汽車模具高速加工技術(shù)

1、汽車模具高速加工技術(shù)dclcam中國(guó)公司揚(yáng)洪旗游波一. 前言當(dāng)今金業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)集屮表現(xiàn)在產(chǎn)品款式、新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期及產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模。模具作為新 產(chǎn)品生產(chǎn)的關(guān)鍵工裝，其設(shè)計(jì)與生產(chǎn)周期口益成為決定新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期的決定因素。 在汽車工業(yè)中，過(guò)去新車型的開(kāi)發(fā)周期一般為十年，現(xiàn)在縮短為二到三年，ford及 toyota新車型的開(kāi)發(fā)周期僅為一年半，這一切都得益于金業(yè)模具設(shè)計(jì)與制造手段的 現(xiàn)代化水平的提高。高速加工技術(shù)隨著數(shù)控加工設(shè)備與高性能加工刀具技術(shù)的發(fā)展而h益成熟。極大的提 高了模具加工速度、減少了加工工序、縮短甚至消除了耗時(shí)的鉗工修復(fù)工作，從而極 大地縮短了模具的生產(chǎn)周期。模具的高速加工技術(shù)逐漸成為我國(guó)模具

2、工業(yè)技術(shù)改造最 主耍的內(nèi)容之一。但什么是高速加工？高速加工與傳統(tǒng)加工在加工工藝上有什么區(qū) 別？高速加工也對(duì)加工設(shè)備、刀具夾具及和應(yīng)的cad/cam系統(tǒng)提出了什么特殊的要 求？高速加工有什么技術(shù)優(yōu)勢(shì)等問(wèn)題一直成為我國(guó)模具行業(yè)的主要問(wèn)題之一。英國(guó)delcam公司是世界上最早致力與高速加工工藝及相應(yīng)cad/cam技術(shù)研究的專業(yè) cad/cam集成系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商之一。該公司也是世界上唯一擁冇大型模具加工車間的 cad/cam軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商odelcam公司模具車間自1985年購(gòu)進(jìn)briageport vf1000高 速加工中心多臺(tái)，用于進(jìn)行高速加工工藝的研究及高速加工專用cam系統(tǒng)棗 powermill的

3、開(kāi)發(fā)。1995年公司引進(jìn)行程為6m的mecof 5軸聯(lián)動(dòng)高速加工屮心，以 加強(qiáng)高速加工工藝及cam系統(tǒng)的研究。1999年3月成功的舉辦了歐洲首次hsm技術(shù) 研討會(huì)暨h(yuǎn)sm現(xiàn)場(chǎng)加工展示會(huì)，來(lái)門世界各地的一百多位專家介紹了各門的經(jīng)驗(yàn)。高速加工技術(shù)在我國(guó)剛剛起步，眾多企業(yè)非常關(guān)注高速加工的發(fā)展及在模具行業(yè)的應(yīng) 用，以及高速加工的工藝特點(diǎn)，高速加工對(duì)設(shè)備、刀具的特殊要求以及高速加工對(duì)cad/cam系統(tǒng)的特殊要求。故將delcam hsm技術(shù)研討會(huì)暨h(yuǎn)sm現(xiàn)場(chǎng)加工展示會(huì)的 資料整理成文，希望與我國(guó)從事模具高速加工的工程技術(shù)人員交流。木文所提出的觀 點(diǎn)、所列出的數(shù)據(jù)僅代表個(gè)人觀點(diǎn)，特此說(shuō)明。二. 關(guān)于高速

4、加工的定義六十多年前，salomon提出高速加工的概念并對(duì)高速加工進(jìn)行了深入的研究。其研究成 果表明：隨著切削線速度的增加，溫度及刀具磨損會(huì)劇烈增加，當(dāng)切削線速度達(dá)到超 過(guò)某臨界值時(shí)，切削溫度及切削力會(huì)減小，然后又隨著切削速度的增加而急劇增加。 從右圖可看出，以刀具磨損的切削力為限制條件，前一個(gè)低于該值的區(qū)域是一般傳統(tǒng) 加工。后一個(gè)低于該值的區(qū)域?yàn)楦咚偌庸?。由此也可看出，不同材料有不同的臨界值, 有其高速加工的特定范圍。刀具材料與質(zhì)量是高速加工最主要的限制條件之一。故高 速加工不僅決定于主軸速度與刀具直徑，還與所切削的材料，刀具壽命及加工工藝等 綜合因素有關(guān)。高速加工是在航空鋁合金材料零件加工

