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第6章 其他模具加工技术,6.1 特种模具加工技术6.2 快速原型制造技术6.3 模具高速加工技术6.4 超精密模具数控加工技术,先进模具制造工艺和特殊的模具加工方法是在传统模具制造工艺不断变化和发展的基 础上逐步形成的一种模具制造技术，是模具制造业适应市场竞争的需要，也是高新技术产业 和传统模具工艺高新技术化的结果。6.1 特种模具加工技术 6.1.1 电解加工 1.加工原理 电解加工是利用金属在电解液中电离时被溶解而使工件成形。如图6-1 被加工工件1接直流电源阳极（正极，工具2接阴极（负极。两极之间保持一定的间隙（0.11mm），通电后电解液（NaCI或NaNO3溶液）在一定的压力下（0.52.5MPa）从两极的间隙间高速流过（550m/s）,由于电场的作用，阳极工件表面上的金属被电离溶解，溶解的金属正离子与溶解液中负离子结合，同时被电解液带走，直到阳极工件与阴极工具表面的形状相似为止。以加工钢材料为例，若采用的电解液为NaCI，电解时，工件钢表面的的铁原子失去电子成为铁的正离子Fe+进入电解液，并与电解液中的带负离子的CI-和 OH-发生下列化学反应:,Fe+2(OH)-Fe(OH)2Fe+2CI-FeCI2经不断电解，工件表面上的铁原子不断断被溶解，最终被加工成与工具规定一致的形状。,图6-1 电解加工原理图 1工件;2工具;3调压阀;4泵;5过滤器;6过滤网;7电解网,1.加工原理,如图6-2所示，是工件未加工时工件与工具的情况，两者间的间隙是不均匀的。如图 6-3所示，是加工完的情况，工件与工具表面形状相同，两者间的间隙是均匀的。,图6-2 工件未加工时工件与工具的情况 图6-3 加工完的情况,2.工艺特点及应用范围 电解加工的生产效率非常高，是电火花加工的510倍。适合加工形状复杂的模具型面和型腔。由于电解加工无切削力作用，故能获得较高的加工精度和表面质量。电解加工中，工件的尺寸误差可控制在0.1 mm之内，表面粗糙度 Ra值可达0.21.25m。工具电极无损耗，可长期使用。但是电解液需庞大的过滤循环装置，占地面积大;电解液对机床也有腐蚀，需采取周密的防腐措施。,6.1.2 激光加工,1.加工原理激光是一种辐射光，亮度极高，方向性、相干性和单色性好，通过光学系统可以将激光束聚集成直径为几十到几微米的极小光束，其能量密度可达1081010W/cm2。当激光照射到工件表面时，光能迅速被工件吸收并转化为热能，产生方向性极强的冲击波，使被照射的工件表面材料被瞬间熔化、汽化去处。激光加工设备由电源、激光发生器、光学系统和机械系统组成。其加工原理如图6-4所示，激光发生器将电能转换为光能，形成激光束，经光学系统聚焦照射到工件的被加工表面 进行加工。工件固定在工作台上，由数控系统控制和驱动。,图6-4 激光加工原理图 1全反射镜;2激光工作物质;3玻璃套管;4部分反射镜;5氙灯;6电源;7聚焦镜;8工件;9数控工作台,2.工艺特点及应用范围 激光加工能量密度极高，几乎可以加工任何材料，如硬质合金、陶瓷、石英、金刚石等硬 脆材料。激光适合加工精密微细结构，特别适合加工精密微细孔。由于激光加工的过程中与工件不存在接触，没有冲击和磨损及加工变形等问题。激光还广泛地应用于切割、焊接和 热处理等加工领域。激光是一种局部瞬间熔化、气化的热加工方法，其影响因素很多，要达到预期的精度和 表面质量需要反复实验，确定合理的加工参数。,6.1.3 超声波加工,1.加工原理 超声波加工是利用工具端做超声频振动(频率超过16000 Hz)，通过驱动工作液中的悬 浮磨料撞击加工表面的加工方法。超声波工作原理如图6-5所示，加工时，在工具6和工件 1之间送(放)入工作液(水或煤油)和微细磨料混合的悬浮液2，并使工具在很小的作用力下 轻轻压在工件1上。超声波发生器将工频交流电转换为超声频电振荡能量源，经转换器4 转换成纵向振动，再经变幅杆把振幅放大到0.05 0.1 mm左右，驱动工具端面做超声 振动，迫使悬浮液中的磨料以很大的速度和加速度不断撞击、抛磨被加工表面，将被加工表 面的材料粉碎成很细的微粒从工件表面脱落下来，并被悬浮液带走，逐步将工具的形状复印 在工件上。,图6-5 超声波工作原理图 1工件;2悬浮液;3超声波发生器;4转换器;5变幅杆;6工具;7工作台,2.