锻模高速数控加工技术.docx
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锻模高速数控加工技术
锻模高速数控加工技术
韩冬生
一、概述
1.锻造的特点简介
2.锻模的发展现状及发展趋势
3.高速加工技术
a.高速切削加工技术的定义
b.高速切削
二、高速数控加工技术在锻模行业的应用
1．高速加工的优点
2．高速加工机床
3．高速加工机床的数控系统
4．CAD/CAM
5．高速加工所使用的刀具
a.刀具夹持系统——刀柄
b.高速加工刀具
6．高速加工工艺技术
7．加工实例
8．高速加工存在的问题
9．解决存在问题的方法
三、结束语
锻模高速数控加工技术
一、概述
1.锻造的特点简介
金属经过锻造加工后能改善其组织结构和力学性能。
铸造组织经过锻造方法热加工变形后由于金属的变形和再结晶，使原来的粗大枝晶和柱状晶粒变为晶粒较细、大小均匀的等轴再结晶组织，使钢锭内原有的偏析、疏松、气孔、夹渣等压实和焊合，其组织变得更加紧密，提高了金属的塑性和力学性能。
锻造加工能保证金属纤维组织的连续性，使锻件的纤维组织与锻件外形保持一致，金属流线完整，可保证零件具有良好的力学性能与长的使用寿命。
2.锻模的发展现状及发展趋势
我国锻造模具工业从起步到飞跃发展，历经了几十年的时间，尤其是近几年来，我国锻造模具技术有了突飞猛进的发展，不仅从产量，从模具水平也有了较大提高。
精密、复杂、高效和寿命上了新台阶。
随着我国经济的全面高速发展，锻模加工手段、技术水平等将于世界发达国家接轨，对国际市场形成冲击。
3. 高速加工技术
a.高速切削加工技术的定义：
高速加工技术是指采用超硬材料的刃具，通过极大地提高切削速度和进给速度来提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代加工技术。
由于不同的加工工序、不同的工件材料有不同的切削速度范围，因而很难就高速切削的速度范围给定某一确定的数值。
b.高速切削
高速切削（HighSpeedCutting）简称HSC，它与普通切削的主要区别在于切削速度、加速度及主轴的转速等。
通常情况下，高速切削时切削进给速度比普通切削高5～15倍，可达到15～70m/min、加速度高5～10倍、主轴转速高5～10倍，可达到15000～70000r/min。
当今企业的竞争集中表现在产品质量、品种、新产品开发周期及产品生产规模。
模具在新产品的开发中尤为关键，其设计与生产日益成为新产品开发周期的决定因素。
在汽车工业中，过去新车型的开发周期一般为十年，现在缩短为一到三年，这一切都得益于企业模具设计与制造水平的提高。
高速加工技术随着数控加工设备与高性能加工刀具技术的发展而日益成熟，极大地提高了模具加工速度，减少了加工工序，缩短甚至消除了耗时的钳工修复工作，从而大大地缩短了模具的生产周期。
模具的高速加工技术逐渐成为我国模具工业技术改造最主要的内容之一。
什么是高速加工？
高速加工与传统加工在加工工艺上有什么区别？
高速加工对加工设备、刀具、夹具及相应的CAD/CAM系统提出了什么特殊的要求？
高速加工有哪些技术优势？
这些一直是我国模具行业面临的主要问题。
二、高速数控加工技术在锻模行业的应用
1．高速加工的优点 ：
高速切削还可简化工艺流程和改善工件质量。
在模具制造业中，采用高速切削后可以提高进给速度，降低工时来减少制造费用。
如果保持切削时间不变，则可减少进刀量，从而降低表面粗糙度，使原需通过手工抛光的部分可以全部省去或减少到最低的工作量。
又如孔加工时，通常对每一个孔径需配置相应的刀具，当孔的种类很多时，就需大的刀库容量，增加了机床和刀具的购置费用。
采用高速切削，可以使刀具的种类大大减少，因为对较大的孔可以用小直径的刀具通过内圆数控插补铣削的方式进行加工，而仍能保持较高的孔加工效率，并相应减少了购置费用。
