问题模具加工的特点是单件小批量、几何形状复杂，因此加工周期长，生产效率低。
在传统的模具加工工艺中，精加工淬硬模具通常采用电火花加工和人工修光工艺，后期加工花费了大量时间。
缩短加工时间和降低生产成本是发展模具加工技术的主要目标。
近年来，模具加工工艺方面有了许多新技术，如高速切削、CAD/CAE 设计仿真、快速原型制模、电火花铣削成型加工和复合加工等，其中最引人注目、效果最好的是高速切削加工。
高速切削加工模具是利用机床的高转速和高进给速度，以切削方式完成模具的多个生产工序。
高速切削加工模具的优越性主要表现在以下几个方面：①高速切削粗加工和半精加工，大大提高金属切除率。
②采用高速切削机床、刀具和工艺，可加工淬硬材料。
对于小型模具，在材料热处理后，粗、精加工可以在一次装夹中完成；对于大型模具，在热处理前粗加工和半精加工，热处理淬硬后精加工。
③高速高精度硬切削代替光整加工，减少大量耗时的手工修磨，比电火花加工提高效率50% 。
④硬切削加工最后成型表面，提高表面质量、形状精度（不仅表面粗糙度低，而且表面光亮度高），用于复杂曲面的模具加工更具优势。
⑤避免了电火花和磨削产生的脱碳、烧伤和微裂纹现象，大大减少了模具精加工后的表面损伤，提高模具寿命20%。