工艺特点和应用范围 超声波加工是磨粒在超声振动作用下机械撞击、抛磨以及超声空化作用的综合结果，其中磨粒的撞击是主要的。超声波可以加工导电材料，也能加工不导电材料和半导体材料。加工特别适合脆、硬性材料，如玻璃、陶瓷、石英、玛瑙、金刚石、宝石等，特别是不导电的非金属特硬脆材料，不适合加工韧性材料。为提高生产率，常采用与其它加工方法相结合的复合加工，如超声波切削、超声波磨削、超声波电解加工、超声波线切割等。超声波加工机床，结构简单，操作方便，但加工效率较低，工具消耗大。制作工具的材料较软的黄铜或低碳钢，悬浮液中的磨料用碳化硼、碳化硅、氧化铝等，粗加工磨料的粒度为200400目，精加工选用的粒度为6001000目。,6.1.4 高压水射流切割加工,1.加工原理 高压水射流切割技术是以水为载体携带压力能和动能，用高压水射流对材料进行切割 的工艺方法。工作原理如图6-6所示，水箱1中的水在水泵2的作用下进入蓄能器3中，往 复压缩式增压器11在液压机构10的作用下，由控制器4对蓄能器3中的水加压到3001000 MPa。具有高压的水流经水阀5进入直径为0.10.6 mm的蓝宝石喷嘴6，以23倍的声速喷出，将压力能转换为动能，冲击被加工材料，如果冲击压力超过材料的强 度，就可以将材料切断。如果在水中添加高硬度，粒度为80200目的磨粒，则可以大大提高切割功效。,图6-6 高压水射流切割原理图 1水箱;2水泵;3蓄能器;4控制器;5水阀;6喷嘴;7射流;8工件;9排水器;10液压机构;11增压器,2.工艺特点及应用范围 高压水射流切割技术具有切口平整、无火花、加工清洁等优点，可应用于各种材料的切割加工。应解决的问题是:进一步提高高压水射流设备 的可靠性和使用寿命，特别是在高压高速带有磨料 的水流作用下，要尽量提高增压器和喷嘴的寿命;提高数控装置自适应调整能力，进一步提高加工精 度;扩大其应用范围，由切割向形状面加工发展。,6.2 快速原型制造技术,6.2.1 快速原型制造原理 快速原型制造技术是利用计算机辅助设计建立数据库中的信息来产生零件分层截面轮 廓数据，然后在计算机控制下，按分层截面轮廓将材料逐层累积成型。是将CAD技术、数 控技术、材料科学、机械工程、电子技术和激光技术等集合于一体的综合技术;是继数控技术 之后，在制造业领域的又一场技术革命。快速原型制造技术可以快速制造任意复杂形状的零件，且无需刀具、夹具，在模具制造 业中具有广泛的发展潜力。快速原型制造技术实现零件成型的过程如图6-7所示。,图6-7 零件快速原型的制造过程,1.CAD建模的方法 一是将零件的概念应用各种三维CAD软件(如Soliwork、MGT、Solidedge、UGII、Pro/E 等)创建成三维实体模型;二是通过对实物数字的摄影(三坐标测量仪、激光扫描仪、核磁共 振图像仪、实体图像等)进行反求获取三维数据，建立CAD实体造型。2.图形数据库的建立 图形数据库的建立是将三维CAD实体模型的图形数据转换为快速成型系统可接受的 STL或IGES等格式的数据文件。3.分层处理 分层处理是将三维实体沿给定方向切分成一个个的二维薄片，薄片的厚度由成型零件 的制造精度决定，考虑计算机处理的速度和时间，分层厚度一般取0.050.5 mm。4.快速成型 按照切片的轮廓和分层的厚度，用成型材料(片材、丝材、粉末、液体等)一层层地堆积成零件产品。,6.2.2 快速原型制造技术,1.光敏固化法 SLA(Stereo Lightgraphy Apparatus)光敏固化法又称立体印刷法和立体光刻法。如图6-8所示，激光紫外线通过透镜2和反射镜3反射到工作台5上，激光束在计算机的控制下，根据预定零件的分层轮廓对树脂槽中的液态表层光敏树脂6 进行由点到线、由线到面的逐点扫描，扫描到的地方 光敏树脂被固化，未扫描的地方是液态树脂。当一 层树脂固化完成后，工作台5下降一个层片厚度的距离，刮板7在原先固化好的树脂层上重新覆盖一 层液态光敏树脂，再进行下一层轮廓的扫描，新固化 的一层牢固地黏结在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕。SLA的工艺特点是原型精度高(公差为0.1 mm)、材料利用率高，适合制造形状复杂的零件。但所需设备及原材料价格贵，光敏树脂一 般有一定的毒性，不符合绿色制造要求。,图6-8 光敏固化法原理图 1激光器;2透镜;3反射 镜;4原型零件;5工作台;6光敏树脂;7刮板,2.