1、专题一 现代模具制造技术,专题一 现代模具制造技术,1 数控加工技术 2 快速原型制造技术RPM 3 高速切削技术HSM,1数控加工技术,1数控加工技术,一、数控加工机床 二、数控机床编程基础 三、数 控 车 削 四、数 控 铣 削 五、加 工 中 心 六、模具数控加工工艺,三、 数 控 车 削,1、数控车床的应用,（1）加工精度要求高和表面粗糙度值低的回转体零件。 尺寸加工精度IT6IT5。 表面粗超度Ra1.6以下。,数控车加工的特点,加工精度高 能做直线和圆弧插补 在加工过程中能自动变速,1、数控车床的应用,（2）加工轮廓形状复杂的零件。 任意复杂回转体零件的车削； 例如：图1-1、1-
2、2所示，饮料瓶的吹塑模等。,图1-1 吹塑模型芯的加工,图1-2 塑料灯座压制模型腔,数控车床的应用,（3）加工特殊类型的螺纹。,车非标准螺纹,图1-3 变导程螺纹的加工,车削中心与数控车床的主要区别在于： （1）动力刀具功能 车削中心在刀架部分增加了驱动刀具旋转的装置，因此它除了可以装夹内、外圆车刀以外，还可装夹自驱动的回转刀具，如铣刀、钻头、丝锥等。,2、车削中心,2、车削中心,（2）C轴位置控制功能 该功能可以达到很高的角度定位分辨率（一般为0.001），还能使主轴和卡盘按进给脉冲做任意低速的回转，这样车床就具有X, Z, C三个坐标，可实现三坐标两联动控制。,2、车削中心,X-C坐标联
3、动可以在工件端面上进行铣削。 Z-C坐标联动可以在工件外圆上进行铣削。 可铣削凸轮槽和螺旋槽。,2、车削中心,观看视频：车削中心,四、 数 控 铣 削,1. 数控铣床简介,四、 数 控 铣 削,1. 数控铣床简介,（1）立式数控铣床 立式数控铣床在模具加工中应用最为广泛。 立式铣床按数控装置可控轴数（即机床数控装置能够控制的坐标数目）分为两轴半、三轴、四轴、五轴等数控立式铣床。 （2）卧式数控铣床,1. 数控铣床简介,能完成铣削、镗削、钻削、攻螺纹及自动工作循环，基本能满足模具制造的所有切削需要。,1. 数控铣床简介,一般数控铣床的坐标定位精度为0.01mm，重复定位精度为0.005mm。,（
4、1）轮廓加工。采用数控铣床可以轻松地实现模具的轮廓加工，提高加工效率。 例如：冲头、凹模的加工，注塑模镶块、型芯的加工等。,2. 数控铣床的应用,2. 数控铣床的应用,（2）曲面加工。曲面加工是数控铣削最擅长的加工领域。 在塑料模中用到最多的就是型腔、型芯的加工，以及电极、镶块的加工。,2. 数控铣床的应用,（3）孔系加工。 加工型腔、型芯的固定孔；导柱、导套孔；推杆孔、拉杆孔；以及其他有配合要求的孔及孔系。,一方面易于保证尺寸精度和位置精度，另一方面也可以减少重复安装找正的时间，有利于缩短模具制造周期。,五、 加 工 中 心,五、 加 工 中 心,具有自动交换刀具的功能（刀库）的数控设备。
5、车削中心：以回转体零件为加工对象 立式和卧式加工中心：以非回转体零件为加工对象。,1、立式加工中心 盘、套、板类零件的加工 应用广泛 不能加工太高的零件,2、卧式加工中心 除安装面及顶面外4个面的加工（箱体类零件） 带有自动交换工作台,3、加工中心的主要加工对象,箱体类零件 复杂曲面：各种曲面成形模具如注塑模、橡胶模、压铸模等 异形件 盘、套、板类零件,（1）换刀方式 1）机械手换刀 2）主轴换刀,4、自动换刀,4、自动换刀,（2）刀具识别 1）刀座编码 （刀具号与刀座号一致） 2）刀柄编码（刀柄感应器）,5、机外对刀,图1-4 CCD投影式刀具预调仪,5、机外对刀,刀具预调仪是一种可预先调整
6、和测量刀尖直径、装夹长度，并能将刀具数据输入加工中心数控程序的测量装置。,预先测量使用的每把刀具的长度，并在CNC中设定标准刀具的长度和每把刀具的长度之间的差，即使刀具改变了，也不需要更换程序便可实现加工。 该功能称为刀具长度补偿。,6、刀具长度补偿,图1-5 刀具长度补偿,因为刀具有半径，所以刀具中心（刀位点）的轨迹相对于工件的轮廓偏移了一个刀具的半径。 如果刀具半径储存在CNC中的话，刀具可离开加工零件形状为刀具半径的轨迹移动。 该功能称为刀具半径补偿。,7、刀具半径补偿,图1-6 刀具半径补偿,六、模具数控加工工艺,（一）模具数控加工工艺设计步骤,1研究、消化零件的图样，并对其进行工艺分
