毕业设计论文模具高速铣削加工技术与数控编程.docx
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毕业设计论文模具高速铣削加工技术与数控编程
1概述
模具作为模压产品生产的关键工装，其设计与生产周期日益成为决定新产品开发周期的决定因素。
目前工业发达国家的航空航天、汽车、机械、模具、机床等行业首先得益于该项新技术，使上述行业的产品质量明显提高，成本大幅度降低，获得了市场竞争优势。
在汽车工业中，过去新车型的开发周期一般为10年，现在缩短为2～3年。
福特、通用、丰田等公司的新车型开发周期仅为1年半，这一切都得益于企业模具设计与制造手段的现代化水平的提高。
高速切削技术逐渐应用于加工铸铁和硬铝合金，尤其是加工大型覆盖件冲压模、锻模、压铸模和注射模，目的是在减少加工时间和研制时间的同时提高尺寸公差和表面一致性。
目前国际上高速切削加工技术主要应用于汽车工业、模具行业、航空航天行业，尤其是在加工复杂曲面的领域，工件本身或刀具系统刚性要求较高的加工领域，显示了强大的功能。
国内高速切削加工技术的研究与应用始于20世纪90年代，也是主要应用于模具、航空、航天和汽车工业，但采用的高速切削cnc机床、高速切削刀具和cad/cam软件等以进口为主。
2总体设计
模具的设计包括：
熟悉模具的概念、组成、分类与性能，掌握常用模具的牌号类别及性能特点；
熟悉并掌握注射成型、压缩成型、压注成型、挤出成型原理及工艺；
了解其它模具成型工艺
设计的过程：
设计任务.制定设计任务书
提供方案进行评价
按照选定的方案进行模具高速铣削加工分析和掌握数控编程
工艺设计：
根据总体设计的结果考虑结构工艺等条件按照要求绘制零件图。
整理设计文献和编写设计说明书
模具设计是目标是要满足使用要求和经济要求，因此常常需要经过反复多次的修改才能达到满意的效果，设计过程的各个阶段是相互联系的。
影响模具的尺寸有很多因数，不能按照计算的尺寸来定模具的尺寸，要根据实际的情况来做适当的调整，以方便使用为原则。
要考虑结构加工和装配工艺，经济性和使用条件等要求。
理论计算只是为了确定提供一个方面的的依据，有些经验公式也只是考虑了主要因素的要求，所以求的是近似值。
因此，设计要根据具体的情况做适当的调整，全面考虑强度和刚度还有结构工艺等的要求。
在设计中使用和遵守标准也是很重要的，熟悉标准和使用标准的设计的重要任务之一，许多标准的东西就不需要自己设计而可以直接使用。
3高速切削加工应用的关键技术
数控高速切削加工作为模具制造中最为重要的一项先进制造技术，是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术。
在常规切削加工中备受困扰的一系列问题，通过高速切削加工的应用得到了解决。
其切削速度、进给速度相对于传统的切削加工，以级数级提高，切削机理也发生了根本的变化。
与传统切削加工相比，切削加工发生了本质性的飞跃，其单位功率的金属切除率提高了30%～40%，切削力降低了30%，刀具的切削寿命提高了70%，留于工件的切削热大幅度降低，低阶切削振动几乎消失。
随着切削速度的提高，单位时间毛坯材料的去除率增加，切削时间减少，加工效率提高，从而缩短了产品的制造周期，提高了产品的市场竞争力。
同时，高速加工的小量快进使切削力减少，切屑的高速排除，减少了工件的切削力和热应力变形，提高了刚性差和薄壁零件切削加工的可能性。
由于切削力的降低，转速的提高使切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率，而工件的表面粗糙度对低阶频率最为敏感，由此降低了表面粗糙度。
在模具的高淬硬钢件（hrc45～65）的加工过程中，采用高速切削可以取代电加工和磨削抛光的工序，避免了电极的制造和费时的电加工时间，大幅度减少了钳工的打磨与抛光量。
一些市场上越来越需要的薄壁模具工件，高速铣削可顺利完成。
而且在高速铣削cnc加工中心上，模具一次装夹可完成多工步加工。
这些优点在资金回转要求快、交货时间紧急、产品竞争激烈的模具等行业是非常适宜的。
3.1高速切削加工
高速加工切削系统主要由可满足高速切削的高速加工中心、高性能的刀具夹持系统、高速切削刀具、安全可靠的高速切削cam软件系统等构成，因此，高速加工实质上是一项大的系统工程。
随着切削刀具技术的进步，高速加工已可以应用于加工合金钢（hrc>30），广泛地应用于汽车和电子元件产品中的冲压模、注塑模具等零件的加工。
高速加工的定义依赖于被加工的工件材料的类型。
图1是采用高速加工时对不同材料普遍采用的切削速度。
例如，高速加工合金钢采用的切削速度为500m/min，而这一速度在加工铝合金时为常规采用的顺铣速度。
图1
随着高速加工的应用范围扩大，对新型刀具材料的研究、刀具设计结构的改进、数控刀具路径新策略的产生和切削条件的改善等也有所提高。
而且，切削过程的计算机辅助模拟技术也出现了，这项技术对预测刀具温度、应力、延长刀具使用寿命很有意义。
铸造、冲模、热压模和注塑模加工的应用代表了铸铁、铸钢和合金钢的高速切削应用范围的扩大。
工业领先的国家在冲模和铸模制造方面，研制时间大部分耗费在机械加工和抛光加工工序上，如图1所示。
冲模或铸模的机械加工和抛光加工约占整个加工费用的2/3，而高速铣可正好用来缩短研制周期，降低加工费用.