叠层制造法LOM(Laminated Object Manufacturing)叠层制造法是由与零件各分层截面形状和尺寸都相同的，背面带有黏胶的薄纸板、塑料板、金属板等箔材相互叠黏而成的零件原型。如图6-9所示，单面涂有热熔胶的纸卷套在送 纸辊6上，并跨过工作台5与收纸辊4相连。激光发射装置在计算机的控制下，按零件分层截面轮廓数据切割该层切片轮廓，加热辊8滚压加热纸背面的热熔胶，并使这一层纸黏合在上一层纸板7上，工作台下降一个层片厚度距离，再进行下一层的黏合，直到整个零件原型完毕。LOM的工艺特点是成型材料便宜，形状及尺寸精度稳定(公差在0.125mm)，无相变和应力，适合制造航空、汽车等行业中体积较大的零件。,图6-9 叠层制造法原理图 1激光器;2反射镜;3光学系统;4收纸辊;5工作台;6送纸辊;7纸板;8加热辊,3.选区激光烧结法SLS(Selective Laser Sintering)选区激光烧结法是在一个充满惰性气体的加工室中，用CO2 激光器将很薄的可熔性粉 末一层一层地烧结成型。如图6-10所示，滚轮8将一层粉末均匀地铺在工作台上，并进行预热，然后在计算机的控制下，激光束按零件分层轮廓进行扫描烧结，从而生成零件原型的一个截面。同SLA工艺方法一样，每一层烧结都是在前一层的顶部进行的，这样，所烧结的当前层就能够与前一层牢固地黏结在一起。零件原型烧结完成后，可用刷子或压缩空气将未烧结的粉末去掉。SLS的工艺特点是:材料广泛，如石蜡粉、尼龙粉、塑料粉等低熔点的粉末材料，直接烧 结熔点较高的金属粉或陶瓷粉的工艺正在研制中。选区激光烧结的层厚一般为0.125 0.5 mm，制件的公差在(0.1250.4)mm。,图6-10 选区激光烧结法原理图 1激光器;2透镜;3反射镜;4未烧结的粉末材料;5工件原型;6粉末输送/回收装置;7支撑台;8滚轮,4.熔丝沉积成型法FDM(Fused Deposition Modeling)熔丝沉积成型法使用一个外观很像二维平 面绘图仪的装置，只是绘图笔是一个挤压喷头。如图6-11所示，一束热熔塑料丝通过喷头时被加热后从喷头挤出，喷头按分层截面形状运动形成一层与切层截面同型的熔融材料，快速冷却固化，再沉积下一层，直到零件原型完毕。FDM的工艺特点是设备简单，运行成本低，尺寸精度较高(误差在0.2 mm)，表面光洁性 好。所用成型材料有ABS塑料、尼龙、石蜡等。,图6-11 熔丝沉积成型法原理图,6.2.3 快速模具制造,快速模具制造(Rapid Tooling，简称RT)是指用快速成型工艺及相应的后续加工来快速制作模具。RT是不同于传统机械加工模具的一种新方法、新工艺，它涉及以下两方面的功能:(1)快速开发用于传统制造工艺的模具，如快速制作注塑模与铸造模。(2)减少用模具成型工件所需的时间，缩短成型的循环周期，提高模具的生产效率，改善 工件的品质。快速模具制造(RT)技术与快速成型(RP)有密切的关系。RT方法的出现与发展，在很大程度上取决于RP技术与新材料的发展，采用RP技术能直接或间接地快速制作模具，而RT技术又能促进、扩大RP的发展与应用。目前，RT工艺仍处于开发阶段，还不十分成熟、完善，但是，在缩短产品的开发周期、降低成本、提高生产率与改善产品品质等方面已初见成效，并已经开始挑战传统的CNC机械加工方法。因为RT无需数控切削机床，无需专用刀具、夹具。利用RT技术制造模具特别适合注塑模和铸造模以及电火花加工机床的成型电极。快速模具制造分间接制模和直接制模两大类。,1.间接制模 首先利用快速原型技术制造模芯，再按模芯复制、制作或加工出模具。间接制模是制造软质模具的常用方法。如浇注法是以液态的硅橡胶或树脂作为模具基体的材料，以RPM 原型体经表面处理和涂脱模剂后作为母模或模芯，在一定的工艺条件下就可制造软质模具。如树脂浇注法，其制造过程是:首先用RPM制作模芯，并对模芯表面做喷涂脱模剂处理;将 模芯放在可分模的树脂箱中，注入液态环氧树脂，待树脂凝固后，分模取出模芯，得到所需的 模具。本方法适合注塑模、吸塑模等模具的快速制造。另外还有精密铸造陶瓷法、金属熔射喷涂法、电铸法、蜡模法等间接快速模具制造方法。这些方法的基本原理是经RPM原型和浇注法制成软质模具后，再经特殊工艺将软质模具 制成硬质模具。金属熔射喷涂制模法是将快速原型与热喷涂、快速凝固等方法相结合的间接制模法。其工艺是将熔融或半熔融的金属颗粒喷射到通过SLA、SLS或LOM方法制造的原型上，生成金属薄层，然后经处理除去原型后得到模具产品。