（1）提高了模具加工的速度 ：
刀具的高转速和机床的高进给以及高加速度，大大提高金属切除率，尽管高速加工采取了非常小的进给速度与切深，对于精加工，从材料去除速度而言，高速加工比一般加工快四倍以上，从而提高生产率和降低生产周期；高速高精度精加工硬切削代替光整加工，表明质量高，形状精度提高，比EDM加工提高效率50％以上，减少手工修磨、抛光；
（2）可获得高质量的加工表面：
高速切削减小切削力，降低切削振动，提高加工质量；提高切削速度和进给速度以减少进给量，改善工件的形状精度和表面粗糙度，可获得Ra≤10um的加工表面粗糙度。
高速切削热大部分由切屑带走，工件发热少，形状精度可达5um。
（3）可直接加工高硬度的模具材料：
加工硬度达60HRC的模块，形成了对电火花成形加工的挑战。
（4）延长模具寿命：
避免EDM加工产生的表面损伤，提高模具寿命20％-50%；
（5）模具修复过程更加方便 ：
在锻造过程中，若模具型腔局部破损，往往需要多次修复，以延长使用寿命，过去主要是靠电加工来完成，使用高速技术，用原NC程序，无需重新编制，且能做到精确无误。
将模具型腔，迅速修复。
（6）简化了加工工序：
传统加工是在淬火之前进行，因淬火造成的变形必须要经手工修整或采用电加工放电成形。
有了高速机床加工技术，则可以通过高速加工来完成，省去了电极材料、电极加工编程及加工，以及电加工过程所需所有费用，而且不会出现电加工所导致的表面硬化及微观裂纹。
高速加工可使用小直径的刀具对小的圆角半径及模具细节进行加工，节省了部分加工或手工修整工艺。
因为可直接加工淬火后的模块，不用再加工电极，减少了切削时间，降低机床需求和简化工艺流程，从而达到降低生产成本的目的。
（7）更有利于复杂型面加工：
硬切削加工最后成型表面，提高表面质量、形状精度，（不仅是表面粗糙度低，而且表面光亮度高），用于复杂表面的加工更具优势；结合CAD/CAM技术快速加工技术，高速加工特别适合形状复杂、薄壁类模具。
2．高速加工机床
目前国外生产高速加工机床的厂家很多，国内也有若干合资或合作生产厂家，不管是那款高速机床，首先是高的速度，即高的主轴转速，另一方面，又应有高的进给速度，机床还要具有快速移动、快速换刀、高的主轴加速度和进给加速度，只有达到了上述标准才能称之为高速加工机床。
此外，要做到真正的高速加工，机床的结构和普通的加工中心也不同，要做到加工不同规格的模具（重量不同：
从几公斤至若干吨），其动态特性必须保持良好，由于频繁的启动、制动，启动力及制动力过大，会降低传动部件的寿命。
下面是典型高速加工机床的结构：
金字塔式结构，具有宽的导轨和低的中心；
工作台固定不动，运动单元的惯性市常数；
在很短的时间内，加速到很高的速度（在0.1秒内，坐标轴的运动速度从0-30m/min）;
，坐标的运动速度由0加速至30米/每分
3．高速加工机床的数控系统
高速加工机床的数控系统，除具有高速处理数据的能力及相当高的预读能力外，还应具有以下基本功能：
-刀具补偿
*刀具补偿
*刀具长度补偿
*刀具半径补偿
-插补
*定位
*直线插补
*圆弧插补
*螺旋线插补
-”向前看”功能可以在保证最好的加工精度的前提下使机床以最快的速度进行加工
-坐标系统
*自动返回参考点
*手动返回参考点
*从参考点返回
*工件坐标系设定
*坐标系统改变
-每个轴分配不同的增益,快速速率和加减速率
-内置PLC
-坐标轴互换
-编程功能
*设立子程序目录管理零件程序
*绝对值/相对值编程
*比例缩放
*坐标系转换（平移和旋转）
*平面转换
*镜像编程
*可编程的数据和参数输入
*公/英制选择
*用半径编程进行圆弧插补（圆弧的半径可用R值定义）
*用R代码对斜面和拐角编程.
*刀具路径的图形显示
*程序语法检查
*运用几何计算能力进行交互式程序编程.
-编辑功能
*工件程序编辑功能（程序删除,插入和改变）
*程序号,顺序号和字符串寻找.
