摘要：高速硬銑削模具

　　在上世紀(jì)90年代中期，高速銑削工藝被引入模具制造，特別是與硬加工相聯(lián)系的高速銑削技術(shù)在模具制造業(yè)中推廣應(yīng)用是模具制造技術(shù)的一次重大變革。通過(guò)高速硬銑削工藝對(duì)一次裝夾下的模具進(jìn)行綜合加工，不僅可大幅度減少加工時(shí)間、改善型面的表面質(zhì)量和加工精度，而且可以簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝流程，從而顯著縮短模具的制造周期，降低模具的生產(chǎn)成本。

　　采用高速硬銑削加工模具，大多數(shù)情況下可節(jié)省制造電極、電火花加工和拋光三道工序。在90年代末，高速硬銑削已在許多加工場(chǎng)合(除一些窄縫、深槽和極小半徑的內(nèi)角加工外)替代了電火花加工。而近年來(lái)，由于微細(xì)銑刀(目前最小直徑為0.03～0.1mm的硬質(zhì)合金立銑刀已列入一些廠家的產(chǎn)品目錄)的開(kāi)發(fā)和微細(xì)銑削工藝的應(yīng)用，這使一些窄縫和極小半徑的內(nèi)角完全可以通過(guò)采用小直徑立銑刀來(lái)進(jìn)行加工，致使電火花加工的應(yīng)用范圍進(jìn)一步縮小。根據(jù)德國(guó)Frauhofer生產(chǎn)技術(shù)研究所2004年對(duì)工具和模具企業(yè)所進(jìn)行的咨詢表明，在今后幾年(至2008年)高速硬銑削在工具和模具加工工藝中所占份額將增長(zhǎng)20%，而電火花加工則將減少12%。由此可見(jiàn)，高速硬銑削工藝將愈來(lái)愈多地在模具制造業(yè)中得到推廣，這種高速硬銑工藝已成為模具加工的關(guān)鍵工藝。

　　高速硬銑削加工雖然給模具制造帶來(lái)諸多好處，但要卓有成效的應(yīng)用這種工藝，企業(yè)必須要具備一定的條件。也就是企業(yè)應(yīng)有較高職業(yè)素質(zhì)和經(jīng)驗(yàn)豐富的工藝人員和熟知加工工藝的編程人員，要有合適的高速加工機(jī)床，要配備適合于進(jìn)行高速硬銑的刀夾、刀具以及選用合理的切削參數(shù)等。

　　專業(yè)人員的素質(zhì)和經(jīng)驗(yàn)是重要前提

　　優(yōu)化模具的生產(chǎn)工藝流程，旨在減少加工工序和提高加工質(zhì)量，顯然采用高速硬銑工藝是這種優(yōu)化的主要途徑。

　　高速加工和CAD/CAM系統(tǒng)等高技術(shù)不僅意味著在加工裝備上的高投資，而且還需要有豐富行業(yè)經(jīng)驗(yàn)、能解決實(shí)際生產(chǎn)難題的專業(yè)人員。要依靠熟知生產(chǎn)工藝的人員，根據(jù)模具的幾何形狀、材質(zhì)、硬度和精度等要求來(lái)制定合理的生產(chǎn)工藝流程。在這里，硬銑工藝的抉擇，電火花加工的取舍，刀具形式、規(guī)格和數(shù)量，切削用量的確定，加工時(shí)采取何種冷卻潤(rùn)滑方式以及NC程序的編制等，都將影響到模具加工的生產(chǎn)效率、加工質(zhì)量和制造成本。

