用高速切削加工模具

撰稿：兰生数控机床销售有限公司  范琦

 

模具是制造业中用量大、影响面广的工具产品。模具技术是衡量一个国家的科技水平的重要标志之一，没有高水平的模具就没有高质量的产品。目前，工业产品零件粗加工的 75 ％、精加工的 50 ％及塑料零件的 90 ％将由模具完成的。

模具工业也被称为皇冠工业，不衰落工业。目前，人类社会正在从钢铁时代向聚合物时代过渡，工业及生活中使用的工程塑料、橡胶，已远超过钢铁。聚合物必须用模具成型，因此，模具应用量不断扩大。另一方面，随着产品更新换代速度加快，模具就成为新品开发的关键。 1990 年，模具交货期一般为 24 个月，到 1995 年缩短至 12 个月，目前进一步缩短至 9 个月，这就对模具传统加工工艺提出了挑战。

模具的机械加工主要是加工出曲面形状，模具加工一般使用数控铣床或加工中心，大部分的加工时间是花在半精加工和精加工上。由于铣削总是留有刀纹，最后要用很多时间手工修光。同时，由于模具大多由高硬度、耐磨损的合金材料制造，加工时难度较大，广泛采用的电火花（ EDM ）加工及成形传统工艺，是造成加工模具低效率的主要原因。用高速切削加工（ HSM ）代替 EDM （或大部分代替）是加快模具开发速度，实现工艺换代的重大举措。高速切削应用于模具制造业，将会很大程度提高产品的生产率和质量。图10-12.

采用高速加工模具主要有两方面的优势：

 1 ）高速切削大大提高加工效率，不仅机床转速高、进给快，而且粗、精加工可一次完成，极大地提高了模具生产率。结合 CAD / CAM 技术，模具的制造周期可缩短约 40 ％。

 2 ）采用高速切削可加工淬硬钢，硬度可达 60HRC 左右，可得到很高的表面质量，表面粗糙度低于 Rao.6μm ，取得以铣代磨的加工效果，不仅节省了大量修光时间，还提高了加工的表面质量。

 高速加工模具实例

 1 ．减少加工时间

图10-13的旋钮模具,由于加工的表面质量很高，省去了抛光工序。

参数：

尺寸： 60mm*60mm*50mm ；

材料硬度： 56HRC；

粗加工： 20 000r / min , 4 000mm / min ；

精加工： 30 000r / min , 3 000mm / min ；

最小半径： Rlmm ; Rl .5mm；

表面粗糙度： Ra≈0.6μm ；

加工时间： 78min。

2 ．半精加工和精加工一次完成加工淬硬钢模具

图10-14是淬硬的钢模具，硬度高达 60HRC。采用高速切削加工，半精加工和精加工一次完成，可有效降低表面粗糙度，不仅节省了生产时间，较之电火花加工，也降低了成本。

 

材料：硬度为 60HRC 的 Stavax 材料；

尺寸： 120mm*150mm*50tnm；

粗铣： 23 000r / min , 7 000mm / min ；

精铣： 36 000r / min , 5 000mm / min；

加工时间： 157min；

用φlmm 铣刀铣切螺纹轮廓；

表面质量最佳；

不再需要钳工工序。

3 ．高速加工电火花加工用工具电极

高速加工图10-15中的石墨电极，比普通加工快 12 倍，而且不需要手工修整。高速加工铜电极，粗铣：主轴转速 35 000r / min ，进给速度 6m / min；精铣：主轴转速 40 000r / min ，进给速度 8m / min 。整个加工时间为 29min ，提高了工具电极的加工速度。

 

4 ．高速加工小模具

在小模具加工中，常有大曲率的凹凸表面。为了不损伤模具，一般不能采用五轴加工，而用三轴球头铣刀加工。通常铣削加工只能切出大致形状，然后用手工修整。在钢件模具加工中，高速铣用来半精加工和精加工。采用小直径的铣刀高速铣削，可以提高模具轮廓精度，为手工修整提供了更好的条件。如图10-17所示的生产旋钮开关用的模具.

技术数据：

尺寸： 50mrn X 50mrnX30mm ;

粗铣：24 000r / min , 7 500mm / min ；

精铣：35000r / min , 7 000mm / min ；

加工时间： 39min；

表面粗糙度： Ra0.4μm ；

不再需要钳工工序；

缩短加工时间。

5．高速加工模具模型

有时为了实验和分析形状比较复杂的模具，要先做一个模型。做模型可以用比较软的材料，如铝等。采用高速数控铣床或加工中心，结合 CAD / CAM 技术可以在很短的时间内加工完成，同时还可以考察加工过程。

由于高速加工模具有一系列的优点，下面我们用一个模具制造厂的实例来看看高速加工所带来的效益。

美国现代工具系统（ Modern Tooling Systems ）模具公司（简称 MTS ）在使用高速切削技术后，使公司得到很大发展。他们认为高速切削技术是模具加工的支柱技术。

 MTS 公司 1990 年开始转向高速加工。现在，他们已经在压模制造方面小有名气。该公司生产注射模具、反作用注射模具（ RIM ）、吹模、冲模等各种模具。该公司主管说，高速切削减少了生产中钳工手工操作时间，使工厂的模具工业得到迅速发展。

该公司采用的高速机床主要参数如下：

控制系统： Fidia CNC 30 ；

主轴转速：25000r / min；

进给速度： 25m / min ；

加工的最大模具为 2000mmX1500mmX76Omm 。

要求表面质量很高的小模具也用这个机床加工。

该公司认为，花大价钱购买新机床的目的是减少手工精加工和抛光，提高生产率。使用结果表明，用小直径刀具小切削量加工，可以得到非常好的尺寸精度、形状精度和表面粗糙度，而且高速加工还省去了三分之一到二分之一的手工劳动时间。图10-18是一个加工载货汽车外壳模具实例.

