外文翻譯模具高速銑削加工技術(shù)

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附件： 模具高速銑削加工技術(shù) 摘 要 介紹了高速銑削在模具加工中的應(yīng)用以及影響，并簡要的介紹了高速銑削機床的結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)和刀具。對高速加工的工藝進行了簡單的分析。 關(guān)鍵詞 高速銑削；模具加工 一、 前言 在現(xiàn)代模具生產(chǎn)中，隨著對塑件的美觀度及功能要求得越來越高，塑件內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計得越來越復(fù)雜，模具的外形設(shè)計也日趨復(fù)雜，自由曲面所占比例不斷增加，相應(yīng)的模具結(jié)構(gòu)也設(shè)計得越來越復(fù)雜。這些都對模具加工技術(shù)提出了更高要求，不僅應(yīng)保證高的制造精度和表面質(zhì)量，而且要追求加工表面的美觀。隨著對高速加工技術(shù)研究的不斷深入， 尤其在加工機床、數(shù)控系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)、件等相關(guān)技術(shù)不斷發(fā)展的推動下，高速加工技術(shù)已越來越多地應(yīng)用于模具型腔的加工與制造中 。 數(shù)控高速切削加工作為模具制造中最為重要的一項先進制造技術(shù)，是集高效、優(yōu)質(zhì)、低耗于一身的先進制造技術(shù)。相對于傳統(tǒng)的切削加工，其切削速度、進給速度有了很大的提高，而且切削機理也不相同。高速切削使切削加工發(fā)生了本質(zhì)性的飛躍，其單位功率的金屬切除率提高了 30%~40%，切削力降低了 30%，刀具的切削壽命提高了 70%，留于工件的切削熱大幅度降低，低階切削振動幾乎消失。隨著切削速度的 提高，單位時間毛坯材料的去除率增加了，切削時間減少了，加工效率提高了，從而縮短了產(chǎn)品的制造周期，提高了產(chǎn)品的市場競爭力。同時，高速加工的小量快進使切削力減少了，切屑的高速排出減少了工件的切削力和熱應(yīng)力變形，提高了剛性差和薄壁零件切削加工的可能性。由于切削力的降低，轉(zhuǎn)速的提高使切削系統(tǒng)的工作頻率遠離機床的低階固有頻率，而工件的表面粗糙度對低階頻率最為敏感，由此降低了表面粗糙度。在模具的高淬硬鋼件 (加工過程中，采用高速切削可以取代電加工和磨削拋光的工序，從而避免了電極的制造和費時的電加 工，大幅度減少了鉗工的打磨與拋光量。對于一些市場上越來越需要的薄壁模具工件，高速銑削也可順利完成，而且在高速銑削 工中心上，模具一次裝夾可完成多工步加工。 高速加工技術(shù)對模具加工工藝產(chǎn)生了巨大影響，改變了傳統(tǒng)模具加工采用的 “ 退火 → 銑削加工→ 熱處理 → 磨削 ” 或 “ 電火花加工 → 手工打磨、拋光 ” 等復(fù)雜冗長的工藝流程，甚至可用高速切削加工替代原來的全部工序。高速加工技術(shù)除可應(yīng)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 極加工、快速樣件制造等方面也得到了廣泛應(yīng)用。大量生產(chǎn)實踐表明，應(yīng)用高速切削 技術(shù)可節(jié)省模具后續(xù)加工中約 80%的手工研磨時間，節(jié)約加工成本費用近 30%，模具表面加工精度可達 1 m，刀具切削效率可提高 1 倍。 2 二、 高速銑削加工機床 高速切削技術(shù)是切削加工技術(shù)的主要發(fā)展方向之一，它隨著 術(shù)、微電子技術(shù)、新材料和新結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展而邁上更高的臺階。由于模具加工的特殊性以及高速加工技術(shù)的自身特點，對模具高速加工的相關(guān)技術(shù)及工藝系統(tǒng) (加工機床、數(shù)控系統(tǒng)、刀具等 )提出了比傳統(tǒng)模具加工更高的要求。 1. 高穩(wěn)定性的機床支撐部件 高速切削機床的床身等支撐部件應(yīng)具有很好的動、靜剛度，熱剛度和最佳的阻 尼特性。