　　有一些模具生產(chǎn)企業(yè)在高速硬銑工藝方面尚缺少實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，如有些企業(yè)未經(jīng)過(guò)三軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床使用經(jīng)驗(yàn)的積累而直接購(gòu)置五軸聯(lián)動(dòng)加工中心。除聘用和培訓(xùn)專業(yè)人員外，與機(jī)床制造廠、刀具廠以及專業(yè)研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行合作是一個(gè)重要途徑。在模具加工中，進(jìn)行必要的工藝試驗(yàn)對(duì)優(yōu)化工藝過(guò)程也十分重要。例如我國(guó)一家玩具制造廠的注塑模，加工機(jī)床是德國(guó)Hermle公司C800V立式加工中心，采用9把不同類型的立銑刀和球頭銑刀，加工時(shí)采用大流量冷卻潤(rùn)滑，加工時(shí)間為125分鐘。為了制造型腔底部的花紋圖案，在銑削加工后接著要進(jìn)行電火花加工。根據(jù)中德“在中國(guó)工具和模具制造中的高速加工”研究項(xiàng)目，為優(yōu)化該模具的生產(chǎn)工藝流程，德國(guó)Darmstadt工業(yè)大學(xué)的生產(chǎn)管理、工藝和機(jī)床研究所(PTW)在Hermle公司的C30U加工中心上進(jìn)行了銑削試驗(yàn)，模具型腔底部的花紋圖案的加工并擬通過(guò)高速精銑工藝替代電火花加工。試驗(yàn)結(jié)果表明，目前加工只需采用6把刀具，減少了3把刀具，這樣，除節(jié)省刀具費(fèi)用外，還減少了換刀次數(shù)，從而減少了30%的輔助時(shí)間，整個(gè)加工時(shí)間僅需99分鐘，加工時(shí)間比原先減少了26%。加工時(shí)采用微量潤(rùn)滑，減少了刀具磨損。由于免去了電火花加工(也就省掉電極制造)，使花紋圖案的表面粗糙度降低了50%，同時(shí)也避免了由電火花加工造成的模具加工表層的損傷(白層)。

　　機(jī)床、刀具和刀夾是重要保證

　　為了高效和高質(zhì)量地進(jìn)行模具的硬銑加工，對(duì)機(jī)床、刀具和刀夾有很高的要求。

　　(1)機(jī)床

　　采用的高速加工中心應(yīng)有較高的主軸轉(zhuǎn)速、大的功率、高的剛性、高的動(dòng)態(tài)性能以及良好的阻尼特性，并備有快速的控制系統(tǒng)。目前，加工模具的高速機(jī)床，主軸轉(zhuǎn)速一般均在40000～42000(r/min)，如Mikro公司第一代高速銑削中心HSM400、HSM700和第二代的HSM600u(五軸聯(lián)動(dòng)高速銑削中心)，DMG的DMC100V，Hermle的C800V(36000r/min)，Digma的700GC、850HSC，Rers的RFM 600和PTW的Hi-Dyn(60000r/min)等。這樣的主軸轉(zhuǎn)速基本上能滿足常用小直徑銑刀(2～12mm)的加工需要。但是對(duì)于更小直徑的銑刀(0.2～1mm)，這樣的主軸轉(zhuǎn)速就不能使刀具達(dá)到理想的切削速度。例如，當(dāng)采用160m/min.的切削速度時(shí)，對(duì)于直徑為1mm的銑刀就需要51000r/min.的主軸轉(zhuǎn)速;而對(duì)于0.2mm的銑刀，則需高達(dá)250000r/min的轉(zhuǎn)速，而在主軸最高轉(zhuǎn)速為42000r/min的情況下，對(duì)于上述兩種銑刀只能分別以132m/min和26m/min較低的切削速度進(jìn)行銑削。例如一個(gè)齒輪模的加工，采用的最小銑刀直徑為0.2mm，機(jī)床主軸最高轉(zhuǎn)速為40000r/min，此時(shí)只能達(dá)到25m/min這樣低的切削速度。因此，為適應(yīng)微細(xì)切削的發(fā)展，需要開(kāi)發(fā)更高轉(zhuǎn)速的機(jī)床。

　　目前，高速加工機(jī)床的軸加速度一般達(dá)1～2g，個(gè)別有達(dá)到3g(Mikron的HPM800)。較高的軸加速度，意味著機(jī)床具有較高的動(dòng)態(tài)性能，這在加工模具的自由曲面、進(jìn)給方向不斷變化的情況下，仍可保持調(diào)定的進(jìn)給速度。從而有利于提高模具自由曲面的加工精度和表面質(zhì)量，據(jù)業(yè)界人士預(yù)測(cè)，機(jī)床的軸加速度在最近的3～4年內(nèi)可望達(dá)到3～5g。