5、發(fā)展起來(lái)的，高水平合金涂層刀具的壽命不時(shí) 主耍的限制因素。高速加工主耍受設(shè)備主軸速度及材料熔點(diǎn)的限制，一般主軸速度為每分鐘5000060000轉(zhuǎn)或更高。本文主要關(guān)注塑料模具、壓鑄模具、沖壓模具及鍛模 等合金模具鋼的高速加工，這種材料的硬度一般超過(guò)洛氏50度，故高速加工的限制因 素主要是刀具壽命，而非鋁加工中主軸速度的限制。對(duì)于小型模具的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的加工, 主軸速度可達(dá)40000轉(zhuǎn)以上。而大型汽車覆蓋件模具的加工，一般主軸速度12000轉(zhuǎn)/ 分以上的加工可稱為高速加工。三. 高速加工的分類及與傳統(tǒng)加工方式的優(yōu)勢(shì)delcam高速加工的研究表明，高速加工按其目的而言應(yīng)分為兩類：以實(shí)現(xiàn)單位吋間最 大材料

6、去除量為目的的高速加工以及以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量加工表面與細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)為目的的高速 加工。任何模具的高速加工都是這兩類技術(shù)的綜合運(yùn)用，模具生產(chǎn)作為系統(tǒng)工程而言, 后者因極大地減少了鉗工拋光、修復(fù)時(shí)間，減少甚至消除了部分工序，對(duì)模具生產(chǎn)周 期縮短起了更大的作用。與傳統(tǒng)加工方式相比，高速加工(hsm)的優(yōu)勢(shì)如下:hsm與傳統(tǒng)加工方式在模具制造工序上的變化:c.(i)(?):玄11)主要工序說(shuō)明工序總數(shù)a傳統(tǒng)加工方式（1）毛壞退火，（2）粗加工，（3）半精加工，（4）淬火處理，（5）電極加工，（6）電加工，（7）局部精加工，（8）人工 拋光8b部分hsm方式rh高速精加工取代電加工，減少兩道工序6chsm方式（1

7、）毛坯淬火處理，（2）粗加工，（3）精加工，（4）超精加 工；（5）局部拋光。51. 高速加工提高了模具加工速度對(duì)精加工而言，從材料去除速度而言高速加工比一般加工快四倍以上。盡管高速加工 采取了非常小的進(jìn)給速度與切深，對(duì)粗加工而言高速加工45立方厘米/分的切削速度。（2）高速加工叮獲得高質(zhì)量的加工表面兇高速加工采取了及小的進(jìn)給量與切深，故可獲得很高的表面質(zhì)量，有吋其至可以省 去鉗工修光的工序，因表面質(zhì)量的提高省去了修光及點(diǎn)火花等工序所節(jié)約的吋間。（3）簡(jiǎn)化了加工工序傳統(tǒng)銃削加工只能在淬火2而進(jìn)行，因淬火造成的變形必須耍手工修整或用電加工最 終成型?，F(xiàn)在這些可以通過(guò)高速加工完成，省去了電極材料、

8、電極加工編程及加工、 以及電加工過(guò)程的所有費(fèi)用，而且沒(méi)有電加工的表面硬化。另外，高速加工由于切削 的減少，可使用更小直徑的刀具，可對(duì)加工出模具更小的圓角半徑及模具細(xì)節(jié)加工， 節(jié)省掉部分加工或手工修整工藝。減少人工修光時(shí)間、簡(jiǎn)化的工藝對(duì)縮短生產(chǎn)周期的 貢獻(xiàn)甚至可超過(guò)高速加工速度提高的部分。（4）可十分方便地用于模貝修復(fù)過(guò)程模具在使用過(guò)程往往需要多次修復(fù)，以延長(zhǎng)使用壽命，過(guò)去主要是靠電加工來(lái)完成， 采用高速加工可以更快地完成該工作，而且可使用原nc程序，無(wú)須重新編制，盡可 精確。四. 高速加工（hsm）對(duì)機(jī)床、刀具的要求1. 高速加工對(duì)機(jī)床的要求： 高的主軸速度：1200040000r.p.m 高

