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日本模具制造业中高速铣削技术的应用
摘　要: 高速铣削加工技术近年来得到了快速发展, 在航空航天、 汽车、 仪器仪表以及模具制造等领域获得了越来越广泛的应用。随着切削速度的提高, 高速铣削加工技术表现出如下诸多……

1.引言
高速铣削加工技术近年来得到了快速发展, 在航空航天、 汽车、 仪器仪表以及模具制造等领域获得了越来越广泛的应用。随着切削速度的提高, 高速铣削加工技术表现出如下诸多优势[1]:
进给速度相应提高, 从而可显着提高加工效率;
切削力随之下降, 特别是径向切削力明显减小, 适于加工刚性差的零件
95%以上切削热被切屑飞速带走, 工件基本保持冷态, 适于加工易热变性的零件;
远离”机床-刀具-工件”工艺系统的固有频率, 加工过程平稳, 加工精度高;
应用于钛合金、 高温合金等难切削材料的加工, 能够大幅度提高效率和改进表面完整性;
能够缩短单件机加时间甚至省略某些工序( 如直接实现钢的HRC65淬硬态加工[2]) , 从而显着降低加工成本。
将高速铣削加工的这些技术优势应用到模具制造中, 能够大幅度缩短精加工时间, 在很大程度上代替传统的电火花成形加工[3], 从而使得整个产品的生产周期得到大大缩短, 如图1所示。因此, 在日本模具制造业中高速铣削技术已经得到普遍使用。

2.模具加工的要求
模具加工, 特别是复杂三维型面的加工, 只有保持刀具轴线与被加工型面间有一定的倾角才能获得好的表面加工质量, 因此最好要采用多轴联动机床。模具制造业是支撑日本工业的重要产业之一, 对模具加工的要求也日益苛刻, 不但对产品质量有更高的要求, 而且能否满足短期交货和实现低成本都是模具制造厂必须关注的问题。根据市场调查表明, 模具行业的需求主要包括以下几个方面[4]:
(1)能够适应短期交货的高效率加工方法及加工机床;
(2)利用三维高速切削的高质量加工;
(3)能够支持设计直至生成高速加工刀具轨迹的CAD/CAM系统;
(4)具有高效性能和长寿命的刀具;
(5)逆向工程技术的应用。
为了满足高速铣削加工的要求, 仅仅保证机床主轴有一个很高的转速是远远不够的。真正好的高速铣削加工机床, 除了有足够高的主轴转速外, 还要有很快的进给速度、 较大的加速度, 而且还必须具备高精度、 高阻尼以及良好的抗振性等性能要求, 其运动部件要发热少、 热变形小、 传动平稳等。
而对于模具制造来说, 仅仅拥有高精度的高速加工机床还不够, 还必须掌握先进的高速、 高精度模具加工工艺技术。
3.应用于模具加工的主要高速铣削加工中心
日本工业界善于吸取各国的研究成果并技术应用到新产品开发中去, 在高速切削机床的研究和开发方面后来者居上, 现已跃居世界领先地位。当前, 具有代表性的制造厂商有: 马扎克(Mazak)、 森精机(MoriSeiki)、 牧野(Makino)、 沙迪克(Sodick)、 大隈(Okuma)、 北村机械(KitamuraKikai)和池贝(Ikegai)[5]。
马扎克株式会社生产的机床具有优越的技术性能和广泛的适用范围, 主要产品有INTEGREX系列复合机床、 NEXUS系列卧式加工中心、 ANGULAX系列多面加工中心、 UN600系列加工中心。其中, INTEGREX300-IIIST号称是世界上用途最广泛的多功能机床, 集车、 铣、 叶片加工、 偏心零件加工、 斜面铣削、 激光热处理和磨削等功能于一身, 工件经一次装卡可完成从毛坯到精加工成品的所有操作。
森精机株式会社主要生产NV系列高精密立式加工中心、 NH系列高精密卧式加工中心, 采用”重心驱动”新技术, 加速度快, 排屑系统性能优越。其中, NH800DCG高精度卧式加工中心的每个主轴都具有双驱动系统, 适用于加工大型工件[6]。
