提升高速铣效率

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刀具的制造对工业制造中的生产安全和生产质量有着极大的影响，但是这个关键性的工业领域并不为大众所熟悉，这是因为在生产过程中，即便是重要的部件，也没有直接的消费性产品被生产出来。近年来，世界上对刀具和模具的需求量在增加，预计这种趋势还会继续增强。
提高质量和柔性化
( i6 o( s  q$ D$ e德国刀具制造业仍然以产品质量好、员工素质高、创新力及柔性化高而见长。为了能够承受来自东欧和亚洲日益高涨的市场竞争压力，必须进一步改进制造的质量和柔性化，并缩短制造周期。这必须通过与生产的委托单位一起合作才可实现。不仅各个研发和生产环节，而且整个工艺流程都需要作进一步的优化，挖掘出深层次的潜力。

通过利用高速铣削在工艺和几何外形上的优势，不管工件呈何种状态，
' d( e/ ~% ~7 N7 {& F# l% @5 {均可极大缩短加工时间刀具和模具制造商必须实施以新技术和新策略带动生产效率和柔性化的提高，如Rapid Tooling、新型材料、CAx工艺和模拟技术。HSC铣削仍然是刀具和模具制造上最重要的加工工艺。尽管电火花工艺得到了极大的发展，如在发电机技术和石墨材料等方面，但还是可以采用HSC技术来缩短加工流程时间。现如今，HSC技术已经成熟，通过刀具的多样性，特别在几何外形和材质上尤显灵活。制造高精工件的加工速度既不能由生产流程也不能由清除程序所达到，作业安全的HSC加工的难度会随着材料硬度的增加和工件复杂程度的提高而增大。在采用极小直径刀具对深模硬质钢材工件进行加工时，除了选择正确刀具之外，对NC编程的经验也非常重要。通过采用创新型的切削材料总能实现对硬质钢材的经济性加工。对硬质状态工件的整体加工，可以极大缩短流程时间和提高工件质量及流程安全。
: c' G6 l' ?- ]6 ]7 f. q. z7 KCAM系统成为研发焦点
  k* u8 l/ h" m+ |9 hDarmstadt技术大学生产管理、工艺及机床技术学院（PTW）自25年来就一直从事模具和成型制造上的HSC技术的研究。在前期研究项目中，还只是主要针对外围条件对加工结果和CAM策略的优化及集成的影响做基本的研究，而后续的项目则把重点放在了对刀具的研发和刀具在制造上的最佳投入问题的研究。
除了单纯的铣削技术之外，CAM课题在PTW的创新型轨迹生成工艺上仍一直是一个重点。如快速生成无干涉刀具轨迹的基本功能和设备专用的NC程序无一例外地均由市面上可供的系统进行控制。由此在HSC加工过程中，可以避免较强的方向变化和经常性的加速及制动现象，并使起动和开机策略与进给速度和铣削策略相匹配。
此类系统在应用方面已经得到了深度的研发，相互之间的差异只在于较小的经济效益增长性的细节上，如用户接口的清晰程度、通信处理器的选择和材料电蚀模拟以及动态模拟。差异也显示在方法与自动化工艺的结合上，这种结合可以通过对操作顺序的生成和优化，减轻用户的模具和锻模编程工作。从棱柱形的特征上看，此类规则反映了目前的技术现状。
近年来，PTW开发了一种系统，它可以借助于特征技术（即几何外形与加工信息的结合），通过以FE网络为基础的外形分析和拓扑分析，来识别各种自由形状表面，并因此而选用最好的铣削策略和刀具。这种自由形状加工功能极大地降低了编程费用。
" P) g6 D' q/ `1 F- L# |6 pHSC加工链的其他优势还在于CAM通信处理器和设备控制系统之间的接口上。现代化的控制系统可以以Nurbs曲线（非均匀有理B样条）的方式对铣削轨迹进行加工，但还不能完全被用于对铣床的控制。目前，产品模型呈花纹三角面，在设备上以直线内插轨迹进行加工，其缺点是速度和精度受限。PTW在目前的一个基础研究项目中，开发出了若干种数学方法，由此可以对自由形状表面的加工进行连贯性的分析和基于Nurbs曲线轨迹生成。在简单的测试曲线和复杂的自由形状表面上所作的试验性加工，对于Nurbs来说，就已经在数据容量、加工时间和精度方面显示出很显著的优点。图1所示为加工完毕的测试部件和公差范围在±0.1mm时的加工时间。
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5 z9 C  F: g0 A; Q/ m( V% X图1 测试工件的加工时间：线性内插与Nurbs内插的对比（加工公差：±0.1mm）。
a 测试件 b 加工时间五轴铣削愈发普遍
3 r7 g. t! t) a, o: b0 F% o9 I在五轴同步加工领域还有很多合理化改造的潜力可以被挖掘。尽管技术条件（如CAM系统、刀具和五轴铣削设备）在许多年以来已经具备，且在航空领域已经达到标准应用，但是很多模具制造厂家在近几年来方才开始实现五轴铣削。通过利用这种技术的工艺和外形优势，可以依据工件的外形情况，缩短工件的一次性加工时间。但是编程工作还是不受系统的影响，而需要一定的工作经验。对于复杂的工件外形（如图2所示的模具），在编程过程中对于干涉性的检查要比三轴加工更加费时，这是因为必须考虑设备工作空间里的所有干涉边角。

图2 复杂的压铸模具最小量润滑提高刀具寿命
2 r; f7 z! T) X8 h在对CAM的应用进行优化的同时，铣削工艺领域也得到了进一步的发展。为了能够完成对日益复杂的、合金程度越来越高和硬度越来越大材料的加工任务，需要采取一系列的措施：在铣削硬质钢材时，通过采取最小量润滑的措施，可以明显延长刀具的寿命，并改善表面质量。由于工艺参数的数量很大，且相互之间的关联性不为所知，因此缺少实际的应用建议。在相对较窄的、能够实现稳定和经济性切削的硬铣削流程窗口中，MMS系统的调节参数，如气压、润滑剂量和滴液量等均须与切削参数相匹配。在不久之前开始的一项DFG研究项目中，PTW对其基本作用机理进行了研究，并在此基础上建立了一个优化模型，从而推导出在采用MMS的硬切削时如何提高刀具寿命的问题。
* L) q# {4 _1 B8 `8 n提高生产效益的重要一步便是把科技知识转化到日常实际工作中去。很多应用场合都清晰地表明，把所有参与生产过程的人员整合到一起是一件多么重要的事情。其中一个案例便是由设备制造厂商、CAx供应商和刀具制造商共同提供的用户平台和培训；另一个是多个厂家部门在联合研究项目上的跨部门参与。PTW多年来卓有成效地实践了这种联合参与活动。目前设立了一个工作小组，专门处理HSC刀具铣削中出现的问题并继续挖掘潜力。项目的工作内容是提高硬铣削流程的安全性，优化CBN刀具的使用成本和混合材料（软/硬）有效加工的策略。
文章关键词： 刀具 模具