金属熔射喷涂制模法以样模为标准，模具型腔尺寸、几何精度完全取决于样模，型腔表面及其精细花纹一次同时形成，故制模速度快，制造周期短，模具寿命长，成本低(仅为数控法加工钢模的1/31/5)。模具表面光洁度好、工艺简单、设备要求低，比较适合于注射成型模、压铸模、板料压延的快速制造。下面以金属熔射喷涂制模法为例来说明RT间接制模工艺。,工序过程:(1)模型准备 模型可由许多材料制成，包括塑料、石膏、橡胶、木材等。首先建立三维模型，然后对其进行分层切片，并由快速成型机制作出样模。模型准备中最重要的是清理模型表面和涂抹 脱模剂。(2)金属喷涂模型 脱模剂干燥后，选择最佳的喷涂参数后即可以开始喷涂金属，喷涂时应保证喷枪连续运动，防止涂层因过热而变形，涂层厚度一般可控制在2 3 mm。(3)制作模具框架 如果模具在工作中要受到内压力或模具必须安装在成型机上工作，则模具必须有骨架结构且制成的骨架应带有填料。(4)浇注模具的填充材料 填充材料具有较高的热导率和较低的凝固收缩率以及较高的压强度和耐磨性能。一般选择的填充材料为环氧树脂与铝粉、铝颗粒等金属粉末的混合物。(5)脱模及模具型腔表面抛光处理 脱模后要把残留在金属涂层表面的脱模剂清洗干净，然后再根据不同的需要，对模具进行抛光等后期制作。,(6)组装试模 喷涂设备 金属电弧喷涂工作系统一般由喷涂电源、送丝机构、喷枪和压缩气体等系统组成。国产XDP-5型电弧喷涂设备工作稳定可靠，使用、维护方便，其基本参数如下:电源电压:380 V;额定输入容量:12 kVA;额定电流:300 A;压缩空气使用压力:0.6 MPa;压缩空气消耗量:1.62 m3/min 送丝速度:04.8 m/min。喷涂材料 用于电弧喷涂制模的材料，要求熔点低、收缩率低，具有较好的力学性能和较致密的涂 层组织。目前市场提供的电弧喷涂用丝材有铝、锌、铜、镍、不锈钢、铝青铜、巴氏合金、复合丝等。其中钢、镍、铜等属于高熔点金属，在喷涂时涂层收缩率、热应力、孔隙率都比较大，涂层易开裂、翘曲、剥落。所以目前只有低熔点的锌、铝丝材适合于模具制造。金属熔射喷涂制造的模具特别适合于注塑成型工艺中的聚氨酯零、部件的生产，广泛用于塑料加工中的塑成型、吹塑成型、结构发泡以及其他一些注塑成型等工艺中。如汽车驾驶盘、汽车仪表盘、座垫、头部靠垫、汽车内饰顶篷等。,2.直接制模 对于机械强度和热稳定性较好的RPM原型，可以直接用做模具。如利用SLS工艺技 术得到的RPM原型，经高温熔化蒸发去掉其中的聚合物后，在高温下将低熔点的金属渗入可直接烧结成金属模具;再如采用LOM工艺技术制成的纸基RPM原型，强度较高，可耐200的高温，经适当的表面处理，可直接用来做低熔点金属铸造模具。利用RPM原型直接制模周期短，节省资源，提高精度。但直接成型为金属模的技术和工艺尚不成熟。,6.3 模具高速加工技术,6.3.1 高速加工的概念和特征 1.高速加工的概念 在1931年，德国科学家Salomon博士提出一个假想:一定的金属材料对应有一个临界的切削速度，在该临界切削速度以下其切削温度与切削速度成正比。在高于该临界速度下切削，其切削温度与切削速度成反比。这一假说经60多年的探索实践得以证实，并在20世纪90年代开始在工程实践中推广应用。高速加工技术是指采用超硬材料的刀具、磨具，在保证加工精度和加工质量的前提下，用自动化高速切削设备，高速、高效切除材料的加工技术。高速切削是一个相对的概念，由于加工方式、加工材料不同，高速切削速度的范围也不同。,在工程应用中，高速切削有以下几种的含义:(1)高速切削的切削速度 高速切削的切削速度一般为常规速度的510倍。常用材料加工的高速切削速度范围:钢5002000 m/min，铸铁8003000 m/min，铜9005000 m/min，铝合金10007000 m/min。(2)高速切削的进给速度 高速切削的进给速度一般是常规速度的46倍。(3)特殊的高速切削机床 机床主轴转速在10000100000 r/min或以上，主轴支撑轴承中径 dm(单位:mm)与 主轴转速 n(单位:r/min)的 dmn值为(1.55.0)106;机床进给速度在40 m/min以上.(4)适应高速切削的刀具或磨具 刀具或磨具要有高的强度、韧性和高温耐磨性。,2.高速加工的特征 高速切削的优点是:(1)切削力低 由于切削速度高，切削区剪切角增大，剪切变形区变窄，切屑流出速度加快，使切削力比常规机床切削降低30%90%，刀具耐用度提高65%以上。