大部分機床都采用高質(zhì)量、高剛性和高抗張性的灰鑄鐵作為支撐部件材料，有的機床公司還在底座中添加高阻尼特性的聚合物混凝土，以增加其抗振性和熱穩(wěn)定性，這不但可保證機床精度穩(wěn)定，也可防止切削時刀具振顫。采用封閉式床身設(shè)計，整體鑄造床身，對稱床身結(jié)構(gòu)并配有密布的加強筋等也是提高機床穩(wěn)定性的重要措施。一些機床公司的研發(fā)部門在設(shè)計過程中，還采用模態(tài)分析和有限元結(jié)構(gòu)計算等，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，使機床支撐部件更加穩(wěn)定可靠。 2. 機床主軸 高速機床的主軸性能是實現(xiàn)高速切削加工的重要條件。高速切削機床主軸的轉(zhuǎn)速范圍為10000~100000m/軸功率大于 15過主軸壓縮空氣或冷卻系統(tǒng)控制刀柄和主軸間的軸向間隙不大于 要求主軸具有快速升速、在指定位置快速準停的性能 (即具有極高的角加減速度 )，因此高速主軸常采用液體靜壓軸承式、空氣靜壓軸承式、熱壓氮化硅（ 瓷軸承磁懸浮軸承式等結(jié)構(gòu)形式。潤滑多采用油氣潤滑、噴射潤滑等技術(shù)。主軸冷卻一般采用主軸內(nèi)部水冷或氣冷。 3. 機床驅(qū)動系統(tǒng) 為滿足模具高速加工的需要，高速加工機床的驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)具有下列特性： (1) 高的進給速度 。 研究表明，對于小直徑刀具，提高轉(zhuǎn)速和每齒進給 量有利于降低刀具磨損。目前常用的進給速度范圍為 20~30m/采用大導(dǎo)程滾珠絲杠傳動，進給速度可達 60m/用直線電機則可使進給速度達到 120m/ (2) 高的加速度。 對三維復(fù)雜曲面廓形的高速加工要求驅(qū)動系統(tǒng)具有良好的加速度特性，要求提供高速進給的驅(qū)動器 (快進速度約 40m/3D 輪廓加工速度為 10m/能夠提供 10m/加速度和減速度。 機床制造商大多采用全閉環(huán)位置伺服控制的小導(dǎo)程、大尺寸、高質(zhì)量的滾珠絲杠或大導(dǎo)程多頭絲杠。隨著電機技術(shù)的發(fā)展，先進的直線電 動機已經(jīng)問世，并成功應(yīng)用于 床。先進的直線電動機驅(qū)動使 床不再有質(zhì)量慣性、超前、滯后和振動等問題，加快了伺服響應(yīng)速度，提高了伺服控制精度和機床加工精度。 4. 數(shù)控系統(tǒng) 3 先進的數(shù)控系統(tǒng)是保證模具復(fù)雜曲面高速加工質(zhì)量和效率的關(guān)鍵因素，模具高速切削加工對數(shù)控系統(tǒng)的基本要求為： a. 高速的數(shù)字控制回路 (包括： 32 位或 64 位并行處理器及 上的硬盤；極短的直線電機采樣時間。 b. 速度和加速度的前饋控制 (數(shù)字 驅(qū)動系統(tǒng)的爬行控制 ( c. 先進的插補方法 ( 基于 樣條插補 )，以獲得良好的表面質(zhì)量、精確的尺寸和高的幾何精度。 d. 預(yù)處理 (能。要求具有大容量緩沖寄存器，可預(yù)先閱讀和檢查多個程序段 (如 00 個程序段， 統(tǒng)可達 1000~2000 個程序段 )，以便在被加工表面形狀 (曲率 )發(fā)生變化時可及時采取改變進給速度等措施以避免過切等。 e. 誤差補償功能，包括因直線電機、主軸等發(fā)熱導(dǎo)致的熱誤差補償、象限誤差補償、測量系統(tǒng)誤差補 償?shù)裙δ堋? 此外，模具高速切削加工對數(shù)據(jù)傳輸速度的要求也很高。 f. 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口， 如 行口的傳輸速度為 許多先進的加工中心均已采用以太局域網(wǎng) (行數(shù)據(jù)傳輸，速度可達 200 5. 冷卻潤滑 高速加工采用帶涂層的硬質(zhì)合金刀具，在高速、高溫的情況下不用切削液，切削效率更高。這是因為：銑削主軸高速旋轉(zhuǎn)，切削液若要達到切削區(qū)，首先要克服極大的離心力；即使它克服了離心力進入切削區(qū)，也可能由于切削區(qū)的高溫而立即蒸發(fā)，冷卻效果很小甚至沒有；同時切削液會使刀具刃部的溫度激烈變 化，容易導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，所以要采用油 /氣冷卻潤滑的干式切削方式。