3.2高速铣削加工机床
超高速切削技术是切削加工的发展方向，也是时代发展的产物。
高速切削技术是切削加工技术的主要发展方向之一，它随着cnc技术、微电子技术、新材料和新结构等基础技术的发展而迈上更高的台阶。
然而，高速切削技术自身也存在着一些急待解决的问题，如高硬度材料的切削机理、刀具在载荷变化过程中的破损、建立高速切削数据库、开发适用于高速切削加工状态的监控技术和绿色制造技术等。
高速切削所用的cnc机床、刀具和cad/cam软件等，技术含量高，价格昂贵，使得高速切削投资很大，这在一定程度上制约了高速切削技术的推广应用。
高速切削的高效应用要求机床系统中的部件都必须先进，主要表现在以下几个方面：
o机床结构的刚性
要求提供高速进给的驱动器（快进速度约40m/min,3d轮廓加工速度为10m/min）,能够提供0.4m/s²到10m/s²的加速度和减速度。
o主轴和刀柄的刚性
要求满足10000r/min到50000r/min的转速，通过主轴压缩空气或冷却系统控制刀柄和主轴间的轴向间隙不大于0.0002英寸。
o控制单元
要求32或64位并行处理器，具有高的数据传输率，能够自动加减速。
o可靠性与加工工艺
能够提高机床的利用率（6000h/y）和无人操作的可靠性，工艺模型有助于对切削条件和刀具寿命之间关系的理解。
常见国内外高速加工中心的代表如表1所示。
与传统普通数控
机床相比，其机床结构、加工速度和性能表现更加优秀，如德国的dmc85高速加工中心，采用直线电机和电主轴，其主轴转速达到30000r/min，进给速度达到120m/min，加速度超过1g（重力加速度）。
高速机床要求高性能的主轴单元和冷却系统、高刚性的机床结构、安全装置和监控系统以及优良的静动力特性等，具有技术含量高、机床制造难度大等特点。
目前国内的高速机床，其性能与国外相比还存在一定的差距。
表1国内外高速加工中心
序号
机床型号
主轴转速
（r/min）
最大进
给速度
（m/min）
快移
速度
（m/min）
制造商
（国家）
1
2
3
4
5
6
7
8
dmc85
hsm700
k211/214
hypermark
ff510
digit165
kt1400-vb
dhsc500
18000-30000
42000
40000
60000
15000
40000
15000
18000
120
20
24
60
40
30
48
62
120
40
24
100
60
30
48
62
Deckelmaho德国
mikron瑞士
fidiaspa意大利
cincinati美国
mazak日本
沈阳机床厂
北京机床研究所
大连机床集团
3.3高速切削加工的刀柄和刀具
由于高速切削加工时离心力和振动的影响，要求刀具具有很高的几何精度和装夹重复定位精度，很高的刚度和高速动平衡的安全可靠性。
由于高速切削加工时较大的离心力和振动等特点，传统的7:
24锥度刀柄系统在进行高速切削时表现出明显的刚性不足、重复定位精度不高、轴向尺寸不稳定等，主轴的膨胀引起刀具及夹紧机构质心的偏离，影响刀具的动平衡能力。
目前应用较多的是hsk高速刀柄和国外现今流行的热胀冷缩紧固式刀柄。
热胀冷缩紧固式刀柄的加热系统，其刚性较好，但是刀具可换性较差，一个刀柄只能安装一种连接直径的刀具。
由于此类加热系统比较昂贵，在初期时采用hsk类的刀柄系统即可。
当企业的高速机床数量超过3台以上时，采用热胀冷缩紧固式刀柄比较合适。