7、析，确定数控加工内容。 2选择与确定切削加工的数控机床。 3制定数控加工工艺路线，确定加工工序和工步。 4数控加工的刀具、夹具和量具的选择及调整。,模具数控加工工艺设计,5对零件的图形进行数学处理，计算和优化加工轨迹。 6编写（自动生成）数控程序并对程序进行校验及修订。 7首件试制与现场问题处理。 8根据试制反馈的问题进行数控加工工艺的修订、定型及归档。,1、模具零件数控加工工艺性分析,（1）数控加工零件图尺寸数据的分析（2）数控加工零件各加工部位的结构工艺性分析,（1）数控加工零件图尺寸数据的分析,分析零件图上尺寸的标注是否适应数控加工的特点数控加工最倾向于以同一基准标注尺寸或直接给出坐标尺
8、寸，因为这样的尺寸标注既方便编程，又方便尺寸之间的相互协调，能较好地保持设计基准、工艺基准、检测基准与编程原点设置的一致性。,实际生产零件图,（1）数控加工零件图尺寸数据的分析,分析构成零件轮廓的几何元素的条件是否充分自动编程时，要对构成零件轮廓的所有几何元素进行定义，手工编程时，要计算出每个节点坐标，图纸中无论哪一点定义不明确或不确定，编程都无法进行。,（2）数控加工零件各加工部位的结构工艺性分析,零件各加工面的凹圆弧不应过于零乱零件内腔和外型上的凹圆弧半径不要过于零乱，最好能够采用统一的几何尺寸； 以减少刀具规格和换刀次数； 使编程简单方便，使生产效益提高，同时还可提高零件表面的质量。,（
9、2）数控加工零件各加工部位的结构工艺性分析,内槽圆角半径不应太小内槽圆角的大小决定着刀具直径的大小，受刀具直径的限制，内槽圆角的半径不应太小。,刀具刚性好,刀具刚性差,（2）数控加工零件各加工部位的结构工艺性分析,槽底圆角半径不应过大铣削底平面时，零件槽底圆角半径r不应过大。,2、工序的划分 （数控加工工艺路线的设计）,在数控机床上特别是在加工中心上加工零件，工序十分集中，许多零件只需在一次装夹中就能完成全部工序。,工序的划分,数控加工工序的划分,刀具集中分序法,粗、精加工分序法,按加工部位分序法,工序的划分,刀具集中分序法,即按所用刀具划分工序，用同一把刀加工完零件上所有可以完成的部位，再用
10、第二把刀、第三把刀完成它们可以完成的其它部位。,特点：,这种分序法可以减少换刀次数，压缩空程时间，减少不必要的定位误差。,工序的划分,粗精加工分序法,这种分序法是根据零件的形状、尺寸精度等因素，按照粗、精加工分开的原则进行分序。对单个零件或一批零件先进行粗加工、半精加工，而后精加工。,注意：,粗精加工之间，最好隔一段时间，以使粗加工后零件的变形得到充分释放，再进行精加工，以提高零件的加工精度。,工序的划分,按加工部位分序法,即先加工平面、定位面，再加工孔；,先加工简单的几何形状，再加工复杂的几何形状；,先加工精度比较低的部位，再加工精度要求较高的部位。,工序的划分原则,1、零件材料变形小，加工
11、余量均匀，可以采用刀具集中分序法，以减少换刀时间和定位误差；,2、若零件材料变形较大，加工余量不均匀，且精度要求较高，则应采用粗精加工分序法。,3、数控加工工序的设计,在完成数控加工工艺路线的设计后，各道数控加工工序的加工内容就基本确定了下来，接着便可以进行数控加工工序的设计。,3、数控加工工序的设计,数控加工工序是指一个零件在一次装夹中连续自动加工直至结束的所有工艺内容。 它包括零件的装夹方法、刀具的选择、夹具的选用、确定合适的对刀点和换刀点、走刀路线、切削用量选择等具体的加工内容。,（1）数控刀具的选择,数控加工对刀具的特殊要求要求数控刀具的强度、刚度、可靠性、耐用度、精度都要高，而且还要