-操作,显示和其他功能
*单程序段执行
*选择程序段跳过
*程序停/程序终止
*Z轴锁住
*MDI功能（手动数据输入功能）
*STM功能（主轴，刀具和其他功能）
*显示功能（当前位置,指令值,补偿值,实际的速度参数和其他状态显示）
*紧急停功能
*运行时间显示
*加工时间记录
*自诊断功能
4．CAD/CAM
计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM），简称CAD/CAM，是指计算机作为主要技术手段，生成和运用各种数字信息与图形信息，进行产品的设计和制造。
CAD/CAM技术是改造传统模具生产方式的关键技术，是一项高科技、高效益的系统手段。
它以计算机软件的形式，为用户提供一种有效的辅助工具，使技术人员能够借助于计算机对产品、模具结构、成形工艺、时间、加工等进行设计和优化。
模具CAD/CAM技术能显著缩短模具设计与制造周期，降低生产成本，提高产品质量。
西方工业发达国家的装机量以每年30%速率增长。
进入90年代以来，制造业对CAD/CAM技术不断提高的重视程度，以及将CAD/CAM技术应用于实际的日益高涨的热情，成为这项技术迅速成熟的重要因素，也为摒弃传统技术，建立崭新的生产模式创造了良好的工程应用环境。
传统锻模设计制造依赖于设计者和制造者的经验，制造时以手工操作为主，难于实现机械化、自动化。
以CAD/CAM技术改造传统工艺，可大幅度提高模具质量，缩短生产周期。
因此，锻模设计制造需要CAD/CAM技术；另一方面，CAD/CAM技术特别适合于数量少、品种多的产品开发，模具正是这样一个典型产品。
因此，锻模CAD/CAM是一个企业所不可缺少的。
锻模CAD/CAM一体化是将CAD与CAM有机地联系起来，利用锻模CAD的三维信息自动生成NC加工程序，实现锻模的无图化加工。
具体来讲就是在锻造工艺设计完成后，在CAD系统中进行锻模的三维造型，根据三维造型信息生成刀位面（或刀具轨迹）和NC加工代码，然后将加工程序直接送入NC机床进行锻模型腔或电极的NC加工。
在设计与加工之间无需通过图样来传递设计意图和加工信息。
目前使用较多的CAD/CAM软件有：
美国ParametricTechnology公司的Pro/E;美国EDS的UG；以色列公司的Cimatron等
5．高速加工所使用的刀具
a.刀具夹持系统——刀柄
刀柄是高速切削时的一个关键部件，起着传递机床精度和转矩的作用。
刀柄的一端是机床主轴、另一端是刀具。
高速切削薄壁结构时刀柄必须具备高速加工刀柄的一切要求，譬如：
好的动平衡特性、很高的几何精度和装夹重复精度、很高的装夹刚度等要求。
目前刀柄与主轴的联接在大多数高速切削机床上以圆锥空心柄（HSK/A/E）为主。
此外，通过热胀冷缩原理而工作的热缩套刀夹系统以其优越的特性在成飞也得到了越来越广泛的应用。
HSK-A刀柄
HSK-A刀柄剖面图
b.高速加工刀具
高速加工还需配备合适的高速切削刀具。
高速加工刀具材料的发展促进了高速加工速度的提高。
硬质合金涂层刀具、聚晶增强陶瓷刀具使得兼顾高硬度的刀刃部和高韧性的基体成为可能。
聚晶立方氮化硼（PCBN）刀片,其硬度可达3500～4500HV。
聚晶金刚石（PCD）其硬度可达6000～10000HV。
近年来国外刀具公司都先后推出了各自的高速切削刀具，不仅有高速切削普通结构钢的刀具,还有能直接高速切削淬硬钢的陶瓷刀具等超硬刀具,尤其是涂层刀具异军突起,在淬硬钢的半精加工和精加工中发挥着巨大作用。
新刀具材料和刀具技术的出现已经使高速加工上的瓶颈问题不再会出现在刀具上。
据统计，在使用碳氮化钛（TICN）涂层的整体硬质合金立铣刀（58HRC）进行高速铣削时,粗加工刀具线速度可达100m/min,而精加工和超精加工时,其线速度超过了280m/min。
这样对刀具的材料（包括硬度、韧性、红硬性（高温状态下保持切削性能））、刀具的形状（包括排屑性能、表面精度、动平衡性等）以及刀具寿命都有很高的要求。
随着切削线速度的增加，温度及刀具磨损会剧烈增加，当切削线速度达到某临界值时，切削温度及切削力会减小，后又随着切削速度的增加而急剧增加。
选择刀具应做到：
a.根据不同的加工对象合理选择刀具：
硬质合金涂层刀具、CBN和金刚石烧结层刀具。
采用小直径球头铣刀进行模具表面精加工；TiAIN（铝氮化钛）超细晶粒硬质合金涂层刀具由于润滑条件好，比（TiCN）硬质合金涂层刀具抗磨损性能更好。
b.选择刀具参数，如负前角刀具等。
刀具要求比普通加工要求抗冲击韧性更高，还要求抗热冲击能力强。
c.采取多种方法提高刀具寿命，降低刀具成本。
d.采用高速刀柄，目前应用最多的是HSK/A/E刀柄，机械及热缩装夹刀具。
注意刀具装夹后的整体动平衡。
6．高速加工工艺技术
在切削过程中因切削层金属面积发生变化，导致刀具承受的载荷发生变化，使切削过程不稳定，刀具磨损速度不均匀，加工表面质量下降。