這種方式可以用高壓氣體迅速吹走切削區(qū)產(chǎn)生的切削，從而將大量的切削熱帶走，同時經(jīng)霧化的潤滑油可以在刀具刃部和工件表面形成一層極薄的微觀保護膜，可有效地延長刀具壽命并提高零件的表面質(zhì)量。 三、 高速切削加工的刀具 刀具是高速切削加工中最活躍重要的因素之一，它直接影響著加工效率、制造成本和產(chǎn)品的加工精度。刀具在高速加工過程中要承受高溫、高壓、摩擦、沖擊和振動等載荷，高速切削刀具應(yīng)具有良好的機械性能和熱穩(wěn)定性，即具有良好的抗沖擊、耐磨損和抗熱疲勞的特性。高 速切削加工的刀具技術(shù)發(fā)展速度很快，應(yīng)用較多的如金剛石 (立方氮化硼 (陶瓷刀具、涂層硬質(zhì)合金、(碳 )氮化鈦硬質(zhì)合金 )等。 在加工鑄鐵和合金鋼的切削刀具中，硬質(zhì)合金是最常用的刀具材料。硬質(zhì)合金刀具耐磨性好，但硬度比立方氮化硼和陶瓷低。為提高硬度和表面光潔度，采用刀具涂層技術(shù)，涂層材料為氮化鈦(氮化鋁鈦 (。涂層技術(shù)使涂層由單一涂層發(fā)展為多層、多種涂層材料的涂層，已成為提高高速切削能力的關(guān)鍵技術(shù)之一。直徑在 10~40圍內(nèi)，且有碳氮化鈦涂層的硬質(zhì)合金刀片能夠加 工洛氏硬度小于 42的材料，而氮化鈦鋁涂層的刀具能夠加工洛氏硬度為 42甚至更高的材料。高速切削鋼材時，刀具材料應(yīng)選用熱硬性和疲勞強度高的 P 類硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金、立方氮化硼（ 合刀具材料（ 。切削鑄鐵，應(yīng)選用細晶粒的 K 類硬質(zhì)合金進行粗加工， 4 選用復(fù)合氮化硅陶瓷或聚晶立方氮化硼（ 合刀具進行精加工。精密加工有色金屬或非金屬材料時，應(yīng)選用聚晶金剛石 剛石涂層刀具。選擇切削參數(shù)時，針對圓刀片和球頭銑刀，應(yīng)注意有效直徑的概念。高速銑削刀具應(yīng)按動平衡設(shè)計制造。刀具的前角比 常規(guī)刀具的前角要小，后角略大。主副切削刃連接處應(yīng)修圓或?qū)Ы牵瑏碓龃蟮都饨?，防止刀尖處熱磨損。應(yīng)加大刀尖附近的切削刃長度和刀具材料體積，提高刀具剛性。在保證安全和滿足加工要求的條件下，刀具懸伸盡可能短，刀體中央韌性要好。刀柄要比刀具直徑粗壯，連接柄呈倒錐狀，以增加其剛性。盡量在刀具及刀具系統(tǒng)中央留有冷卻液孔。球頭立銑刀要考慮有效切削長度，刃口要盡量短，兩螺旋槽球頭立銑刀通常用于粗銑復(fù)雜曲面，四螺旋槽球頭立銑刀通常用于精銑復(fù)雜曲面。 四、 模具高速加工工藝 高速加工包括以去除余量為目的的粗加工、殘留粗加工，以及以獲 取高質(zhì)量的加工表面及細微結(jié)構(gòu)為目的的半精加工、精加工和鏡面加工等。 1. 粗加工 模具粗加工的主要目標是追求單位時間內(nèi)的材料去除率，并為半精加工準備工件的幾何輪廓。高速加工中的粗加工所應(yīng)采取的工藝方案是高切削速度、高進給率和小切削用量的組合。等高加工方式是眾多 件普遍采用的一種加工方式。應(yīng)用較多的是螺旋等高和等 Z 軸等高兩種方式，也就是在加工區(qū)域僅一次進刀，在不抬刀的情況下生成連續(xù)光滑的刀具路徑，進、退刀方式采用圓弧切入、切出。螺旋等高方式的特點是，沒有等高層之間的刀路移動，可避免頻繁抬刀、進刀對零件表面質(zhì)量 的影響及機械設(shè)備不必要的耗損。對陡峭和平坦區(qū)域分別處理，計算適合等高及適合使用類似 3D 偏置的區(qū)域，并且可以使用螺旋方式，在很少抬刀的情況下生成優(yōu)化的刀具路徑，獲得更好的表面質(zhì)量。在高速加工中，一定要采取圓弧切入、切出連接方式，以及拐角處圓弧過渡，避免突然改變刀具進給方向，禁止使用直接下刀的連接方式，避免將刀具埋入工件。加工模具型腔時，應(yīng)避免刀具垂直插入工件，而應(yīng)采用傾斜下刀方式 (常用傾斜角為 20°~30°) ，最好采用螺旋式下刀以降低刀具載荷。加工模具型芯時，應(yīng)盡量先從工件外部下刀然后水平切入工件。