12、求其尺寸稳定、安装调整方便。,a,b,c,刀具干涉实例,可靠的断屑,数控机床与传统自动化机床一样，切屑不断屑、切屑堆积、切屑缠绕都会影响加工的正常进行，因此，应合理选用断屑槽的形状、尺寸与切削用量，保证断屑的可靠。,（2）、走刀路线与加工参数,走刀路线 走刀路线是刀具在整个加工工序中相对于工件的运动轨迹(它泛指刀具从对刀点或机床固定原点开始，到返回该点并结束加工程序所经过的所有路径)。 走刀路线不仅包括了工步的内容，也反映出了工步的顺序。,走刀路线,数控加工走刀路线的确定是非常重要的，它不仅影响加工零件的尺寸精度、位置精度与表面粗糙度; 而且还影响数控机床与刀具的寿命，影响数控编程的数学计算。
13、,走刀路线,在确定走刀路线时，主要应考虑I 保证加工零件的精度与表面粗糙度,由于该零件的余量不均匀，其粗加工的合理走刀路线如图中双点划线所示分为4段； 在依次加工完成后，换精车刀一次精车全部外表面； 这样的走刀路线既保证了零件的加工效率，又避免了分段粗加工时的接刀痕，保证了零件的加工精度。,走刀路线,II 力求走刀路线最短,数控镗床、数控钻床是典型的点位控制机床。这类机床多用在平面上加工孔，孔的定位精度较高。 对于点阵孔群的加工路线，应力求保证各点间刀具运动路线的总和最短，以减少空程时间，提高加工效率。,点位控制加工路线的确定,a） b）图1-7 最短加工路线的设计,以图1-7所示孔群的加工为
14、例， 按习惯，一般都是先加工一圈均布于圆上的8个孔，然后加工另一圈，如图a）所示。 但对于数控加工来说，这并不是最好的加工路线。若按b）所示的路线加工，比图a）要减少大约一半的空程时间。由此可见，图b）的加工路线最佳。,走刀路线,III 合理选择铣削内轮廓的走刀路线,行切法，路线虽短，但工件轮廓周边有较大的残留余量,环切法，路线较长且计算较复杂,先用行切法粗铣，最后用环切法精铣内轮廓一周，既保证了加工质量，路线也较短，计算又简单，是最佳方案。,走刀路线,IV 切入点和切出点所谓切入点和切出点就是一次切削的起始点和终了点。,IV 切入点和切出点,数控加工轮廓完成时的最后一刀，一般都是连续加工而成
15、； 这时要确定好刀具的切入点和切出点位置，尽量不要在连续表面上安排切入和切出或者换刀与停刀； 否则，会在光滑表面上留下接刀痕和滞留刀痕，影响表面质量。,IV 切入点和切出点,铣削平面零件外轮廓时，应沿切削起始点延伸线或轮廓曲线延长线的切向逐渐切入工件，以保证零件曲线的平滑过渡，同样，在切离工件时，也应避免在切削终点处直接拾刀，要沿着切削终点延伸线或切线方向逐渐切离工件,IV切入点和切出点,用圆弧插补方式铣削外整圆时，在整圆加工完毕后不得在切点处而应沿切线方向让刀具多行一段距离，以免取消刀具补偿时，刀具与工件表面发生碰撞，造成工件报废,IV切入点和切出点,。,。,。,A,B,C,应尽量避免在连续
16、几何图素的中间切入,虽然是两几何图素的交点，但在这里刀具沿切线方向切出后将影响已加工表面精度,可沿图形轮廓切向切入切出，且保证轮廓封闭,IV切入点和切出点,铣削封闭的内轮廓表面时，同铣削外轮廓一样，刀具同样不能沿轮廓曲线的法向切入和切出，由于内轮廓曲线无法外延，此时刀具可以沿一过渡圆弧切入和切出工件轮廓,数控加工工艺文件的种类和形式有多种，不同的企业，其具体内容也有所差异。但是，都应包含以下基本内容： 1数控加工工序卡； 2数控刀具调整卡； 3数控机床调整卡； 4数控加工程序单。,6、数控加工工艺文件,数控刀具调整卡,数控加工对刀具的要求十分严格，一般要在机外对刀仪上预先调好刀具的长度和直径。
17、 数控刀具调整卡是指导机外对刀、预置、调整或修改刀具尺寸的工艺性文件。,2 高速切削技术,高速切削技术,一、高速加工技术 二、高速加工的优点 三、高速加工设备与CAM系统 四、高速加工应用,一、 高速加工技术,（一） 高速切削原理与特点 高速加工（High Speed Machine，HSM）：是指使用超硬材料刀具，在高转速、高进给速度下提高加工效率和加工质量的现代加工技术。,（一） 高速切削原理与特点,在常规的切削速度范围内，随着切削速度的增大，切削温度随之提高； 例如图1-8 Salomon曲线 的A区 对每一种工件材料存在一个速度范围，切削加工不能进行的死区，如图1-8 B区,图1-8