刀具是高速切削加工中最活跃重要的因素之一，它直接影响着加工效率、制造成本和产品的加工精度。
刀具在高速加工过程中要承受高温、高压、摩擦、冲击和振动等载荷，因此其硬度和耐磨性、强度和韧性、耐热性、工艺性能和经济性等基本性能是实现高速加工的关键因素之一。
同时不同的材料的工件高速切削在刀具的选用上要注意其与工件材料
匹配性，表2为常用高速刀具对不同工件材料切削加工的适应性能力。
高速切削加工的刀具技术发展速度很快，应用较多的如金刚石（pcd）、立方氮化硼（cbn）、陶瓷刀具、涂层硬质合金、（碳）氮化钛硬质合金tic（n）等。
目前由于高速机床和刀具材料价格比较昂贵是影响高速加工在国内普及的重要原因之一。
其中涂层硬质合金在高速加工中应用最为广泛，可用于耐热合金、钛合金、高温合金、铸铁、纯钢、铝合金及复合材料的高速切削。
表2常用高速刀具材料切削适应性
刀具材料
工件材料
高硬钢
耐热合金
钛合金
高温合金
铸铁
纯钢
铝合金
复合材料
PCD
×
×
●
×
×
×
●
●
PCBN
●
●
★
●
★
▲
▲
▲
陶瓷刀具
●
●
×
●
●
▲
×
×
涂层硬质合金
★
●
●
▲
●
●
▲
▲
TICN硬质合金
▲
×
×
×
●
▲
×
×
●——优★——良▲——一般×——差
在加工铸铁和合金钢的切削刀具中，硬质合金是最常用的刀具材料。
硬质合金刀具耐磨性好，但硬度比立方氮化硼和陶瓷低。
为提高硬度和表面光洁度，硬质合金刀具采用硬的涂层材料进行涂层，如氮化钛、氮化钛铝和碳氮化钛等。
直径在10～40mm范围内，且有碳氮化钛涂层的硬质合金刀片能够加工洛氏硬度小于42的材料；而氮化钛铝涂层的刀具能够加工洛氏硬度为42甚至更高的材料。
可根据使用要求，选用不同的刀具材料和涂层材料。
表3给出了硬质合金刀具加工铝合金材料的切削参数。
应用于高速切削的刀具和涂层材料可分为：
加工铸铁的立方氮化硼和氮化硅刀具，加工洛氏硬度达42的合金钢的氮化钛和碳氮化钛涂层的合金刀具，加工洛氏硬度为42甚至更高的合金钢的氮化钛铝和铝氮化钛涂层合金刀具等。
经过实践验证，在复合材料的铣削加工过程中由于切屑呈现粉末状，因此要求切削刃比较锋利耐磨，采用金刚石材料的刀具其效率和精度比普通硬质合金要好。
钛合金的切削采用涂层硬质合金和yg8的普通硬质合金比较理想。
表3硬质合金铝合金的高速切削参数
刀具
进给速度（mm/min）
切削深度（mm）
切削宽度（mm）
6刃80端铣刀
40000
1
50
平面粗加工
2刃10立铣刀
12000
0.5
10
键槽加工
3刃10立铣刀
6000
20
0.5
侧刃面加工
3.4高速切削数控编程
高速铣削加工对数控编程系统的要求越来越高，价格昂贵的高速加工设备对软件提出了更高的安全性和有效性要求。
高速切削有着比传统切削特殊的工艺要求，除了要有高速切削机床和高速切削刀具外，具有合适的cam编程软件也是至关重要的。
数控加工的数控指令包含了所有的工艺过程，一个优秀的高速加工cam编程系统应具有很高的计算速度、较强的插补功能、全程自动过切检查及处理能力、自动刀柄与夹具干涉检查、进给率优化处理功能、待加工轨迹监控功能、刀具轨迹编辑优化功能和加工残余分析功能等。
高速切削编程首先要注意加工方法的安全性和有效性；其次，要尽一切可能保证刀具轨迹光滑平稳，这会直接影响加工质量和机床主轴等零件的寿命；最后，要尽量使刀具载荷均匀，这会直接影响刀具的寿命.
