甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系副教授 劉玉春

模具作為模壓產(chǎn)品生產(chǎn)的關(guān)鍵工裝，其設(shè)計(jì)與生產(chǎn)周期日益成為其新產(chǎn)品開發(fā)周期的決定因素。數(shù)控高速切削制造技術(shù)促進(jìn)了機(jī)械冷加工制造業(yè)的飛速發(fā)展，革新了產(chǎn)品設(shè)計(jì)概念，如通過采用整體件加工取代零部件的分項(xiàng)制造裝配，提高了加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品制造周期。高速切削加速了汽車、模具、航空、機(jī)械、光學(xué)、家電等產(chǎn)品的更新?lián)Q代，加速了制造技術(shù)與裝備的升級(jí)，推動(dòng)了企業(yè)技術(shù)進(jìn)步。本文以手機(jī)外殼模具高速銑削加工為例來闡述數(shù)控銑床高速切削加工的優(yōu)勢。

高速切削加工應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)控高速切削加工作為模具制造中最為重要的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)，是集高效、優(yōu)質(zhì)、低耗于一身的先進(jìn)制造技術(shù)。在常規(guī)切削加工中備受困擾的一系列問題，通過高速切削加工的應(yīng)用得到了解決。而且在高速銑削CNC加工中心上，模具一次裝夾可完成多工步加工。這些優(yōu)點(diǎn)在資金回轉(zhuǎn)要求快、交貨時(shí)間緊急、產(chǎn)品競爭激烈的模具、3C等行業(yè)是非常適宜的。

高速加工切削系統(tǒng)主要由可滿足高速切削的高速加工中心、高性能的刀具夾持系統(tǒng)、高速切削刀具、安全可靠的高速切削CAM軟件系統(tǒng)等構(gòu)成，因此，高速加工實(shí)質(zhì)上是一項(xiàng)大的系統(tǒng)工程。在這項(xiàng)工程中對(duì)數(shù)控編程系統(tǒng)的要求越來越高，價(jià)格昂貴的高速加工設(shè)備對(duì)軟件提出了更高的安全性和有效性要求。高速切削有著比傳統(tǒng)切削特殊的工藝要求，除了要有高速切削機(jī)床和高速切削刀具外，具有合適的CAM編程軟件也是至關(guān)重要的。高速切削編程首先要注意加工方法的安全性和有效性；其次，要盡一切可能保證刀具軌跡光滑平穩(wěn)，不然會(huì)直接影響加工質(zhì)量和機(jī)床主軸等零件的壽命；最后，要盡量使刀具載荷均勻，不然會(huì)直接影響刀具的壽命。

在高速銑削編程中的常用策略和常用CAM軟件

高速加工包括以去除余量為目的的粗加工、殘留粗加工，以及以獲取高質(zhì)量的加工表面及細(xì)微結(jié)構(gòu)為目的的半精加工、精加工和鏡面加工等。高速精加工策略包括三維偏置、等高精加工和最佳等高精加工、螺旋等高精加工等策略。這些策略可保證切削過程光順、穩(wěn)定，確保能快速切除工件上的材料，得到高精度、光滑的切削表面。精加工的基本要求是要獲得很高的精度、光滑的零件表面質(zhì)量，輕松實(shí)現(xiàn)精細(xì)區(qū)域的加工，如小的圓角、溝槽等。

一般情況下，高速加工編程時(shí)間比一般加工編程時(shí)間要長得多。為了保證高速加工設(shè)備足夠的使用率，需配置更多的CAM人員。高速切削有著比傳統(tǒng)切削特殊的工藝要求，除了高速切削機(jī)床和高速切削刀具，具有合適的C A M編程軟件也是至關(guān)重要的。國內(nèi)外比較成熟、適用于高速加工編程的有美國EDS公司UnigraphicsNX、英國DelCAM公司的PowerMill、以色列的Cimatron軟件。

