先进的模具加工方案

在过去的几年里，世界范围内的模具制造业都得到了飞速的发展。数控机床和刀具技术的进步极大地提高了模具制造的速度和精度，这样的结果是10年以前所无法想象的。今天，CAD/CAM已经普及，高速加工也已经得到了广泛的应用，并已成为模具制造的必备技术之一。

近年，模具制造业发生了以下变化：

1．1990年，模具的一般交货周期是24个月，5年后则要求少于12个月的交货期，而今天则要求9个月甚至6个月的交货周期。

2．模具的形状更加复杂，尺寸更大，质量更重。大的模具可以达到5500mm×3000mm，重量35t。

3．模具的设计全部采用CAD设计，模具的型面全部为数学模型，模具的形状的检测要求与数学模型吻合，意味着必须用数控机床保证型面的几何精度，手工打磨必须避免或极大程度的减小。

4．实型铸造技术已广泛应用，模具的制造商提供准确的3D铸造模型，由专业的铸造厂完成精密铸造，使得铸造毛坯的精度越来越高，意味极大程度地减小了粗加工的余量。

5．刀具技术的进步使得刀具的切削速度提高，模具加工的切削线速度可以达到300～1200m/min。

6．机床、电主轴、刀具、计算机等方面的技术进步以及编程工具的日益强大为10年来高速加工的广泛应用积累了大量的经验，10000～20000r/min转速下的高速加工已经成为模具制造必备的技术。

JOBS提供了新的形势下模具加工的新的方案，这种方案建立在JOBS 20余年的五轴高速机床的制造和经验，为大量模具制造用户提供整体的解决问题方案以及高可靠性和高质量的JOBS高速加工机床的基础上。

BUSS主轴自动更换系统

在大众-斯克达工厂运转着世界先进的模具加工柔性制造系统（图1），那是高效模具加工设备的一个典型的示例，也是BUSS系统最成功的案例之一。

该柔性系统由两台JOMACH245/BUSS组成，每个机床带有16-HSK63+16-ISO50刀库，每台设备带有6个附具头，带有6个托盘的柔性托盘把两个机床连接起来。高效的加工来源于JOBS公司独有的BUSS主轴更换系统，它由可以自动更换的多个主轴头组成。

刚性非常好的3轴头具有45kW的切削功率，用于2D的粗加工，可以使用φ160mm的面铣刀，90°铣头可加工模具的侧面。强力的五轴头同样具有45kW，可以使用φ52mm的平头刀对于3D的型面做粗加工，它还可以用于加工各种空间位置的孔系。然后利用25kW、16000r/min的高速五轴头对模具进行半精加工和精加工，对于模具的外部采用25或20mm的球头刀，内侧用10mm的球头刀进行半精加工。在做精加工时刀具的切深小于0.3步距小于 0.5mm，平均进给速度可以达到12m/min，模具表面的残余高度小于0.01mm。250mm直径的加长杆用于深腔部位的加工，避免了加长刀杆带来的震动，250mm的90°加长铣头用于加工导向槽的侧面，可以保证导向槽的精度。由于采用了交换托盘，机床的主轴转动时间大大提高，可以达到6000h/年。

当然，并非所有的工厂都会投资如此先进的柔性制造系统。选择配有BUSS系统的单一设备（如JOMACH243BUSS或JOMACH245BUSS）也是一个非常好的选择，这样同样可以在一次装卡完成从粗加工到精加工的全部工序。如果将机床的床身加长一倍，可以在一侧加工，另一侧装卡，同样可以提高主轴的运行效率。目前，世界上已经运行着十几套这样的机床了。

JIMS高效高速加工系统

JIMS是JOBS公司推出的另一套高效高速加工方案（图2、图3），它是电主轴的更换系统，它可以半自动更换38kW、200Nm、6000r/min的主轴，31kW、125Nm、10000r/min的主轴，40kW、55Nm、18000r/min的主轴。建立在粗加工分开的加工概念基础之上，JIMS解决方案是模具型面加工的全部方案。与一般的单主轴高速加工机床相比，JIMS有以下特点：