(2)热变形小 高速切削时，90%以上的切削热来不及传给工件就被高速流出的切屑带走，工件切削区温度上升不超过3，特别适合加工易受热变形的细长或薄壁零件。(3)材料去除率高 高速切削时的切削速度和进给速度使单位时间内工件材料的切除率提高35倍，特别适合汽车、飞机、模具等制造。同时，高速切削可加工淬硬零件(可达60HRC)，在一次装夹过程中可完成粗、半精及精加工工序;对复杂型面可直接加工达到零件的表面质量要求，这样，就可省略常规加工的电加工、手工修磨等工序，缩短了工艺路线，大大提高了加工的生产率。(4)加工高精度 高切削速度和高进给率，避开机床工艺系统的固有频率，使加工过程平稳，振动最小。同时高速切削时切削深度较小，加工速度高，切削力和热变形减少，加工的表面精度和质量高，可实现高精度、低粗糙度的加工。,(5)经济效益高 对于常规加工方法难以加工的大型整体构件(如飞机的机翼骨架加工)，壁厚小于0.5 mm，壁高小于20 mm的薄壁零件，高速加工技术具有显著的经济效益。综合高速加工所具有的精度高、质量好、工序简化等特点，经核算其综合经济效益显著提高。由于高速切削是新技术，许多方面还有待于进一步改进。高速切削面临的问题有:(1)高速切削机床的设计制造成本高，采用高速切削对切削的工艺系统具有很高的精度和稳定性要求，投资较大，中小企业难以应用。(2)高速切削机床系统调试、维护维修技术要求高，维修成本大。(3)高速切削需要特殊的工艺知识，专门的CNC系统与装置，数据处理和传输都要求具有很高的速度。(4)高速加工中，由于极高的运动速度，难以实现紧急停车，一旦发生人为、硬件或软件错误都可能导致严重的后果。(5)高速加工技术的人才短缺，编程人员、操作人员必须经过系统培训、实习才能上岗。,6.3.2 高速加工技术的发展与应用,1.高速切削的问题 自1931年德国Salomon博士提出高速切削的假说以来，经历了理论研究、实验探索、初步应用、推广应用等发展阶段。20世纪80年代，发达工业国家开始投入大量人力、财力 对高速加工及其相关技术进行系统的研制和开发，重点是大功率高速主轴系统的研制、高加(减)速度进给系统的研制、超硬超耐磨刀具材料的研制、切屑冷却处理系统的研制并在安全 防护装置和高速高性能的CNC系统、检测系统等方面都有重大的技术突破，为高速加工技 术的推广应用提供了条件。目前，高速切削机床发展很快，美国、德国、瑞士等发达国家普遍在生产中使用的高速切削 数控机床其主轴转速一般在1000040000 r/min，进给速度在2050 m/min。我国近几年也研制出了多种高速切削机床，如北京机床厂生产的VRA400立式加工中心，主轴转速达到20000 r/min，X、Y向进给速度达到48 m/min，Z向进给速度达到24 m/min。高速切削机床的主轴采用高速主轴单元，其特点是应用内置式集成交流伺服电动机结 构，又称电主轴，其内部带有自冷却循环系统;支撑轴承多采用陶瓷混合轴承、气浮轴承、液体静压轴承等。,进给系统多采用多线大导程滚珠丝杠或用直线电动机直接驱动，先进、高速的直线电动机具有较高的加、减速特性，正在逐步取代滚珠丝杠传动。目前直线电动机的进给速度可达到180 m/min，加速度为10 g，定位精度达0.20.05m。直线电动机消除机械传动误差和弹性变形，没有丝杠传动的反向间隙。为适应高速加工很高的运算速度和运算精度，以及满足高速加工复杂型面的要求，高速切削机床采用32位或64位的CPU，并配有功能强大的CNC软件。CNC控制装置具有前馈控 制、钟形加(减)速、加(减)速预插补、精确矢量补偿等功能。采用全数字交流伺服电动机控制 技术，具有很好的动力学特性，无漂移，可以保证极高的轮廓精度和高速进给加工要求。在高速切削机理研究方面，对高速切削过程中切屑形成的机理、切削力和切削热的变化 规律对加工精度、表面质量、加工效率的影响还在进一步的研究中。目前高速加工铝合金的 研究已经得到较为成熟的结论，并广泛应用于铝合金的高速切削实践加工中。但对于黑金 属及难加工材料的高速切削机理还处于探索阶段。,2.高速加工技术的应用 高速加工技术模具制造是高速加工技术的主要受益者。采用高转速、高进给、低切削深 度加工模具时，可以加工淬火硬度大于60HRC的钢件，并可获得较佳的表面质量、较高的尺寸和形位精度，因此，可省略后续的电加工和手工修整等工序。高速加工技术在模具行业的应用，可以大大减少加工的准备时间、缩短工艺流程和加工时间。