目前开发的许多CAM软件可通过以下措施保持切削条件恒定，从而获得良好的加工质量。
恒定的切削载荷。
通过计算获得恒定的切削层面积和材料去除率，使切削载荷与刀具磨损速率保持均衡，以提高刀具寿命和加工质量。
避免将刀具埋入工件。
如加工模具型腔时，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。
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。
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，
这对于模具非常重要，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。
应对半精加工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。
依靠CAD/CAM软件，采用剩余铣削的方法来清除粗加工后余量较大的角落以保证后续工序均匀的加工余量，然后再进行半精加工；
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，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。
进给速度的优化目前很多CAM软件都具有进给速度的优化调整功能：
在半精加工过程中，当切削层面积大时降低进给速度，而切削层面积小时增大进给速度。
应用进给速度的优化调整可使切削过程平稳，提高加工表面质量。
切削层面积的大小完全由CAM软件自动计算，进给速度的调整可由用户根据加工要求来设置。
7．加工实例
7．1．1
加工表
工序
刀具
加工时间（min）
摆线粗加工
D12r0
30
内强局部粗加工
D4r2
24
精加工
D3r1.5
90
总加工时间
144
轮廓度误差:
0,005mm
粗慥度:
<0,0005Ra
连杆：
材料:
淬火钢60HRC
粗加工尺寸:
250X140X50mm
切削深度:
11mm
7．1．2
加工表
工序
刀具
加工时间（min）
粗加工
D10r5
56
D8r4
D6r3
中精加工
D6r3
58
精加工
D4r2
123
总加工时间
237
轮廓度误差:
0,005mm
粗慥度:
----------
连杆：
材料:
淬火钢55HRC
粗加工尺寸:
300X150X70mm
切削深度:
20mm
7．2
加工表
工序
刀具
加工时间（min）
粗加工
D6r3
120
根部加工
D6r3
5
精加工
D6r3
120
总加工时间
245
轮廓度误差:
0,01mm
粗慥度:
<0,0004Ra
齿轮：
材料:
淬火钢57HRC
粗加工尺寸:
直径100mm
切削深度:
30mm
8．高速加工存在的问题
在国内，由于资金、技术等方面的原因，应用高速切削生产模具还处于初期阶段。
还存在机床、刀具、工艺以及其他方面的一些问题需要逐步解决。
对刀具的使用有较高的要求，不能使用过大的刀具，要有复杂的计算机编程技术做支持，设备运行条件要求高。
a）对高速加工模具的机床的认识
b）CAD/CAM选择及使用
c）切削刀具的选择
d）合理加工工艺的编制
e）编程和刀具轨迹的确定
f）工艺实验及实际加工经验
g）高速加工技术方面的人才问题
9．解决存在问题的方法
尽管高速加工技术的应用过程中存在着许多问题，但他是一项正在蓬勃发展的新工艺、新方法，必将在模具加工行业逐步得以广泛应用，对存在的问题，建议：
a）企业的决策者，在国内外同行业中，加强交流与学习，提高认识
b）企业着眼长远发展的目光，加强CAD/CAM人才的培养
c）在实际加工中，积累经验，对刀具的选择与使用、加工工艺、刀具轨迹等力求最合理的选择与应用
三、结束语
高速切削加工技术是一项全新的、正在发展之中的先进实用技术，在工业发达国家已得到广泛的应用，取得巨大的经济和社会效益。
模具高速加工技术是多种先进加工技术的集成，不仅涉及到高速加工工艺，而且还包括高速加工机床、数控系统、高速切削刀具及CAD/CAM技术等。
在我国高速切削加工技术的开发和应用还处于初步阶段，还有大量研究、开发工作需要进行。
模具市场对高速加工有强烈需求，国内已进口了大批高速加工设备，也开发了多种高速机床和加工中心，还有许多可供应高速切削刀具系统的工具企业，但就目前国内的总体状况来看，技术跟不上。
起步晚，基础较差，整体技术水平不高。
需要各个方面协调发展，产学研结合，加大投入，综合利用各个方面力量推动高速切削在模具制造中的应用，只要充分认识高速切削加工技术的优越性和诱人的巨大经济效益的潜力，完全有可能迅速把我国高速切削加工技术的应用推进到一个新水平。
大力发展和推广应用模具高速加工技术对促进我国模具制造业整体技术水平和经济效益的提高具有重要意义。
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