3.5cam系统应具有很高的计算编程速度
高速加工中采用非常小的切给量与切深，故高速加工的nc程序比对传统数控加工程序要大得多，因而要求计算速度要快，要方便节约刀具轨迹编辑，优化编程的时间。
3.6全程自动防过切处理能力及自动刀柄干涉检查能力
高速加工以传统加工近10倍的切削速度进行加工，一旦发生过切对机床、产品和刀具将产生灾难性的后果，所以要求其cam系统必须具有全程自动防过切处理的能力。
高速加工的重要特征之一就是能够使用较小直径的刀具，加工模具的细节结构。
系统能够自动提示最短夹持刀具长度，并自动进行刀具干涉检查。
3.7丰富的高速切削刀具轨迹策略
高速加工对加工工艺走刀方式比传统方式机能有着特殊要求，因而要求cam系统能够满足这些特定的工艺要求。
为了能够确保最大的切削效率，又保证在高速切削时加工的安全性，cam系统应能根据加工瞬时余量的大小，自动对进给率进行优化处理，以确保高速加工刀具受力状态的平稳性，提高刀具的使用寿命。
cam软件在生成刀具轨迹方面应具备以下功能
o应避免刀具轨迹中走刀方向的突然变化，以免因局部过切而造成刀具或设备的损坏；
o应保持刀具轨迹的平稳，避免突然加速或减速；
o下刀或行间过度部分最好采用斜式下刀或圆弧下刀，避免垂直下刀直接接近工件材料；行切的端点采用圆弧连接，避免直线连接；
o残余量加工或清根加工是提高加工效率的重要手段，一般应采用多次加工或采用系列刀具从大到小分次加工，避免用小刀一次加工完成，还应避免全力宽切削；
o刀具轨迹编辑优化功能非常重要，避免多余空刀，可通过对刀具轨迹的镜像、复制、旋转等操作，避免重复计算；
o刀具轨迹裁剪修复功能也很重要，可通过精确裁剪减少空刀，提高效率，也可用于零件局部变化时的编程，此时只需修改变化的部分，无须对整个模型重编；
o可提供优秀的可视化仿真加工模拟与过切检查，如vericut软件就可很好地检测干涉。
4塑封模具的常用计算公式及方法
塑料模具的常用计算公式及方法主要涉及以下几个方面：
原材料线涨系数的测量计算；成型型腔尺寸的计算；型腔镶件的线涨匹配；上料框架线涨尺寸的计算。
4.1原材料线涨系数的测量计算
在这里原材料线涨系数的计算，主要针对引线框架的线涨计算，也可适用于其他材料的计算（如铝、钢等）。
在此，只提供计算方法以便灵活应用。
线涨系数指原材料温度每升高1℃，单位长度内所增加的长度。
（1）式中：
a为原材料的线涨系数／℃-1；
Lt为原材料在t温度时的长度（一般指高温时的长度）／mm；
L0为原材料在常温时的的长度／mm；
t指高温（一般我们根据封装工艺的特点测试时取175℃/℃：
to指常温（一般取20℃）／℃。
例：
一种材料在20℃时长150mm，升温到175℃时长度为150．3mm，求线涨系数a为多少?
