【摘要】介绍了高速切削加工技术在模具制造中的应用优势,以及高速切削加工模具型腔的工艺方案，主要包括加工方法、刀具和应用PowerMILL软件在模具型腔加工中的加工策略等内容。以塑料玩具兔注射模型腔的制造为例，应用PowerMILL软件给出了工艺方案和高速切削加工参数。

      1 、引言

     根据1992年国际生产工程研究会（CIRP）年会主题报告的定义，高速切削通常指切削速度超过传统切削速度5～10倍的切削加工。因此，根据加工材料的不同和加工方式的不同，高速切削的切削速度范围也不同。高速切削也包括高速铣削、高速车削、高速钻孔与高速车铣等，绝大部分应用的是高速铣削[1]。在模具制造业中，高速粗加工和淬硬后精加工也很有发展前途，并有取代电火花加工（EDM）和抛光加工的趋势。德国Droop公司生产的FOG2500铣床，主轴转速为10,000～40,000 转/min，可用于汽车车身冲压模具和塑料模具加工，加工零件表面粗糙度值可达Ra50μm，可取代电火花加工机床。欧洲和日本的汽车行业已开始使用高速加工中心实现精加工，用以代替人工操作的汽车模具光制、压铸件人
工精制及CNC研磨加工。随着科学技术的进步，高速切削加工技术得到了突破性进展，必然会在航空航天、模具、汽车等行业中产生了巨大的技术经济效益。

      2 、高速切削加工优越性

     近年来，由于高速切削加工和常规切削加工相比，在提高生产率、减少热变形和切削力以及实现高精度、高质量零件加工方面具有显著的优越性，因此，高速切削加工设备越来越引起人们的关注。高速切削加工的优点主要有以下几点：

     （1）加工效率高。采用高速切削技术能使整体加工效率提高几倍乃至几十倍，将使加工成本相应降低。在现代制造过程中，随着自动化程度的提高，辅助时间、空行程时间已大大减少，有效切削时间成为零件制造时间的主要部分。显然，随着切削速度的提高切削时间将迅速减少[2]。

     （2）加工精度高。高速切削具有较高的材料去除率并能相应减小切削力。对同样的切削层参数，高速切削的单位切削力明显减小，零件在加工过程中受力变形显著减少，提高了加工精度。另外，高速切削加工时将粗加工、半精加工和精加工合为一体，避免了由于多次装夹带来的定位误差。

     （3）表面质量好。高速切削时的切削力变化幅度小，与主轴转速有关的激振频率也远远高于切削工艺系统的高阶固有频率，因此切削振动对加工质量的影响很小。同时，高速切削使传入零件的切削热的比例大幅度减小，有利于获得低损伤的表面结构和保持良好的表面物理性能及力学性能。

      （4）加工能耗低且节省制造资源。高速切削时，单位功率所切削的材料体积显著增加。有关资料表明，高速切削时，当主轴转速从4,000 转/min 提高到20,000转/min时，切削力降低了30%，而材料切除率却增加了3倍。切除率高、能耗低、零件在制的时间短，提高了能耗和设备的利用率，降低了切削加工在制造系统资源总量中的比例。

     （5）可加工各种难加工材料。对于镍基合金、钛合金等材料强度大、硬度高、耐冲击的材料，加工中容易硬化、切削温度高，刀具磨损严重。采用高速切削，切削速度可提高到100～1,000m/min，为常规切削速度的10倍左右，不但可大幅度提高生产效率，而且可有效地减少刀具磨损，提高零件加工的表面质量。

      3 、高速切削加工模具型腔的工艺方案

      3.1 加工方法选择

      根据零件轮廓的类型及其复杂程度来选择合适的加工方法，有助于实现高效的高速加工，表1为各种材料的切削速度范围。

                               表1 各种材料的切削速度范围

     选择加工方法时，要注意以下几点：

     （1）铣削复杂二维轮廓时，无论是外轮廓还是内轮廓，要安排刀具从切向进入轮廓进行加工。当轮廓加工完毕，刀具必须沿切线方向继续运动一段距离后再退刀，这样可避免刀具在零件上的切入点和退出点留下接刀痕迹。