刀具切入、 切出工件時應(yīng)盡可能采用傾斜式 (或圓弧式 )切入、切出，避免垂直切入、切出。采用攀爬式切削可降低切削熱，減小刀具受力和加工硬化程度，提高加工質(zhì)量。 2. 半精加工 模具半精加工的主要目標是使工件輪廓形狀平整，表面精加工余量均勻，這對于工具鋼模具尤為重要，因為它將影響精加工時刀具切削層面積的變化及刀具載荷的變化，從而影響切削過程的穩(wěn)定性及精加工表面質(zhì)量。 粗加工是基于體積模型，精加工則是基于面模型。以前開發(fā)的 統(tǒng)對零件的幾何描述是不連續(xù)的，由于沒有描述粗加工后、精加工前加工模型的中間信息，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。因此應(yīng)對半精加工策略進行優(yōu)化以保證半精加工后工件表面具有均勻的剩余加工余量。優(yōu)化過程包括：粗加工后輪廓的計算、最大剩余加工余量的計算、最大允許加工余量的確定、對剩余加工余量大于最大允許加工余量的型面分區(qū) (如凹槽、拐角等過渡半徑小于粗加工刀具半徑的區(qū)域 )以及半精加工時刀心軌跡的計算等。 5 現(xiàn)有的模具高速加工 C A D /件大都具備剩余加工余量分析功能，并能根據(jù)剩余加工余量的大小及分布情況采用合理的半精加工策略。如 狀銑削 (剩余銑削 (方法來清除粗加工后剩余加工余量較大的角落以保證后續(xù)工序均勻的加工余量。 3. 精加工 模具的高速精加工策略取決于刀具與工件的接觸點，而刀具與工件的接觸點隨著加工表面的曲面斜率和刀具有效半徑的變化而變化。對于由多個曲面組合而成的復(fù)雜曲面加工，應(yīng)盡可能在一個工序中進行連續(xù)加工，而不是對各個曲面分別進行加工，以減少抬刀、下刀的次數(shù)。然而，由于加工中表面斜率的變化，如果只定義加工的側(cè)吃刀量 (就可能造成在斜率不同的表面上實 際步距不均勻，從而影響加工質(zhì)量。 一般情況下，精加工曲面的曲率半徑應(yīng)大于刀具半徑的 ，以避免進給方向的突然轉(zhuǎn)變。在模具的高速精加工中，在每次切入、切出工件時，進給方向的改變應(yīng)盡量采用圓弧或曲線轉(zhuǎn)接，避免采用直線轉(zhuǎn)接，以保持切削過程的平穩(wěn)性。 五、 結(jié)束語 高速切削技術(shù)是切削加工技術(shù)的主要發(fā)展方向之一，目前主要應(yīng)用于汽車工業(yè)和模具行業(yè)，尤其是在加工復(fù)雜曲面的領(lǐng)域、工件本身或刀具系統(tǒng)剛性要求較高的加工領(lǐng)域等，是多種先進加工技術(shù)的集成，其高效、高質(zhì)量為人們所推崇。它不僅涉及到高速加工工藝，而且還包括高 速加工機床、數(shù)控系統(tǒng)、高速切削刀具及 術(shù)等。模具高速加工技術(shù)目前已在發(fā)達國家的模具制造業(yè)中普遍應(yīng)用，而在我國的應(yīng)用范圍及應(yīng)用水平仍有待提高，由于其具有傳統(tǒng)加工無可比擬的優(yōu)勢，仍將是今后加工技術(shù)必然的發(fā)展方向 6 in as as on to n to to by is to a to is to is so AM to in in a is is in a Is in to to to 0%~40%, 0%, 0%, in At to to be to be is to In in to be to 7 s to in NC a of to to to so on in in DM so on in 0% to 0%, m, he is of it so NC a as as (to so a to 1. he so on to be to of in by is so on in so to be 8 2. he is 0000~100000m/is 5Is of or to to is to so on or 3. n to to be to (1) is in At 0~30m/0m/ to 20m/ to (2) to or to 0m/ D 0m/ 2 0m/s2 to or in NC NC no to in so on up of 4. he is to 9 A. 32 or 4 B. 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