另外，在汽车、航空制造业中高速加工技术对于批量生产、超精细加工、复杂曲面加工、难加工材料的加工具有重要应用价值。如飞机的机翼骨架，采用整板铝合金毛坯直接进行高速切削加工而成，不再使用铆接工艺，不但能够降低工件的重量，保证零件工作的机械性能，这种整体制造方法还可以将加工效率提高七八倍，并使尺寸和表面精度完全达到技术要求。随着高速加工技术的不断成熟与发展，其应用领域将进一步扩大。,6.3.3 高速切削刀具,高速切削要解决的一个重要问题是刀具磨损。虽然高速切削时刀具与工件的接触时间、接触频率与普通加工不同。但是，高速加工时产生的离心力和振动对刀具的平衡性、安 全性有直接影响。所以高速加工中刀具的设计和选择必须综合考虑磨损、刚度、强度、精度和安全等方面的因素。1.对高速切削刀具的基本要求(1)满足刀具耐用度要求 要满足刀具耐用度的要求，必须根据加工对象和条件选择刀具的材料、刀具刀尖的形状 和结构，确定高速加工的切削用量、冷却方式、走刀路线等，保证刀具材料与工件材料相匹配。(2)保证刀具使用的安全性 刀具的强度、夹持的定位方式、刀片固定结构，刀具工作中的动平衡都是刀具安全可靠工作的基本因素。,2.高速切削刀具的材料(1)细晶粒硬质合金刀具 硬质合金晶粒尺寸在0.21m的硬质合金刀具称为细晶粒硬质合金刀具。根据被加工材料选择钨钴类或钨钴钛类硬质合金。目前在一般性高速切削加工中仍主要采用细 晶粒硬质合金刀具，为保证高速加工中刀具的动平衡，整体式硬质合金刀具要比机夹硬质合金刀具应用范围广。(2)硬质合金涂层刀具 刀具的基体采用硬质合金钢，具有较高的韧性和抗弯强度，而涂层材料具有高温耐磨性好的特点，所以涂层刀具适合高速切削。可使用的涂层材料有TiCN、TiAlN、TiAlCN、CBN、Al2O3等。更多的是采用多层复合的涂层，常用TiCN+Al2O3+TiN、TiCN+Al2O3、TiN+Al2O3等。目前使用物理气相沉积技术制造的TiAlN涂层刀具，以及最新发展的纳米涂层刀具对高速加工刀具的发展都起到了进一步的推动作用。,(3)金属陶瓷刀具 与硬质合金涂层刀具比较，金属陶瓷刀具可承受更高的切削速度，与金属材料亲和力更小，热扩散磨损及高温硬度都优于硬质合金涂层刀具，但其韧性较差，适合高速加工合金钢和铸铁。金属陶瓷刀具主要有高耐磨性的TiC基金属陶瓷(TiC+Ni or Mo)、高韧性的TiC基金属陶瓷(TiC+TaC+WC+Co)、增强型的TiCN基金属陶瓷(TiCN+NbC)等。(4)陶瓷刀具 陶瓷刀具有氧化铝陶瓷刀具、氮化硅陶瓷刀具和复合陶瓷刀具三大类。其特点是高硬度、高耐磨性、热稳定性好。以Al2O3基陶瓷应用最多，具有化学稳定性高、不易黏结，抗扩散磨损性强，但刀尖强度、抗断裂韧性和耐冲击性较低，适合高速加工钢件;Si3N4 基陶瓷刀具比 Al2O3陶瓷刀具有较高的强度和抗断裂性、耐热冲击性，但化学稳定性不如Al2O3陶瓷刀具，适合高速加工铸铁;Si3N4+Al2O3复合陶瓷刀具具有高的强度和抗断裂韧性、高的抗氧化性和高的高温抗冲击性，适合于铸铁和镍合金钢的高速粗加工，但不适合钢的高速加工。,(5)聚晶金刚石刀具 聚晶金刚石刀具硬度极高、耐磨性极强，导热性好，热膨胀系数和摩擦系数极低，特别适合高速加工难加工的材料和黏结性强的有色金属材料或非金属材料。聚晶金刚石晶粒越细越好。(6)立方氮化硼刀具 具有高硬度，良好的耐热性、导热性、高温化学稳定性，但强度稍低，含50%60%立方 氮化硼的刀具适合高速精加工淬硬钢，含80%90%立方氮化硼的刀具，适合冷硬铸铁、镍基合金的高速加工，淬硬钢的粗加工和半精加工。,6.3.4 高速加工的数控编程,1.高速加工对数控编程的要求 与普通数控加工编程不同，高速加工数控编程必须考虑高速切削的特殊性和控制的复 杂性。编程人员必须全面仔细考虑全部的加工策略，设定有效、精确、安全的刀具路径，保证预期的加工精度和表面质量。高速加工对编程的具体要求主要体现在:(1)切削载荷保持恒定 保持恒定的切削载荷对高速加工非常重要，也是高速加工的主要特征之一。要保证切 削载荷恒定要考虑以下因素的影响:第一是保持金属切削层厚度的恒定，很明显分层加工要比仿形加工有利于保证材料去除量的恒定;第二是刀具切入工件的方式要平滑，采用螺旋线方向切入(图6-12(a)或渐进切入(图6-12(b)要比直接切入(图6-12(c)好;第三要保证刀具轨迹平滑过渡，不能有直角过渡，最好采用螺旋走刀方式，如图6-12(d)所示。