推广5轴高速设备在汽车覆盖件模中的应用

花和尚

高速切削理论随着数控加工设备及高转速加工刀具技术的发展而日益被人们所接受；高速切削是一个综合的概念，它涉及到很多不同的技术领域，它的出现使传统的加工理念发生了根本性的变化。面对如此全新的加工技术，如何有效地运用它，对汽车模具制造工艺来说是一个新的挑战。本文就以公司现有的5轴高速设备为例，介绍5轴高速设备在汽车覆盖件模具制造工艺中的运用情况。                        
1）汽车覆盖件模具有着自身的制造特点，主要表现在：模具的工作部分形状均为非数学曲面构成，其表面要求圆滑、光顺无波纹、棱线清晰，由于一个汽车覆盖件零件通常需要数副模具才能完成，且各工作型面都要符合于同一个数学模型，因此，其表面粗糙度、形状精度要求都很高，在斜楔类模具中有多个不同的冲切方向，这就要求制造设备具有任意旋转角度的功能。
2）高速铣削设备的性能
我公司五轴高速铣设备的主要工艺性能：主轴最高转速18000r/min，主轴最快进给速度25m/min，A轴旋转角度±110度，C轴旋转角度±360度，轴向和径向切深≤0.3 mm，安装刀具长度不得大于300mm，重量不得超过5公斤，可五轴连动。
高速铣削特点：由于转速高、进给快、切削量少，因而切削力小、切削温度低、刀具挠变小，可以获得很高的加工表面光洁度，加工效率高；但要求切削载荷均匀。
3）高速铣削工艺的设计
汽车覆盖件模具零件的加工主要以型面为主，按加工目的不同分为粗加工、半精加工和精加工三个阶段。
粗加工是以单位时间内材料的最大切除量为目标，表面质量和形状精度要求不高。由于工件大多以铸件为主，其加工表层硬点多且不均匀，公司高速铣设备少，粗加工我们采用强力铣数控设备，刀具选择Φ63R8环形铣刀进行等高切削。
半精加工的主要目的是消除粗加工留下的误差，形状达到一定的精度，使精加工余量更为均匀，为高速精加工做好准备。由于粗加工后留下的余量是一种锯齿形，特别是转角处的余量更大，所以仍使用常规数控设备，选择Φ30球头铣刀进行半精加工。其工艺方法是：先用小直径球头铣刀将转角处的余量清均匀，再用Φ30球头铣刀对大型面进行组合加工。
精加工的主要目的是去除半精加工余量，使型面精度达到技术要求。精加工采用高速铣削设备，选择Φ20球头铣刀进行平行线切削方式，以获得高质量的工作表面，减少钳工的研配量。
精加工中三轴联动铣削与五轴联动铣削的选择：由于曲面加工是一种点接触铣削方式，而模具型面曲率变化大，在使用球头铣刀进行三轴联动铣削时，刀具与工件的接触点是随着曲率的变化而变化的，刀尖点切削速度为零，切削力最小，该点参加切削会使加工表面质量下降，刀刃磨损加剧，同时会使机床主轴Z向受力加重。刀具径向点切削速度最大，其切削力最大，该点参加切削同样会加快该处的刀刃磨损。（图为我公司三轴连动切削过程中刀片的失效形式）也就是说，整个切削过程中切削力是在不断变化的，刀具直径越大切削力变化大。因此，应尽量选择小直径球头刀具，以减少切削力的变化。但对于陡壁加工，直径小、刀杆长则不利于高速加工。

与三轴连动铣削相比，五轴联动铣削具有一定的优势。它可通过两根旋转轴的运动，始终保持刀具轴线与工件表面成一定（或一定范围的）角度，避开最大切削速度点和切削速度为零点，使切削力保持一定的稳定，陡壁的加工也不必加长刀杆，对于模具上有多个不同的冲切方向的轮廓面和孔，采用五轴联动铣削还可简化加工过程，减少对刀找正等辅助时间。但五轴联动设备的主轴过大，夹持的刀具直径小而短，加工中可能会与工件发生干涉，这就限制了它的旋转角度，对于窄而深的波谷、深腔等零件难于加工。因此，五轴联动铣削方式在汽车外覆盖件模具制造中，目前主要运用于型面比较平坦、曲率小且变化不大的模具零件，如汽车外覆盖件模具等。但汽车外覆盖件零件型面复杂、曲率变化大的较多，所以，我们经常是固定某一个角度分区加工；或使用3+2轴设备.
高速铣削的运用，不仅仅是它的高速度，还在于使用的工艺方案，在汽车外覆盖件模具制造中，高速铣削技术还是个起步阶段，受刀具、被加工材料等其它因素的影响，高速加工的优势未能全部发挥出来，但高速加工的形式将一直是我们思考的主题。