一．前言
當(dāng)今企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)集中表現(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)周期日益成為決定新產(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，F(xiàn)ORD及TOYOTA新車型的開發(fā)周期僅為一年半，這一切都得益于企業(yè)模具設(shè)計(jì)與制造手段的現(xiàn)代化水平的提高。
汽車車門外覆蓋件拉延模具的高速加工
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)展而日益成熟。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(guó)模具工業(yè)技術(shù)改造最主要的內(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(duì)加工設(shè)備、刀具夾具及相應(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(shì)等問題一直成為我國(guó)模具行業(yè)的主要問題之一。
英國(guó)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有大型模具加工車間的CAD/CAM軟件系統(tǒng)開發(fā)商。Delcam公司模具車間自1985年購(gòu)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)高速加工中心，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HSM現(xiàn)場(chǎng)加工展示會(huì)，來自世界各地的一百多位專家介紹了各自的經(jīng)驗(yàn)。
高速加工技術(shù)在我國(guó)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(duì)設(shè)備、刀具的特殊要求以及高速加工對(duì)CAD/CAM系統(tǒng)的特殊要求。故將Delcam HSM技術(shù)研討會(huì)暨HSM現(xiàn)場(chǎng)加工展示會(huì)的資料整理成文，希望與我國(guó)從事模具高速加工的工程技術(shù)人員交流。本文所提出的觀點(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)于高速加工的定義
六十多年前，Salomon提出高速加工的概念并對(duì)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)楦咚偌庸ぁＳ纱艘部煽闯?，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發(fā)展起來的，高水平合金涂層刀具的壽命不時(shí)主要的限制因素。高速加工主要受設(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50000~60000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(duì)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(shì)
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)單位時(shí)間最大材料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(duì)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(shì)如下：
HSM與傳統(tǒng)加工方式在模具制造工序上的變化：
高速加工提高了模具加工速度
對(duì)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(duì)粗加工而言高速加工45立方厘米/分的切削速度。
（2）高速加工可獲得高質(zhì)量的加工表面
因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，有時(shí)甚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)約的時(shí)間。
（3）簡(jiǎn)化了加工工序
傳統(tǒng)銑削加工只能在淬火之前進(jìn)行，因淬火造成的變形必須要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、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(duì)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(jiǎn)化的工藝對(duì)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具修復(fù)過程
模具在使用過程往往需要多次修復(fù)，以延長(zhǎng)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(duì)機(jī)床、刀具的要求
高速加工對(duì)機(jī)床的要求：
★ 高的主軸速度：12000~40000R.P.M
★ 高的進(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)
高速加工對(duì)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)小于0.015MM
★ 一般刀長(zhǎng)不大于四倍的刀具直徑
五．高速加工（HSM）對(duì)CAM系統(tǒng)的要求
高速加工有著與傳統(tǒng)加工特殊的加工工藝要求. 而數(shù)控加工的數(shù)控指令包含了所有的工藝過程. 故應(yīng)用于高速加工的數(shù)控自動(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)具有高計(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(duì)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(duì)刀具軌跡進(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)必須具有全程自動(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蟮腃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)能夠自動(dòng)提示最短夾刀長(zhǎng)度并自動(dòng)進(jìn)行刀具干涉檢查對(duì)高速加工非常重要。
3．進(jìn)給率優(yōu)化處理功能
為了能夠確保最大的切削效率，又保證在高速切削時(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(duì)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。
4．豐富的符合高速加工要求的加工策略
高速加工對(duì)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)避免刀具軌跡中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)保持刀具軌跡的平穩(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(duì)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(duì)整個(gè)模型重新編程。
5．高速加工對(duì)Programmer的要求與編程方式的改變：
采用高速加工設(shè)備之后，對(duì)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)更加重要，故需花多的時(shí)間對(duì)NC指令進(jìn)行仿真檢驗(yàn)，一般高速加工編程時(shí)間比一般加工編程時(shí)間要長(zhǎng)的多，而大大縮短了加工時(shí)間。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。發(fā)達(dá)國(guó)家另一個(gè)明顯的發(fā)展趨勢(shì)是機(jī)側(cè)編程方式的興起。
傳統(tǒng)CAD/CAM中，NC指令的編制是由遠(yuǎn)離加工現(xiàn)場(chǎng)的CAD/CAM工程師來完成的，因編程與加工地點(diǎn)的分離，往往因?yàn)閷?duì)加工工藝的理解不如操作人員專業(yè)，現(xiàn)場(chǎng)條件不如現(xiàn)場(chǎng)操作清楚，往往需要對(duì)NC指令進(jìn)行反復(fù)檢驗(yàn)與修改，而出現(xiàn)配合的矛盾，影響正常使用。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，其主要特點(diǎn)是面向?qū)ο笫菍?shí)體加工方式而非傳統(tǒng)的曲面局部加工方式，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(guó)家為了充分發(fā)揮NC設(shè)備操作人員的優(yōu)勢(shì)，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(shì)。
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
毛坯材料：GGG30 材料硬度：HB240
高速加工設(shè)備：Mecof 5軸聯(lián)動(dòng)高速加工中心
高速加工的時(shí)間：
高速加工與傳統(tǒng)數(shù)控加工的時(shí)間比較：
高速加工時(shí)間：16小時(shí)5分，手工修復(fù)：15小時(shí)，總計(jì)：37.5小時(shí)
傳統(tǒng)加工時(shí)間：50小時(shí)，鉗工修復(fù)：90小時(shí)，總計(jì)；140小時(shí)