牧野株式会社的主要产品有V(或S)系列立式加工中心和a(或A)系列卧式加工中心。V系列属于小型立式加工中心, 电主轴的冷却和润滑方式采用轴心冷却和轴承内润滑, 独特的主轴轴心冷却系统, 能够提高主轴的刚性、 精度和加工速度, 并使主轴能够长时间连续工作于最高转速, 适于小型工件的高速、 精密加工。其中, V22转速40000rpm, 进给速度20m/min,适合于电极及淬硬钢小模具的高速精铣。MAKINOA77三轴数控高速铣削加工中心, 主轴转速 0rpm, 有两个工作台, 使用硬质合金球面立铣刀模具型腔曲面加工精度可达0.01mm,大大提高了生产效率和加工精度, 降低了后续抛光工作量[7]。
沙迪克株式会社主要生产MC430L高速加工中心, 其特点是X、 Y、 Z轴均采用直线电机驱动, 直线电机与工作台直接连接, 具有低振动、 低噪声、 免维护的特点, 实现了高响应高精度的控制。
大隈株式会社主要生产MULTUS智能型多任务机床和MB系列高速加工中心。其中, MULTUSB300智能型多任务机床采用紧凑式设计, 配装防撞系统和大隈开发的数控系统, MB-500H高速卧式加工中心和MB-66VA高速五轴立式加工中心是其新开发的两种机型。
北村机械株式会社是日本唯一一家专业生产加工中心的公司, 主要生产立式、 卧式和龙门式加工中心, 其机床均采用齿轮变速的主轴, 在低速时具有大扭矩, X、 Y、 Z轴均采用经过手工刮研的面与面接触的方轨, 刚性强, 摩擦小, 寿命长, 且省电、 经济。主要产品有NanoMycenter高精度高速立式加工中心、 Mycenter-2XiFSparkchanger立式加工中心、 Mycenter-HX400iF卧式加工中心、 Mycenter-HX630i卧式加工中心、 Mytrunion超高精五轴加工中心, 其中, NanoMycenter采用丝杠中空冷却技术和独有的智能反馈系统, 确保位置定位精度0.001mm。
池贝株式会社主要生产TV型立式加工中心和TH型卧式加工中心。其机床均采用U轴刀具专利技术, 在其刀具旋转的同时, 刀头可沿着刀架端面做径向运动, 运动精度可达0.001mm。U轴刀具的定位精度是±3μm,重复定位精度±1.5μm, 在转速为1000r/min,进给0.06mm/r的加工条件下, 加工圆柱类、 锥面类零件的直圆柱部圆度可达2.3μm, 锥体部圆度可达2.6μm, 而一般精密模具的精度要求在2-3μm, 因此带U轴的加工中心特别适合各种模具, 特别是具有复杂型面模具的加工[8]。
当前, 模具加工对五轴联动机床的需求日益增多, 基于用户需求, 各机床厂商已开发出各种各样的五轴加工中心。采用主轴摆动和水平工作台回转机构的五轴加工中心在加工中不受工件重量影响; 采用高速大功率主轴和标准旋转式交换工作台的五轴加工中心能够提高工作效率; 部分五轴加工中心能够在一次装卡下完成包括五面加工和倾斜表面切削等在内的所有操作[9]。另外, 面向高速铣削的模具设计制造辅助系统也得到了较好应用[10]。
值得一提的是, 日本牧野提提倡高速、 高精度的模具加工技术, 即用高速及高效率的加工方式, 在缩短模具制造周期、 降低成本的同时, 得到比以往更高质量、 更高精度的工件, 这就是所谓的FF加工[11]。FF加工的定义有两个F, 第一个是指在加工过程中把切屑从切削点迅速冲掉(flushout),第二个是指与传统方法比较, 能够得到更高精度和更高质量的加工表面(finesurface)。FF加工主要有三方面的特点: 小切削量, 大进给速度, 赢得切削热冷却时间; 快速清楚切屑, 防止卡刀; 使用侧刃进行切削, 保持切削负荷恒定。用FF加工技术进行加工, 即使进行长时间的高速加工, 也不会影响主轴的运转精度, 使刀具能力得到高效发挥。如对于汽车门模具型腔, 用高速卧式加工中心进行FF加工, 在粗加工工序上, 可缩短3/4的加工时间; 精加工刀具使用CBN刀具, 一把刀就可进行整个型腔面的精