9、的進(jìn)給速度：40-60m/min 快速移動(dòng)速度:90m/min加速度為1g高剛性的機(jī)械結(jié)構(gòu)高穩(wěn)定、高剛度、冷卻良好的高速主軸精確的熱補(bǔ)償系統(tǒng)高速處理能力的控制系統(tǒng)（線性插補(bǔ)5-20microns或nurbs插補(bǔ)功能）具有預(yù)處理能力（向前看）的控制系統(tǒng)2. 高速加工對(duì)刀具及裝夾的要求：刀夾、刀具的加速度小于3g刀具的徑向跳動(dòng)小f0.015mm 一般刀長(zhǎng)不大于四倍的刀具直徑0 1 irc4ft hrctin coatedtich coatedtitanium nitridetisnium sarben nrtrhe40 hr匸45 upcit you dadee cd use tialn coat

10、ed cutira 疋& a itte nx)re irro rar you.klax rernuvdrdl«(g 50h of tool dia: 50% cjtling width妁j) 1 葉 uriul cia . 10% onedtjli (ca*. * s% cf tool diazdssli qjtiing ,4±h(ad? ufludi cid 0% cne likdiii (se » * 0% of tod dia: do% cjtling 3idth(ad) 5 utludi cid . s% crie dt-dlli五.高速加工（hs

11、m）對(duì)cam系統(tǒng)的要求高速加工冇著與傳統(tǒng)加工特殊的加工工藝要求.而數(shù)控加工的數(shù)控指令包含了所冇的 工藝過(guò)程.故應(yīng)用于高速加工的數(shù)控口動(dòng)編程系統(tǒng)_cam系統(tǒng)必須能夠滿足相應(yīng)的特 殊要求.1. cam系統(tǒng)應(yīng)具冇高計(jì)算編程速度高速加工中采用非常小的切給量與切深，故nc程序比對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)要求要大的多，故 要求計(jì)算速度要快、要方便節(jié)約編程時(shí)間。另外快的編程速度使操作人員能夠?qū)Χ喾N 加工工藝策略比較，以便采取最佳的工藝方案，并對(duì)刀貝軌跡進(jìn)行編輯、優(yōu)化，以達(dá) 到最佳的加工效率。2. 全程自動(dòng)防過(guò)切處理能力及自動(dòng)刀柄干涉檢查高速加工以傳統(tǒng)加工近10倍的切削速度加工.一旦發(fā)生過(guò)切，其后果不堪設(shè)想.故 cam系統(tǒng)必

12、須具有全程口動(dòng)防過(guò)切處理能力傳統(tǒng)的曲面cam系統(tǒng)是局部加工的概 念，極容易發(fā)生過(guò)切現(xiàn)象.一般都是靠人工選擇干預(yù)的辦法來(lái)防止.很難保證過(guò)切防護(hù) 的安全性.只有新一代的、智能化的、面向?qū)ο蟮腸am系統(tǒng)，防過(guò)切處理全部由系統(tǒng) 自動(dòng)完成，才能真正保證其安全性。高速加工的重要特征之一就是能夠使用較小直徑的刀具，加工模具的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)能夠cj動(dòng)提示最短夾刀長(zhǎng)度并口動(dòng)進(jìn)行刀具干涉檢查對(duì)高速加工非常重耍o3. 進(jìn)給率優(yōu)化處理功能為了能夠確保最大的切削效率，乂保證在高速切削時(shí)加工的安全性。應(yīng)根據(jù)加工瞬時(shí) 余量的大小，cam系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)進(jìn)給率進(jìn)行優(yōu)化處理。以確保高速加工刀具受力狀態(tài)的 平穩(wěn)性。t ool data