,图6-12 刀具切入工件方式,(2)保证工件的加工精度 在高速切削加工中，为保证工件的加工精度和表面质量，要尽量减少刀具的切入次数，尽量采用螺旋走刀方式，避免分层走刀;过小的进给量往往会造成切削力的不稳定，会产生切削振动，影响工件表面的加工质量;进给量要均衡，采用较大的进给量可以保证加工表面质量的提高。,2.高速粗加工数控编程 在高速加工中，粗加工应用最多。高速粗加工可以快速切除多余的材料，为半精加工和精加工留有更均匀的余量，也决定了精加工的加工精度和质量。高速粗加工编程必须重点考虑以下几个方面:(1)切削条件要恒定 加工方式、刀具切入方式等切削条件决定了恒定的切削载荷，平滑的加工轨迹可以避免加工振动，保证高速加工的稳定性。(2)切削深度要恒定 恒定的切削深度可以保证恒定的切削载荷，保证热传递条件和冷却条件的恒定，既可以保证加工质量的稳定，又可以延长刀具的使用寿命。(3)走刀方式要合理 型腔类零件要从工件材料外部向内走刀;无型腔的外形轮廓粗加工采用螺旋走刀方式。(4)切入次数要减少 采用单一路径切入模式高速加工，由于加工路径和切削过程是连续的，避免紧急降速，可以获得稳定的切削过程和加工质量。(5)急速换向要避免 在高速加工中，除降低进给量和切削深度，还要避免加工过程中加工方向的急剧改变。因为急速换向意味着在换向的地方必须降低速度，急停和急动使加(减)速突变，将影响表面加工精度，并可能产生过切。,3.高速精加工数控编程 高速精加工的重要思想是保证精加工余量的恒定。高速精加工方法与普通精加工方法 类似，可采用如下加工方法编程:(1)笔式清根加工 适合小型和结构简单的零件半精加工。使用尺寸小于粗加工的刀具，仅仅用来加工前 序刀具留下的拐角和槽角，去除多余的余量。(2)余量清根加工 与笔式清根加工的加工思想相同，但笔式加工使用小刀具仅仅针对拐角部位的清根加 工，余量清根加工可以采用大刀具清根加工整个区域。(3)控制残留高度加工 在精加工编程中，计算精加工的步长大小是由残留高度决定的，并不是采用等值步长，在UG CAM软件包中可以根据上次走刀自动计算加工路径中的残留高度，自动改变加工 步长生成精加工程序。控制残留高度的加工可以得到加工表面残留高度的一致性，有助于 保持相对恒定的切削力，将切削振动控制在最小范围内。上面仅提出一些精加工编程的加工思想，由于精加工是零件最后加工阶段，为保证达到 图纸的加工要求，不同结构、不同材料可能采用的加工方法也不同，编程人员要不断实践和 运用现代先进的UG CAM软件，全面领会和掌握软件的加工功能，才能达到正确的编程目的。,6.4 超精密模具数控加工技术,6.4.1 概述 1.超精密加工的含义 精密加工和超精密加工是一个相对的概念，随着时代的发展和技术的进步，今天的超精密加工可能在明天只能属于精密加工范围，但是，无论是精密加工还是超精密加工都已经成为当代全球制造业市场竞争的关键技术，尖端技术产品需要精密和超精密模具的制造。在现代条件下，如果按加工精度将模具加工分为普通加工、精密加工、超精密加工，其技术指标 可以做如下划分:(1)普通加工 尺寸加工精度大于1m、表面粗糙度 Ra值在0.1m以上的加工方法属于普通加工范 畴。大多数国家和企业都能掌握和普及应用普通加工技术，生产制造普通加工的加工设备。(2)精密加工 尺寸加工精度在0.11m、表面粗糙度 Ra值在0.010.1m之间的加工方 法属于精密加工范畴。精密加工普遍应用的加工方法为金刚车、金刚镗、精密磨、研磨、珩磨等。精密加工在发达国家应用广泛，发展中国家的大型企业、重要企业也普遍应用。(3)超精密加工 尺寸加工精度低于0.1m、表面粗糙度 Ra值低于0.01m的加工方法属于超精密加工范畴。当今超精密加工的方法有金刚石刀具超精密车削、超精密磨削加工、超精密特种加工和复合加工。(4)纳米加工 尺寸加工精度低于0.03m、表面粗糙度 Ra 值低于0.005m的加工方法属于纳米加工范畴。,2.超精密加工所涉及的技术领域(1)超精密加工原理 虽然超精密加工也应该服从一般加工的普遍规律和原理，但由于超精密加工从被加工表面去除的是一层极微量的表面层，其加工方法有其自身的特殊性，刀具磨损、积屑瘤生成规律、加工参数等加工原理与一般加工也有所区别。(2)超精密加工工具 超精密加工的刀具、磨具及其制造技术，如金刚石刀具的制造与刃磨、超硬度砂轮的修整等都是超精密加工的关键技术。