加工参数：

粗加工刀具：直径 25 . 4mm 的球头铣刀；

精加工刀具：直径 smm 的球头铣刀；

机床主轴转速： 9000r / min ；

进给速度：200in / min；

达到表面粗糙度1μm 。

粗加工后不再用手工修整，只用油石抛光，手工操作时间减少了40％。

该公司使用高速切削生产各种模具，取得了很好的效益。在总结高速切削加工模具的技术和经验中，他们得出了如下结论：

 1 ）高速加工使工厂有可能减少或取消 EDM （电火花）加工。现在可以采用小直径刀具加工长而细的槽，也不要再做电极。

 2 ）减少了手工操作和 EDM ，降低了模具生产的辅助时间，特别是压模制造，提高生产量，降低成本。目前该公司每年的生产量达到 20 000 ~150000 副模具。以前该公司不大生产模具，由于有了高速加工，公司在这个领域有了很大发展。由于成本和供货期的要求，制造铝模型的优点是可以用来验证产品和加工过程，使产品具有更强的竞争能力。生产铝模型就像加工零件，可以用来实验和分析，而高速切削方法加工铝模型很方便。

 3 ）对于具有复杂曲面的模具和其他零件，利用高速切削可加工淬硬钢的特点，可用做精加工，取得以铣代磨的加工效果。为了避免刀具发生干涉，往往采用球头端铣刀加工复杂曲面。球头铣刀在加工时刀具刃口的线速度很低，加工出来的工件表面粗糙度很差，需要后续工序用手工修光或用电加工方法修光，要花费很多时间，特别是内加工修光，还要先做复杂的电极，而且修光工序往往破坏了模具的形状精度。采用高速切削后，不仅可以达到要求的表面质量，还省掉了修光工序，质量和效率都大大提高。

但是，用高速切削加工淬硬钢，对加工工艺和切削参数的选择要求较高，所采用的刀具也要精心选择。目前，比较成功的例子是采用 CBN 刀具进行加工。

MTS 模具公司在高速切削模具方面取得了很大成功，树立了提高生产率的典范。

在我国，模具生产同样是量大、面广，因此高速切削技术在模具行业的推广使用，有非常巨大的发展潜力和发展空间。

为了追求最终的高精度，一般希望在淬火以后进行精加工。在以前，对付淬硬模具唯一可以采用的加工手段是电加工。但是放电烧蚀是微切屑加工，效率极低。高速铣削淬硬钢效率可以高出几十倍而成为电加工的换代工艺。但是，对那些大型模具上具有深且窄的槽、小曲率半径圆弧曲面和清角等，高速铣削还是无能为力，因此不可能全部替代电加工。但可以用高速铣削进行粗、半精加工，用电加工做最后加工，仍可缩短模具加工周期。

硬铣削作为高效加工模具的新方法，在模具制造中得到了广泛应用。下面就用几个实例具体介绍高速铣削硬模具的工艺方法。

瑞士 Mikron 公司用 HSM700 高速铣加工的模具零件，见图 10 一 19 。

高速铣削和传统加工工艺比较：

采用传统工艺过程为：粗加工一线切割一淬火一 EDM 成形一抛光，加工工时为 50 ~6Oh；

采用 HSM 工艺过程为：粗加工一淬火一 HSC 一抛光，加工工时仅为 14 . 5h , 提高工效近4倍。

技术数据：

尺寸： 250mm X 200mmX80mm；

材料在未淬硬条件下的预加工；

普通方法的总加工工时

 ― 淬火

― 加工电极    55h；

― 电火花加工

― 抛光

高速切削方法的总加工工时：14 . 5h；

减少加工工时：75 ％。

高速切削淬硬钢模具，可以省去电火花加工。数据表明了和电火花传统工艺的对比结果。高速加工表面质量极佳，又可大幅度降低成本，可代替电火花加工方法，完全消除了因电火花加工所产生的微小裂纹，延长铸模的使用寿命。

美国肯纳金属公司高速铣削加工扳手模具，如图10-20所示。

刀具直径和材料：直径 10mm 和 4mm 的 TIAIN 铣刀；

机床主轴转速： 15 000r / min ；

 加工时间： 22min ；

粗、精铣一次完成，比起传统的电加工工艺，加工时间大大缩短。

国外某公司制作连杆锻模，用电火花加工型腔需 12~15h ，电极制作 2h 。改用高速硬铣削后，采用 Torus 立铣刀对硬度 60HRC 的淬硬工具钢进行加工，其相关工艺参数如表10-5  所示。整个锻模加工只需3h20min ，工效提高4~5倍，加工表面粗糙度 Ra0. 5 ~0.6μm，质量完全符合要求。