　　五軸聯(lián)動(dòng)高速加工中心雖在價(jià)格上要比三軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床高很多，但它特別適合用來(lái)加工復(fù)雜曲面的型腔。在加工較深型腔和對(duì)凸臺(tái)清根時(shí)，可以通過(guò)附加的兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸(通過(guò)轉(zhuǎn)矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的C軸和B軸，可提供與直線軸相配匹的加速度和進(jìn)給速度)的同步運(yùn)動(dòng)從而可采用懸伸較短的立銑刀，由此增強(qiáng)了刀具剛性，并避免刀具和刀桿與型腔壁的碰撞，減少了刀具加工時(shí)的抖動(dòng)或刀具破損的危險(xiǎn)，從而有利于提高模具的表面質(zhì)量、加工效率和延長(zhǎng)刀具的壽命。

　　(2)刀具

　　高速硬銑最常用的是小直徑(12mm以下)立銑刀，主要有雙刃球頭銑刀、雙刃圓刀片銑刀、端齒六刃立銑刀和裝有兩個(gè)可轉(zhuǎn)位圓刀片的立銑刀。其中整體硬質(zhì)合金立銑刀則具有圓跳動(dòng)誤差小和剛性高的優(yōu)點(diǎn)。

　　合適的硬質(zhì)合金刀體、耐熱的硬涂層和負(fù)的刀具角度是硬銑獲得成效的重要刀具參數(shù)。銑刀主要采用具有很好韌性的精細(xì)晶粒(0.5～0.8μm)和超細(xì)晶粒(0.2～0.5μm)的硬質(zhì)合金制成。刀具的耐磨性則通過(guò)具有較高抗氧化性能和較低內(nèi)應(yīng)力的氮鋁化鈦(TiAlN)或TiAlCN涂層來(lái)改善，單涂層厚度為2～3μm，采用PVD工藝進(jìn)行涂覆。

　　目前，在有利的幾何邊界條件下，硬銑可以加工硬度為HRC65的工件，而在實(shí)際生產(chǎn)中，模具的硬度多數(shù)在HRC47～54范圍內(nèi)。

　　采用超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金和TiAlN涂層的銑刀，在硬銑時(shí)切削速度可達(dá)200～350m/min，每轉(zhuǎn)或每齒進(jìn)給量為0.1～0.2mm。

　　加工模具應(yīng)盡可能采用粗銑和精銑兩道工序，通過(guò)高速銑削銑去大部分材料余量，留接近成品輪廓的0.05mm加工余量，然后采用較小的行距寬度進(jìn)行精銑。所采用的行距寬度在很大程度上影響到加工時(shí)間、質(zhì)量和表面粗糙度。

　　(3)刀夾

　　加工模具時(shí)由于采用的是細(xì)長(zhǎng)的小直徑銑刀，銑削時(shí)切屑厚度較小，切削速度又高，加工過(guò)程易受圓跳動(dòng)誤差和振動(dòng)的影響。因此，要求刀夾不僅要具有回轉(zhuǎn)對(duì)稱的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)還要具有剛性好、圓跳動(dòng)誤差小、夾持力大和滑轉(zhuǎn)力矩高等特性。從綜合性能看，目前最能滿足這些要求的是一種采用空心錐柄(HSK)的熱裝冷縮式刀夾。這種刀夾的圓跳動(dòng)誤差僅為3μm(在懸伸長(zhǎng)度為3×d的檢驗(yàn)棒上測(cè)量)，如對(duì)于裝刀直徑為6mm的刀夾，可傳遞22Nm的轉(zhuǎn)矩。這種刀夾在模具加工中已較普遍采用，用來(lái)裝卸刀具的感應(yīng)加熱儀往往已作為模具高速加工機(jī)床的隨機(jī)配套附件。

