各種高速加工刀具，鋁合金壓鑄的發(fā)展大助力

鋁合金壓鑄模具的高速切削加工需配備適宜的刀具、刀柄。高速切削要求刀具材料應(yīng)有高硬度、高強(qiáng)度、耐磨性、高韌度及抗沖擊能力強(qiáng)，高的熱硬性和化學(xué)穩(wěn)定性，高抗熱沖擊能力強(qiáng)等。高速切削要求刀具和刀柄的外形尺寸小，夾緊精度高，傳遞轉(zhuǎn)矩大，結(jié)構(gòu)對(duì)稱性好，有利于刀具的動(dòng)平衡。其次還需選擇合適的刀具幾何角度，以及選擇合適的切削參數(shù)。

目前廣泛應(yīng)用的高速切削刀具主要有：金剛石刀具、立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、涂層刀具、TiC（N）基硬質(zhì)合金、超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金刀具等（見附表）。合理選用刀具材料是成功進(jìn)行高速切削加工的關(guān)鍵，每一刀具材料針對(duì)不同的模具材料，有其不同的適應(yīng)能力。

高速切削刀具主要材料表

在國(guó)際刀柄系統(tǒng)市場(chǎng)上，影響比較大的高速加工工具系統(tǒng)主要有以下幾種：

（1）德國(guó)開發(fā)的HSK（空心短錐柄）刀柄系統(tǒng)。HSK刀柄系統(tǒng)，空心、薄壁、短錐，錐比為1︰10，端面與錐面同時(shí)定位、夾緊，刀柄在主軸中的定位為過定位，使用由內(nèi)向外的外漲式夾緊機(jī)構(gòu)。

HSK刀柄系統(tǒng)

（2）美國(guó)KENNAMETAL公司開發(fā)了KM刀柄系統(tǒng)。KM刀柄系統(tǒng)，也是一種由錐面和止靠端面進(jìn)行雙向定位和夾緊的系統(tǒng)，柄部采用與HSK相同的1：10短錐。其重要特點(diǎn)是通過錐柄的止靠端面、錐度大直徑處的錐面和錐柄尾部的錐面共三個(gè)面進(jìn)行接觸夾緊。夾緊時(shí)，通過推桿斜面推動(dòng)滾珠徑向壓緊在滾珠軌道上，使這種夾緊力以3.5：1的增力比實(shí)現(xiàn)強(qiáng)力夾緊，由此達(dá)到幾乎類似于一個(gè)整體刀具的剛性。而且其徑向和軸向的重復(fù)定位精度可達(dá)到±2.5μm。

KM刀柄系統(tǒng)

（3）日本日研（NIKKEN）公司開發(fā)了NC5刀柄系統(tǒng)。NC5刀柄系統(tǒng)，也采用了空心短錐結(jié)構(gòu)，錐度為1：10，并且也是采用錐面和端面同時(shí)定位、夾緊工作方式，定位原理與其他系統(tǒng)相同，不同的是把1：10的錐柄分成錐套與圓柱柄兩部分套在一起，錐套端面有蝶形彈簧，錐柄尾端是螺釘孔，用于安裝拉釘。

NC5刀柄系統(tǒng)的扭矩是由前端圓柱上的鍵槽傳遞的，刀柄尾部沒有傳遞扭矩的鍵槽，所以軸向尺寸比HSK刀柄短。它與前面兩種刀柄的最大區(qū)別在于刀柄沒有采用薄壁結(jié)構(gòu)，刀柄錐面處增加了一個(gè)中間錐套。KM刀柄和HSK刀柄是通過薄壁的變形來補(bǔ)償?shù)侗椭鬏S制造誤差，保證錐面和端面同時(shí)可靠的接觸，而NC5刀柄是通過中間錐套的軸向移動(dòng)達(dá)到這個(gè)目的。中間錐套的軸向移動(dòng)動(dòng)力來自刀柄端面上的碟形彈簧。由于中間錐套的誤差補(bǔ)償能力較強(qiáng)，因此NC5刀柄對(duì)主軸和刀柄本身的制造精度的要求可稍低些。

NC5刀柄系統(tǒng)，僅有一個(gè)安裝拉釘?shù)穆葆斂?，孔壁較厚，強(qiáng)度高，可采用增壓夾緊機(jī)構(gòu)，滿足重切削的要求。其主要缺點(diǎn)是刀柄和主軸錐孔之間增加了一個(gè)接觸面，刀柄的定位精度和剛度有所下降。

日研NC5工具系統(tǒng)

（4）大昭和精機(jī)開發(fā)的BIG-PLUS40型系統(tǒng)。BIG-PLUS刀柄的錐度仍然是7：24。其工作原理是將刀柄裝進(jìn)主軸錐孔鎖緊前，端面的間隙小。鎖緊后利用主軸內(nèi)孔的彈性膨脹補(bǔ)償端面間隙，使刀柄端面與主軸端面貼緊，從而增大其剛度。這種刀柄同樣采用了過定位，因而必須嚴(yán)格控制其外形精度和位置精度，其制造工藝難度比HSK刀柄還要高。這種改進(jìn)型錐柄可與原7:24錐柄互換使用，可應(yīng)用于原主軸錐孔。