18、Salomon曲线,（一） 高速切削原理与特点,Salomon指出： 但当切削速度增大到某一数值Vc后，切削速度再增大，切削温度反而降低，同时切削力也会大幅度降低。如图1-8 Vc的值与工件材料的种类有关。,（一） 高速切削原理与特点,切削速度提高，切削过程产生的切削热来不及传于工件和刀具，而被切屑带走。（加工质量高，刀具耐用度高） 切削剪切区温度升高，材料屈服强度降低。（切削力降低）,（二）、高速加工的优点,（1）加工效率高 （2）加工质量高 （3）刀具磨损小,（1）加工效率高,高的切削速度，较大的进给速度，单位材料切除率大。 硬度HRC62以下均可加工，可整体热处理后，粗、精加工一次完成。
19、 加工精度高，减少研磨抛光时间。,（2）加工质量高,切削力低（比常规可降低30%），可减少工件变形； 热量95%以上被切屑带走， 工件热变形小； 加工过程平稳，振动小， 可实现高精度、低粗超度加工。 （加工质量可与磨削加工相当）,（3）刀具磨损小,切削力小，切削热少，刀具耐用度高 常用陶瓷、立方氮化硼、涂层硬质合金等刀具刀具耐用度高。,二、高速铣削,高速铣削与常规铣削方式工艺参数选择： 常规铣削方式：低进给速度和大切削参数。 高速铣削方式：高进给速度和小切削参数。,高速铣削的工艺特点,（1）主轴转速（切削速度v）高（一般在20000r/min以上）； （2）进给速度快（最近研究可达60m/mi
20、n，甚至可达120m/min） （3）切削深度小ap（一般在0.30.6之间） （4）切削行距小f（一般在0.2mm一下）,1高速加工设备 （1）床身本体 ：人造花岗岩床身，龙门式结构； （2）主轴单元：将主轴电机与主轴合二为一，制成电主轴,三、高速加工设备与CAM系统,电主轴,1-编码盘 2-电主轴壳体 3-冷却水套 4-电动机定子 5-油气喷嘴 6-电动机转子 7-阶梯过盈套 8-平衡盘 9-角接触陶瓷球轴承,（2）电主轴技术,瑞士FISCHER AG公司的SC 1060-0A电主轴： 转速范围60000-160000r/min， 采用陶瓷球轴承支撑， 套筒直径60mm,（2）电主轴技术,
21、洛阳轴承研究所，加工中心铣削电主轴 主轴转速在10000-30000r/min,直线电机传动示意图,1-直线滚动导轨 2-床身 3-工作台 4-直线电机动件（绕组） 5-直线电机定件（永久磁钢）,（3）进给驱动系统,（3）进给驱动系统,在复杂曲面的高速切削中，当进给速度增加1倍时，加速度增加4倍才能保证轮廓的加工精度要求。,（3）进给驱动系统,直线电机传动的特点： 实现了无接触直接驱动，避免了滚珠丝杠传动中的反向间隙、惯性、摩擦力和刚性不足等缺点，可获得高精度的高速移动并且有极好的稳定性。,（3）进给驱动系统,当前国际上电动机及其驱动系统的知名供应商： 德国Siemens公司、日本FANUC公
22、司、三菱公司等,（3）进给驱动系统,例如FANUC公司的L17000C3/2i参数为： 最大推力17000N；连续推力3400N（自然冷）/4080N（气冷）/6800N（水冷）；最大速度4m/s，最大加速度30g,（4）刀具夹持系统（动平衡）,2CAM系统,（1）CAM系统应具有很高的计算速度 （2）全程自动过切处理能力及自动刀柄干涉检查 （3）进给率优化处理功能 （4） 符合高速加工要求的丰富的加工策略,四、 高速加工应用,（1）淬硬模具型腔的直接加工 （2）特殊零件的加工 （3）电火花加工用电极制造 （4）实现模具快速制造,型腔常规加工方法：普通铣削粗加工热处理电加工 研磨抛光（光整加工） 高速铣削：整体热处理高速铣削完成粗精加工,