　　為獲得較長(zhǎng)的刀具壽命和較好的加工表面質(zhì)量，機(jī)床—刀夾—刀具系統(tǒng)的圓跳動(dòng)誤差應(yīng)在12μm之內(nèi)，最好不要超過(guò)10μm，這就需要選用比普通銑刀更精密的銑刀，這種銑刀的圓跳動(dòng)誤差一般要在5μm之內(nèi)。這樣，如把主軸的圓跳動(dòng)誤差(一般是：主軸直徑φ70mm為2μm，φ90mm為2.5μm)，刀夾(3μm)和銑刀(5μm)的圓跳動(dòng)誤差按極限情況進(jìn)行疊加，其總的圓跳動(dòng)則達(dá)到10.5μm。

　　高速硬銑削時(shí)的潤(rùn)滑或冷卻

　　高速硬銑削時(shí)，在切削刀刃上會(huì)產(chǎn)生很高的溫度，如果采用冷卻液進(jìn)行冷卻潤(rùn)滑時(shí)，會(huì)使刀具產(chǎn)生急劇的溫度突變負(fù)荷，致使硬質(zhì)合金刀體中組織產(chǎn)生微細(xì)裂紋。這樣，刀具就會(huì)過(guò)早失效。因此，高速硬銑削時(shí)不宜采用冷卻液進(jìn)行冷卻潤(rùn)滑，應(yīng)采用干式硬加工。但是考慮到硬銑時(shí)的切削溫度是隨著工件硬度和切削速度的提高而增加，所以在工件硬度不是很高的情況下，在高速硬銑削時(shí)也可以考慮采用微量潤(rùn)滑。當(dāng)工件硬度很高時(shí)，這種微量潤(rùn)滑也會(huì)引起硬質(zhì)合金刀具產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱沖擊負(fù)荷。因此，對(duì)于這類高速硬銑削應(yīng)采用壓縮冷空氣進(jìn)行吹除切屑，以避免產(chǎn)生熱沖擊負(fù)荷，刀具壽命一般能提高20%～30%。此外，特別是對(duì)于六刃立銑刀，采用壓縮空氣吹屑還可避免加工時(shí)切屑的纏繞。

　　采用壓縮冷空氣吹屑時(shí)，壓縮空氣的壓力應(yīng)至少達(dá)到6巴(0.6MPa)。例如，一個(gè)硬度為HRC61的模具，在高速硬銑時(shí)，采用了壓力為6巴、冷卻至-30℃的壓縮空氣。根據(jù)德國(guó)Franken公司的介紹，這樣的壓縮冷空氣不僅有利于吹除切屑，并且在最有利的情況下可使刀具的耐用度提高30%。

　　在這里應(yīng)提及的是，這里所采用的壓縮冷空氣是通過(guò)一個(gè)專門(mén)的渦流管裝置將壓縮空氣加速至聲速，在加速過(guò)程中，使其分離成冷、熱兩部分，并分別引出，由此所產(chǎn)生達(dá)-30℃的冷空氣，再通過(guò)裝有噴嘴的塑料軟管對(duì)準(zhǔn)銑刀刀刃進(jìn)行吹屑。

　　高速硬銑削應(yīng)遵循的原則

　　由于模具的高速硬銑削能獲得較好的表面質(zhì)量、較短的加工時(shí)間和工藝流程、較低的加工費(fèi)用而得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在高速硬銑削模具時(shí)，為達(dá)到較好的效果，應(yīng)遵循下列原則：

　　(1)刀具的懸伸應(yīng)盡可能短，而在熱裝冷縮式刀夾中刀具刀柄應(yīng)有足夠長(zhǎng)的夾緊長(zhǎng)度。

　　(2)應(yīng)采用順銑方式，以便提高刀具的壽命(至少20%)和獲得較好的加工表面質(zhì)量。

　　(3)立銑刀的圓跳動(dòng)誤差應(yīng)盡可能小一些。

　　(4)應(yīng)放棄濕式加工，盡可能采用致冷的壓縮空氣進(jìn)行吹屑和冷卻刀具。

　　(5)應(yīng)根據(jù)模具的材質(zhì)、硬度和加工條件選用合適的切削速度和進(jìn)給速度。

　　(6)粗銑時(shí)應(yīng)盡可能切除大部分材料余量，即為精銑約留0.05mm的加工余量，免去半精銑工序以縮短生產(chǎn)工藝流程。