     （2）铣削外圆可采用直线式切向进、退刀。
 
     （3）加工内轮廓时，可采取圆弧式切向进、退刀。
 
     （4）加工直纹面类零件时，可采取侧铣方式一刀成形。
 
     （5）一般立体型面尤其是较为平坦的大型表面，可以用大直径面铣刀端面贴近表面进行加工，这样切削次数少，残余高度小。
 
     （6）加工空间受到限制的通道加工和组合曲面的过渡区域加工，采用较大尺寸、刚性好的刀具进行加工，有利于提高加工效率和精度。
 
     （7）加工由薄壁分隔成的深腔型面时，所有的型腔不要一次加工完，采取每次加工一部分的方式，使所有型腔壁在两边都保持支承。
 
     （8）立铣刀加工薄壁件时，切削力的作用易导致零件和刀具的变形，因而在加工薄壁件时，采用小轴向切深的重复端铣，可提高加工质量。
  
     （9）加工无支承的薄底时，应先从支承最少的表面开始加工，刀具在抬刀前一直保持向下加工，并逐步向支承靠近，加工后的底面不可再次与刀具相接触。

     3.2 高速切削刀具的选择

     （1）刀具材料。高速切削刀具材料必须根据所加工的零件材料和加工性质来选择。一般来说，陶瓷刀具、TiC（N）基硬质合金（金属陶瓷）刀具、涂层刀具及PCBN刀具适合于钢铁材料的高速加工，而PCD刀具适合于对铝、镁、铜等非铁金属的高速加工。表2列出了各种刀具材料所适合的一些零件材料。

                       表2 各种刀具所适合加工的零件材料

     （2）刀具种类。在高速切削加工中，可应用各种形状与结构的刀具。通常直径较大的刀具使用可转位刀具，而直径较小的刀具为整体式。目前用于高速切削的刀具主要有：硬质合金涂层刀具、超细晶粒硬质合金刀具、TiC（N）基硬质合金刀具等。模具型腔的加工一般采用球头立铣刀，既可避免与型腔几何曲面发生干涉，又可避免普通铣刀中心区域切削速度低造成的麻烦。模具零件平面的粗、精加工则可采用带可转位刀片的立铣刀。

     （3）刀具切削参数。

  
     根据零件材料和加工工序，正确选择和优化切削参数，是保证高速切削能够达到预期效果的重要环节。在高速切削高速铣削模具时，应根据被加工材料并结合以往的加工经验，直接采用或参考刀具供应商提供的加工参数。表3为高速铣削加工选用的典型刀具（涂层）及相应的切削工艺参数[3]。

                            表3 典型的高速铣削加工刀具及参数

      3.3 PowerMILL在模具型腔加工中的应用

      PowerMILL是一独立的加工软件包，它可基于输入模型的数据快速产生无过切刀具路径。PowerMILL支持由Delcam其他产品产生的线框、三角形、曲面和实体模型，也支持通用格式如IGES 格式的模型数据。其主要分以下几点：

     （1）根据工艺路线，第一步是粗加工。用DelcamExchange输入零件模型。加工之前，必须确定零件的加工基准，注意使零件坐标系与机床坐标系一致。

     （2）计算毛坯，选择区域清除，确定每层的切削量，偏置方式，给出其他的切削参数如：加工余量、公差、快进高度等。当完成这些工作后，生成刀路。
 

     （3）仔细观察刀轨，利用加工仿真工具，对毛坯进行试切削加工，防止过切等问题。输出刀位文件，由后置处理工具Ductpost，将它转为不同机床所用的NC程序。

      （4）同样是铣加工的精加工。在这步加工中绝大多数型腔面将被加工到尺寸。很多情况下，还要做清根处理，重新生成一遍程序即可[4]。

       4 、典型模具型腔的高速切削加工

      4.1 零件结构特点分析
 

      玩具兔注射模型腔是在一个长方体底座上，如图1所示。底座为加工实体模型时提供装夹位置，保证加工时夹持稳定。模型的上面是自由曲面，零件选用铝材。为了提高曲面的加工质量和加工效率，应选择高转速、大切削速度。此外，还应设置较小的步距宽度。由于切削余量很大，粗加工之前应安排半精加工。