13、; 3.0 3.0 50.0writing: 6bn_semloptcutquit4. 豐富的符合高速加工耍求的加工策略高速加工對(duì)加工工藝走刀方式與傳統(tǒng)方式機(jī)能有著特殊要求，因而要求cam系統(tǒng)能夠 滿足這特定的工藝要求：（1）應(yīng)避免刀具軌跡屮走刀方向的突然變化，以免因局部過(guò)切而造成刀具或設(shè)備的損 壞；（2）應(yīng)保持刀貝軌跡的平穩(wěn)，避免突然加速或減速；（3）下刀或行間過(guò)度部分最好采用斜式下刀或圓弧下刀，避免垂直下刀直接接近工件 材料；（4）行切的端點(diǎn)采用圓弧連接，避免直線連接；（5）除非情況必須如此，仍應(yīng)避免全力寬切削；（6）殘余量加工或清根加工是提高加工效率的重要手段，一般應(yīng)采用多次加工或采用系

14、列刀具從大到小分次加工，以達(dá)到所需尺寸，避免用小 刀一次加工完成；（7）刀具軌跡編輯優(yōu)化功能非常重要，避免多余空刀，可通過(guò)對(duì)刀具軌 跡的像、復(fù)制、旋轉(zhuǎn)等操作，避免重復(fù)計(jì)算；（8）刀具軌跡裁剪修復(fù)功能也很重要，可通過(guò)精確裁剪減少空刀提高效 率，也可用于零件局部變化零件編程，只要編輯修改邊際，無(wú)須對(duì)整個(gè) 模型重新編程。5. 高速加工對(duì)programmer的要求與編程方式的改變：采用高速加工設(shè)備z后，對(duì)編程人員的需求量將會(huì)增加，因高速加工工藝要求嚴(yán)格， 過(guò)切保護(hù)更加重耍，故需花多的時(shí)間對(duì)nc指令進(jìn)行仿真檢驗(yàn)，一般高速加工編程時(shí) 間比一般加工編程吋間要長(zhǎng)的多，而大大縮短了加工吋間。為了保證高速加工設(shè)備

15、足 夠的使用率，需配置更多的cam人員。發(fā)達(dá)國(guó)家另一個(gè)明顯的發(fā)展趨勢(shì)是機(jī)側(cè)編程方 式的興起。傳統(tǒng)cad/cam屮，nc指令的編制是由遠(yuǎn)離加工現(xiàn)場(chǎng)的cad/cam工程師來(lái)完成的, i大i編程與加工地點(diǎn)的分離，往往i大i為對(duì)加工工藝的理解不如操作人員專業(yè)，現(xiàn)場(chǎng)條件 不如現(xiàn)場(chǎng)操作清楚，往往需耍對(duì)nc指令進(jìn)行反復(fù)檢驗(yàn)與修改，而出現(xiàn)配合的矛盾， 影響止常使用。隨著cam系統(tǒng)的智能化水平提高，已經(jīng)出現(xiàn)了新一代獨(dú)立運(yùn)行的智能 化的cam專業(yè)系統(tǒng)，如：delcam公司的powermill, jt主要特點(diǎn)是面向?qū)ο笫菍?shí) 體加工方式而非傳統(tǒng)的曲而局部加工方式，只需加工工藝的輸入與選擇即可自動(dòng)化完 成編程操作，編程

16、的復(fù)雜程度與零件的復(fù)雜程度無(wú)關(guān)，只與加工工藝有關(guān)，故非常易 于掌握，只需兩天培訓(xùn)即可掌握使用。故在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家為了充分發(fā)揮nc設(shè)備操作 人員的優(yōu)勢(shì)，為縮短加工時(shí)間間隔，機(jī)側(cè)編程已經(jīng)成為逐漸流行的發(fā)展趨勢(shì)。六.高速加工（hsm）加工實(shí)例1.汽車車門外覆蓋件拉延模具模具尺寸：1400 x 1200 x 600模具重量：2500kg毛壞材料：ggg30材料碩度：hb240高速加工設(shè)備：mecof 5軸聯(lián)動(dòng)高速加工中心刀具類型球型刀球型刀端銃刀鑲刀材料cbn braie wei dectt1t1ai直徑：f (mm)20126410切削速度m/min630450340250350主軸速度ipm1600012000180002100011150進(jìn)給率mm/mm80006000500050001000切深(mm)().3().3().3().30.3進(jìn)刀量0.40.20.20.20.2理論coesps0.0020.008-刀具磨損量<0.01-編程誤差0.0050.