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图3 JIMS高速加工中心

1．切削能力

高速加工使用的主轴一般为电主轴转速为15000r/min以上，功率不小于15kW，其轴承为陶瓷轴承，直径也很小，不宜于承受低速重载，因此选用的加工速度一般在10000r/min附近，刀具直径小于20mm，精加工的切削量在0.5mm以内，这实际上解决的是零件表面的抛光。对于具有较大余量的型面的粗加工（指刀具直径30mm以上，切深5mm以上）的和半精加工（切深5mm以内），一般达不到高效率加工，即便高速头具有足够的动力，但是考虑到加工可能带来震动会影响陶瓷轴承的寿命，一般也不推荐使用。JIMS系统中可以选用6000r/min（普通轴承）和18000r/min的两种电主轴，它们覆盖了1800～18000r/min的全部的加工范围，可以胜任所有3D型面的粗加工、半精加工和精加工。

2．刀具问题

理论上讲，可以利用高速机床的小吃刀、快走刀的方式解决型面的粗加工和半精加工，但这种方法必然会使刀具轨迹的长度加长。高速加工刀具一般采用整体硬合金的球头刀，为了提高刀具的寿命，在表面用TiAlN涂层，刀刃不能重磨，刀具和刀柄的精度要求很高以适应高速加工平衡的要求。刀具比较昂贵，而且寿命有限。JIMS系统中的低速头完全可以使用普通的国产刀具，只在高速加工时才使用价格昂贵的高速刀具，提高了高速机床的加工效率同时也降低了加工成本。

3．零件的表面预处理

模具在进入高速加工之前，零件表面的处理的情况是影响高速效果的非常重要的因素。一般要求模具型面上留有较为均匀的余量，避免在高速加工刀具突然切入引起震动影响刀具和主轴的寿命。这就要求在粗加工的过程中就考虑到型面的变化，并提高对粗加工的要求，增加了粗加工的时间。JIMS提供的6000r/min的主轴可以对零件的表面做很好的预处理，使得模具在进入最后的精加工阶段留有非常均匀的余量，可以极大地提高模具最终的加工精度并可以高刀具和主轴的寿命。

4．粗、精加工生产的协调

模具制造厂在购买高速加工设备时会经常遇到粗、精加工设备的匹配问题。国内很多工程师认为一台高速加工机床至少可以和两台至三台粗加工机床匹配，而国外的很多工程师则认为应该为1：1的配置。不同的结论来自于不同的应用水平，同时和刀具、模具的材料及毛坯的质量有关，即使同一个工厂对不同的模具也有不同的最佳匹配效果。JIMS系统的6000r/min的主轴为生产的匹配提供了最佳的柔性。由于6000r/min的主轴有很强的加工能力它对于型面的加工速度远远高于传统的粗加工机床，用户可以适当提高精加工机床的比例，提前将模具放到高速机床上处理利用，可以极大限度的提高高速机床的利用率。

5．强力和高速五轴技术的应用

JIMS系统提供了强力和高速两个五轴头，它使得在半精加工时就可以利用五轴的编程技术，可以保证最终五轴高速加工的余量和精度。在很多情况下采用五轴加工技术可以应用平面刀具，加大切削宽度，提高表面光洁度，提高切削效率。在后面的一个零件加工过程的分析中可以看到五轴加工技术的应用效果。

一个零件的初步加工

在这个分析中，我们加工的零件（图4）材料为铸铁，局部的加工余量为（4～5mm），装卡部位无加工干涉。我们推荐的加工方式如下：

图4 一个零件的五轴加工

·大面积的低曲率平滑表面的半精加工采用(63R6的平面圆角刀（toric cutter），留下最大0.3mm的余量（这个加工过程为五轴联动）。

·狭窄面积的低曲率部位（如侧肋）的半精加工采用(24R6的平面圆角刀（toric cutter），留下最大0.2mm的余量（这个加工过程为五轴联动）。

·圆角部位的半精加工用(16R8的球头刀，留下最大0.1mm的余量。

·大面积的低曲率平滑表面的精加工采用(63R6的平面圆角刀（toric cutter），这个加工过程为五轴联动。

·狭窄面积的低曲率部位（如侧肋）的精加工采用(24R6的平面圆角刀（toric cutter），这个加工过程也为五轴联动。

·圆角部位的精加工用(16R8的球头刀，这个加工过程采用“3+2轴”，这种方法能够加工到难加工的部位（因而可以减小刀具的长度），使刀具倾斜于加工表面可以增加切削的线速度，进而提高表面的加工质量。

·凸工件的半精加工采用全五轴联动刀具和表面的法线成约5°倾角用多刃平头圆角刀，对于球头刀采用3+2的加工方式。

·凹工件的半精加工采用与部件方向平行的方式加工，刀具倾角约为20°，加工方式为3+2轴。

·精加工和超精加工时采用与部件的方向成45°角的加工方式，刀具的倾角为30°，编程方式为3+2。