      4.2 零件加工工艺方案确定

      （1）粗加工。ϕ20mm、R4mm的圆角面铣刀，采用“偏置区域清除模型”的刀具路径，去除型腔上面的大部分余量。

      （2）二次粗加工。ϕ12mm、R3mm的圆角面铣刀，采用“偏置区域清除模型”的刀具路径，切除型腔表面粗加工后剩余的余量。

      （3）精加工。ϕ6mm的球头刀，采用“精加工”中的“等高精加工”刀具路径，对兔子型腔模具表面进行精加工。

      （4）清角精加工。ϕ4mm、R0.5mm的圆角面铣刀，采用“精加工”中的“多笔清角精加工”刀具路径，对零件拐角处进行清角精加工。

      4.3 利用PowerMILL软件生成加工程序

      （1）定义毛坯。打开PowerMILL操作界面，单击菜单“文件”—“输入模型”，选择打开兔子注塑模具型腔。单击“毛坯”按钮，打开“毛坯”对话框，在“界限”选项中输入长110mm、宽90mm、高43.5mm等3个方向的极限坐标，如图2所示。

      （2）产生刀具。在刀具工具栏中单击选择“刀尖圆角端铣刀”和“球头刀”对话框，设置参数如表4所示。

                                        表4 刀具的规格参数

 
 
      （3）粗加工、二次粗加工和精加工在主工具栏单击“刀具路径策略”按钮，选择“三维区域清除”选项卡，单击“偏置区域清除模型”，参数设置如图3所示。单击“进给和转速”对话框，设置参数如图4所示。单击打开“快进高度”对话框，设置参数如图5所示。在粗加工刀具策略对话框中单击“应用”，进行粗加工。

         图3 粗加工刀具策略

         图4 粗加工“进给和转速”对话框

       图5 “快进高度”对话框
 

       图6 二次粗加工刀具策略
 

       图7 二次粗加工的进给与转速
 

       图8 精加工的刀具策略—等高精加工

       二次粗加工设置参数如图6、图7所示，同样单击应用，进行二次粗加工。在主工具栏中单击刀具路径策略按钮，选择“精加工”选项卡，选择“等高精加工”，作如图8所示参数设置，在“进给和转速”对话框中，设置参数如图9所示，并单击“应用”按钮，进行精加工。最后，选择“多笔清角精加工”，对零件各拐角进行清根处理。

      （4）生成加工程序右键单击左边树状结构“NC程序”下“刀具路径”中的“D20R4-chu”——“产生独立的NC程序”，如图10所示。弹出“NC程序”对话框，在对话框中设置NC 程序输出相关参数，如图11 所示。单击“NC程序”依次对程序进行后处理，用记事本打开即可得到玩具兔注射模型腔的自动加工程序。右键单击各刀具路径，在弹出的菜单中选择“自开始仿真”，得到图12所示的兔子注射模型腔仿真加工图。

       图9 精加工时的进给与转速

       图10 产生NC程序菜单

       图11 “NC程序1”对话框

        
  
       图12 玩具兔注射模型腔的仿真加工

       5、 结论

       （1）高速加工不但可以成倍地提高生产效率，还可进一步改善零件的加工精度和表面质量，解决一些常规加工中难以解决的某些特殊材料的高效加工问题，具有传统加工无可比拟的优势。模具零件的高速加工也是一项系统工程，必将成为现代机械制造技术必然的发展方向。

       （2）PowerMILL软件在模具制造中的应用，是走向现代化制造的成功典范，它使广大的制造人员从繁杂的手工编程与计算中解脱出来，使制造工作更加人性化、轻松而富有活力。

       （3）必须指出：高速切削并非无所不能，例如，对一些尖角或小的拐角半径、窄槽（ 长径比超过规定值）、微小深孔、过于复杂的型腔表面等的精密加工，高速切削就显得比较困难，而这恰恰是电火花成形加工的强项。因此，在实际的模具生产中，高速切削加工还不能完全替代电火花成形加工，两者应该扬长避短、相辅相成。