汽車模具高速加工技術(shù)

1、汽車模具高速加工技術(shù)dclcam中國公司揚(yáng)洪旗游波一. 前言當(dāng)今金業(yè)的競爭集屮表現(xiàn)在產(chǎn)品款式、新產(chǎn)品開發(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)品開發(fā)周期的決定因素。 在汽車工業(yè)中，過去新車型的開發(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)勢等問題一直成為我國模具行業(yè)的主要問題之一。英國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)開發(fā)商odelcam公司模具車間自1985年購進(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)場加工展示會(huì)，來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)，高速加工對設(shè)備、刀具的特殊要求以及高速加工對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)場加工展示會(huì)的 資料整理成文，希望與我國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、 以及電加工過程的所有費(fèi)用，而且沒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、簡化的工藝對縮短生產(chǎn)周期的 貢獻(xiàn)甚至可超過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)過程模具在使用過程往往需要多次修復(fù)，以延長使用壽命，過去主要是靠電加工來完成， 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，無須重新編制，盡可 精確。四. 高速加工（hsm）對機(jī)床、刀具的要求1. 高速加工對機(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)生過切現(xiàn)象.一般都是靠人工選擇干預(yù)的辦法來防止.很難保證過切防護(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)提示最短夾刀長度并口動(dòng)進(jìn)行刀具干涉檢查對高速加工非常重耍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，可通過對刀具軌 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，無須對整個(gè) 模型重新編程。5. 高速加工對programmer的要求與編程方式的改變：采用高速加工設(shè)備z后，對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， 過切保護(hù)更加重耍，故需花多的時(shí)間對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)國家另一個(gè)明顯的發(fā)展趨勢是機(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)場的cad/cam工程師來完成的, i大i編程與加工地點(diǎn)的分離，往往i大i為對加工工藝的理解不如操作人員專業(yè)，現(xiàn)場條件 不如現(xiàn)場操作清楚，往往需耍對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)國家為了充分發(fā)揮nc設(shè)備操作 人員的優(yōu)勢，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。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.