手機(jī)外殼模具高速銑削加工應(yīng)用案例

在現(xiàn)代化的模具生產(chǎn)中，隨著對(duì)零件功能要求的提高，零件內(nèi)部結(jié)構(gòu)也變得越來越復(fù)雜，相應(yīng)的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造工藝方法也隨之復(fù)雜化。例如在手機(jī)模具制造中所采用的新的設(shè)計(jì)制造工藝方法路線：首先利用Pro/ENGINEER或MasterCAM等先進(jìn)的CAD/CAM軟件進(jìn)行產(chǎn)品的3D圖形設(shè)計(jì)，如圖1所示手機(jī)外殼3D設(shè)計(jì)圖；然后根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)，生成模具型腔分模圖，如圖2所示手機(jī)外殼分模圖；再在MasterCAM中根據(jù)模具型腔的特點(diǎn)繪制CNC數(shù)控加工工藝圖，擬定數(shù)控加工工藝路線，輸入加工參數(shù)，生成刀具路徑；最后進(jìn)行三維加工動(dòng)態(tài)仿真，生成加工程序，并輸送到數(shù)控機(jī)床進(jìn)行自動(dòng)加工。這些加工步驟是現(xiàn)代化模具生產(chǎn)的過程和發(fā)展趨勢，它使復(fù)雜模具型芯的生產(chǎn)簡化為單個(gè)機(jī)械零件的數(shù)控自動(dòng)化生產(chǎn)，全部模具設(shè)計(jì)和數(shù)控加工編程過程都可以借助CAD/CAM軟件在計(jì)算機(jī)上完成。它改變了傳統(tǒng)的模具制造手段，有效地縮短了模具制造周期，大大提高了模具的質(zhì)量、精度和生產(chǎn)效率。

圖1 手機(jī)外殼3D設(shè)計(jì)圖

圖2 手機(jī)外殼分模圖

這個(gè)應(yīng)用案例是采用高速銑機(jī)床MIKRONHSM500加工手機(jī)外殼模具。該機(jī)型行程：500mm×450mm×350mm，快移速度40m/min，加速度1.7g，刀庫數(shù)量36把，主軸轉(zhuǎn)速42 000r/min，刀柄型號(hào) HSK E40，數(shù)控系統(tǒng)海德漢iTNC530。

該試件材料：S136H鋼，硬度52HRC，尺寸：170mm×110mm×50mm。該加工的難度在于材料硬度高，在一些細(xì)小部分要反復(fù)地使用小刀具（1mm直徑的刀具），分型面要求很高的精度，在加工中，需要在精度、表面粗糙度和加工效率上這些相對(duì)矛盾的因素中做出最佳選擇。最后加工出來的結(jié)果比較好，圖3為手機(jī)外殼模具加工成形圖。粗加工時(shí)間用了2h54min，精加工時(shí)間用了4h5min，總的時(shí)間約7h，最后的表面粗糙度值Ra＝0.26μm。從這個(gè)例子中可以看出，利用高速銑削，可以加工越來越硬的材料，原來不能用銑削工藝的，現(xiàn)在完全可以。由于主軸轉(zhuǎn)速越來越高，就可以選擇用越來越小的刀具，從而拓展了銑削加工的范圍。

圖3 手機(jī)外殼模具加工成形圖

結(jié)語

伴隨著國內(nèi)數(shù)控機(jī)床行業(yè)的快速發(fā)展，高速度、亞微米精加工時(shí)代已經(jīng)來臨，由于3C產(chǎn)品多樣化而快速生產(chǎn)的特點(diǎn)，使得精密小型快速加工需求攀升，高速切削機(jī)床的市場容量急劇增加。所以高速加工技術(shù)是未來切削加工的方向，它將極大地促進(jìn)加工效率的提高和產(chǎn)品品質(zhì)的改善。正如前文所述，高速加工是一個(gè)系統(tǒng)工程，必須從軟件、硬件及設(shè)備方面全方位地改革創(chuàng)新，才能發(fā)揮其具有傳統(tǒng)加工無可比擬的優(yōu)勢。