（5）瑞典SANDVIKCOROMANT公司開發(fā)的CAPTO刀柄系統(tǒng)。CAPTO刀柄系統(tǒng)，與以上幾種錐柄不同的是，錐柄不是圓錐形，而是呈錐形的三棱形（空心），棱為圓弧形，錐度為1：20。與HSK刀柄系統(tǒng)一樣，可實(shí)現(xiàn)工具柄錐面和止靠端面的接觸定位，其特點(diǎn)是通過三棱空心錐柄與三棱錐孔間的成形鎖緊來實(shí)現(xiàn)工具柄的無間隙定位，從而無需采用諸如鍵槽和驅(qū)動(dòng)鍵這樣的元件就能傳遞較大的轉(zhuǎn)距。他的特點(diǎn)是應(yīng)力分散，分布合理，定心性好，精度高，適合高速旋轉(zhuǎn)。優(yōu)點(diǎn)是無滑動(dòng)的扭矩傳遞，動(dòng)平衡性能好，位置精度高。缺點(diǎn)是三棱體很難加工，制造成本相比以上幾種錐柄都要高。

CAPTO刀柄系統(tǒng)

國(guó)際上，還有其他一些公司，也各自開發(fā)出多種適應(yīng)高速切削加工需要的工具系統(tǒng)。尤其是日本三菱金屬、富士精工等也在兩面夾緊系統(tǒng)的研究與開發(fā)方面做了大量的研發(fā)工作。這些工具系統(tǒng)都在一定的程度上解決了傳統(tǒng)的BT（7:24錐度）工具系統(tǒng)存在的問題，但都各具特點(diǎn)，其共同特點(diǎn)是大都采用了錐面和端面同時(shí)夾緊的兩面夾緊式工作方式。但從適應(yīng)機(jī)床轉(zhuǎn)速進(jìn)一步高速化的發(fā)展要求，1：10短錐空心柄則更有優(yōu)勢(shì)。所以，更多的日本公司還是積極采用德國(guó)DIN標(biāo)準(zhǔn)的HSK刀柄，如NT工具公司、黑田精工、圣和精機(jī)、三菱金屬等都先后引進(jìn)HSK生產(chǎn)技術(shù)。

從刀具夾持來講，除傳統(tǒng)的夾頭夾持外，為適應(yīng)高速加工的需求，液壓夾持刀柄、熱裝式刀柄在近幾年都為高速加工技術(shù)水平提高帶來了驚喜。

模具高速加工工藝特性及優(yōu)化

由于在高速加工過程中，切削模式、刀具路徑、程序切前檢查以及切削參數(shù)等都將是成功高速切削的關(guān)鍵因素。因其過程高速度的動(dòng)態(tài)變化，切削期間刀具干涉、瞬間停止、尖角處理、切削方向的逆轉(zhuǎn)和不穩(wěn)定的刀具移動(dòng)等各種因素都將直接影響切削的速度和加工質(zhì)量。

（1）切削載荷須輕而恒定。高速切削中刀路軌跡必須要光滑，通常采用較小的步距和淺的切削深度（刀具直徑的10%左右）；刀具要平滑的切入、切出工件，使用坡度、圓弧和螺旋式進(jìn)刀，在平面的輪廓加工過程中，通常采用圓弧的切向進(jìn)退刀方式，在曲面加工過程中多采用讓刀，沿一定坡度或螺旋線方向切入切出工件；大量采用等高分層加工代替仿行加工。另外，粗加工時(shí)刀具多以螺旋或圓弧方式切入工件材料，使進(jìn)給率和機(jī)床轉(zhuǎn)速之比達(dá)到最佳；精加工應(yīng)避免急劇變化的刀具運(yùn)動(dòng)，避免在外形輪廓上直接進(jìn)刀和退刀。

圓弧和螺旋方式進(jìn)刀

基于模具零件表面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，可能會(huì)導(dǎo)致編程時(shí)相鄰的兩條刀具路徑難以光滑，而出現(xiàn)急劇變化的路徑。遇到這樣的情況，一般采用抬刀至一定高度過渡或輔助軌跡過渡的方式。行切的光滑移刀方式可以采用相切圓弧連接、內(nèi)側(cè)或外側(cè)圓弧連接。環(huán)切的光滑移刀多采用環(huán)間圓弧式、空間螺旋式切出與切人。

刀具路徑橫向平滑過渡方式

拐角圓弧平滑過渡方式

合理的切入切出方式，橫向與拐角路徑的平滑過渡，以及等高分層加工規(guī)劃與合理的進(jìn)給量，始終是為了確保高速加工時(shí)切削負(fù)荷輕而恒定。

（2）合理的刀具參數(shù)選擇。適宜高速加工的金剛石刀具、立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、涂層刀具、TiC（N）基硬質(zhì)合金、超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金刀具等，不同的材質(zhì)的刀具適宜于不同的模具材料、工況外，針對(duì)不同的模具材質(zhì)，刀具還有不同的切削參數(shù)的選擇。一般認(rèn)為，高速切削的切削速度是常規(guī)切削速度的5～10倍。

遇陡峭、拐角等位置，為避免高速加工設(shè)備沒有前饋功能，須給予合理的降速，要在編程時(shí)在陡峭、拐角位置設(shè)置適宜調(diào)整比例，合理地對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以免保持高速機(jī)床合理的負(fù)載，以及減少質(zhì)量事故。

（3）先進(jìn)的CAM軟件選擇。采用高速加工設(shè)備后，對(duì)編程人員的要求也增加。近年來CAM系統(tǒng)也越來越簡(jiǎn)單和方便，更貼近于車間高速加工。當(dāng)前，模具行業(yè)常用的CAM軟件有美國(guó)UGNX/CAM、以色列Cimatron/CAM、法國(guó)CATIA/CAM、美國(guó)I-DEAS/CAM、美國(guó)Mastercam/CAM、英國(guó)DelcamPowerMILL/CAM等輔助制造軟件，都分別對(duì)高速加工模塊進(jìn)行了工藝創(chuàng)新。