(3)超精密加工机床 超精密加工机床是实现超精密加工的平台，不仅要有微量伺服进给机构，其整体设备也 要求有高精度、高刚度、高抗振性、高稳定性并具有高的自动化功能。(4)超精密测量及补偿技术 测量技术和测量装置必须与超精密加工的级别相一致，要具有实时在线测量和误差补 偿功能。(5)工作环境 超精密加工对工作环境的稳定性有极高的要求，微小的变化都可能影响加工精度。因此，必须严格控制加工环境，如恒温室(环境温度要求200.01)、空气净化、减振及隔振等恒定的物理条件。,6.4.2 超精密切削加工技术,当前超精密切削加工主要应用金刚石刀具超精密车(镗)技术，用于加工铜、铝等有色金属及其合金，加工光学玻璃、大理石、碳素纤维等非金属材料。1.超精密切削加工对刀具的要求(1)极高硬度、高的耐用度和弹性模量，保证刀具具有很长的使用寿命。(2)刀具刃口极其锋利，刃口半径值极小，使切削厚度极薄(切削厚度0.1m)。(3)刀刃无缺陷，以实现超光滑镜面加工。(4)刀具材料与工件材料亲和性小，抗黏结性好，摩擦因数低，使加工表面的完整性特别好。2.金刚石刀具的性能特点 当前超精密切削主要使用天然大颗粒金刚石刀具，要求使用的天然单晶体金刚石无杂质、无缺陷。金刚石刀具的性能特点如下:(1)极高的硬度可以达到600010000 HV;(2)刃口可以磨出极其锋利、且无缺陷、刃口圆弧半径可小到纳米级;(3)热化学性能相当稳定，导热性能好，与有色金属材料的摩擦因数很低、亲和力很小;(4)刀刃强度高、耐磨性好、摩擦因数小，与铝的摩擦因数仅为0.060.13。正常切削，刀具磨损极慢，耐用度极高。,虽然天然金刚石价格极高，但是，天然金刚石的确是理想的、尚不可替代的超精密切削 的刀具材料。3.金刚石刀具切削的最小厚度 超精密切削的主要特点是极其微量的切削厚度，在超精密切削中最小切削厚度除与使用的超精密机床的性能、切削的技术和工作环境有关外，还与金刚石刀具刃口锋利度有直接的关系。实验研究表明:当刀具和被加工材料的摩擦因数一定时,最小极限切削厚度hDmin 与刀具刃口半径成正比,如,当=0.12时,hDmin=0.322;当=0.25时，hDmin=0.249。可见要使最小切削厚度 hDmin=1 nm时，金刚石刀具的刃口半径应该达到=3 4 nm。虽然发达国家研磨水平最高的金刚石刀具的刃口半径已经可以达到几纳米，但我国使用的金刚石刀具的刃口半径在0.20.5m。,6.4.3 超精密磨削加工技术,2.超精密磨削砂轮的修整 超硬磨料砂轮修整是超精密磨削加工中的技术难题。砂轮修整包括修形和修锐两个过程，修形是保证砂轮保持一定的几何形状精度;修锐是使磨粒突出结合剂既定的高度，形成磨削中所需的切削刃。普通砂轮修形和修锐一般同步进行，而超精密加工的砂轮具有超高的硬度，修形和修锐要分先后两步进行。超硬磨料砂轮修整的方法有车削法、磨削法、喷射法、电解修锐法、电火花修整法等。3.超精密加工磨削速度及磨削液 金刚石砂轮的热稳定性低于800，在高速磨削时超过热稳定温度，金刚石砂轮磨损急 剧加快，所以金刚石砂轮的磨削速度不能太高，但磨削速度也不能太低，使磨削表面粗糙度 值增加。一般在1230 m/s，具体可根据磨削方式、砂轮结合剂和冷却条件而定;一般陶瓷结合剂的金刚石砂轮可选择较高的磨削速度，金属结合剂砂轮磨削速度可选低些。相比金刚石砂轮，立方氮化硼砂轮的热稳定性要好得多，所以其磨削速度可达到80100 m/s。,磨削液除具有润滑、冷却、清洗作用外，还有渗透、防锈、改善磨削性等功能。在超精密 磨削加工中，磨削液的选择和使用方法对砂轮的使用寿命影响极大。磨削液分为油性和水溶性两大类，油性磨削液的主要成分是矿物油(煤油、轻质柴油等)，润滑性能好;水溶性磨削液主要成分是水，冷却性能好，有乳化液、无机盐水溶液、化学合成液等。一般情况下，超精密磨削易采用油性磨削液，特别是立方氮化硼砂轮不适宜采用水溶性磨削液，因为立方氮化硼砂轮容易与水发生水解化学反应。若为提高冷却效率必须采用水溶性磨削液时，则应添加减弱水解作用的添加剂。,思考题,6-1 解释电解加工的原理、加工特点。6-2 解释激光加工的原理、加工特点和适用范围。6-3 解释高压水射流切割加工的原理、加工特点。6-4 解释快速原型的制造原理和过程。6-5 目前快速原型制造常用的技术方法有哪些?6-6 快速模具制造的技术方法有哪些?6-7 什么是高速切削加工，有哪些特征?6-8 对高速切削刀具有哪些要求?6-9 对高速切削加工数控编程有哪些要求?6-10 什么是超精密加工，超精密加工涉及哪些领域?,