解：
a=（150．3-150）／[150×（175-20）]=12．9X10-6℃-1。
4.2成型型腔尺寸的计算
（2）式中：
L为型腔尺寸／mm；
L'为塑件尺寸／mm；
S为树脂成型收缩率。
该公式为基本简化公式，具体计算时，根据塑封体外形偏差的大小，适当调整，在此不作累述。
S一般取0．2％～0．4％，在实际使用时根据用户提供的树脂型号选取。
例：
塑件外形尺寸为18mm，计算型腔尺寸L，树脂收缩率S为0．35％。
解：
L=18x（1+0．35％）=18．063mm
4.3型腔镶件的线涨匹配
公式：
（3）式中：
L模为模具型腔经线涨匹配后的尺寸／mm；
L产为引线框架的实测长度尺寸／mm；
a产为引线框架的线涨系数/℃-1；
a钢为模具型腔所选钢材的线涨系数／℃-1；
t工作为模具正常工作时的温度（一般取175℃/℃；
t常温为模具室温时的温度（一般取20℃）／℃。
例：
已知L产=18．288mm，a产=16．3xlO-6℃-1,a钢=11．3xlO-6℃-1，求L模。
解：
L模=18．288+（16．3x10-6-11．3x10-6）×（175-20）x18．288=18．302≈18．3mm
如上例，当a产小于a钢时，假设a产=4．5×10-6℃-1。
解：
L模=18．288+（4．5x10-6-11．3x10-6）X（175-20）x18．288=18．269≈18．27mm
4.4上料框架线涨尺寸的计算
上料框架线涨尺寸的计算，主要是以下三类尺寸的计算（见图1）。
A尺寸指模盒与模盒之间的中心尺寸；
B尺寸指一根引线框架中两个定位孔之间的距离；
C尺寸指一个模盒中确定两根引线框架之间相对位置的定位孔距离。
通过计算该三类尺寸，要达到上料框架能在工作温度下，准确地将引线框架放入模具中，避免卡滞、入位不畅等现象。
上述三类尺寸计算方法各不相同，在此提出计算方法。
4.4.1A类尺寸的计算
公式:
（4）式中：
L框为上料框架的尺寸，为所要计算匹配的A类尺寸／mm；
L模为模具中模板的尺寸／mm；
a框为上料框架材料的线涨系数／℃-1；
a模为模具中模板材料的线涨系数／℃-1；
△t框为上料框架工作温度与常温之差（一般取130℃-200℃=110℃）／℃；
△t模为模板工作温度与常温之差（一般取175℃-20℃=155℃）／℃。
例：
模板两镶件座中心距尺寸为315mm，则上料框架中心距尺寸应为多少?
其中模板材料为40Cr，线涨系数a=12×10-6℃-1；上料框架材料为铝材6061，线涨系数a=23．6×10-6℃-1。
解：
L框·（1+110x23．6x10-6）=315×（1+155x12×10-6）
则：
L框=314．77mm
4.4.2B类尺寸的计算
公式：
（5）式中：
L框为上料框架的尺寸，为所要计算匹配的B类尺寸／mm；
L镶为模具中，镶件上对应引线框两定位孔之间的长度尺寸／mm；
a框为上料框架材料的线涨系数／℃-1；
a镶为模具中镶件材料的线涨系数／℃-1；
△t框为上框架工作温度与常温之差（一般取130℃-20℃=110℃）／℃；
△t镶为模具中模盒的工作温度与常温之差（一般取175℃-20℃=155℃）／℃。
例：
模盒中对应引线框两定位孔之间的距离为150mm，则上料框架中心距尺寸应为多少?
已知：
镶件材料为D2，a=11．3×10-6℃-1；上料框架材料为铝材6061，a=23．6×10-6℃-1。
解：
L框（1+110x23．6*10-6）=150（1+155x11．3*10-6）
则L框=149．87mm
4.4.3C类尺寸的计算
C类尺寸的计算较复杂，分5个步骤完成，见图2。
（1）计算框架上两镶件座之间在工作温度下的步距尺寸，对应图中A尺寸，得到A框（高温）；
（2）计算镶件组件中两定位针之间的尺寸，在工作温度下的距离，对应图2中C尺寸，得到C镶（高温）；
（3）计算M（高温）尺寸：
M（高温）=[A框（高温）-C镶（高温）]/2（6）；
（4）将M（高温）转化为对应框架托板材料在低温下的M（低温）；
（5）计算最终的C类尺寸：
C=A框（低温）一M（低温）×2（7）
例：
已知A框（低温）=108．92mm，上料框架材料线涨系数为
23．6x10-6℃-1；C镶（低温）=57．85mm，镶件材料线涨系数为11．3x10-6℃-1；框架托板材料为2Cr13，线涨系数为11．5x10-6℃-1。
试计算框架上C尺寸。
解：
（1）A框（高温）=108．92x23．6x10-6×（130-20）+108．92=109．202mm
（2）C镶（高温）=57．85x11．3x10-6×（175-20）+57．85=57．95mm
（3）M（高温）=（109．202-57．95）／2=25．625mm
（4）M（低温）=25．625／[1+11．5x10-6×（130-20）]=25．592mm
（5）C=108．92-25．592x2=57．73mm
5模具高效数控加工的实现途径与措施
数控技术作为引进多年的先进制造技术，其技术含量很高，涉及到多方面的内容，包括数控加工编程的快速高效化空间自由曲面多轴联动加工难加工材料的切削高速切削的应用数控工艺程序编制的规范化与标准化等方面。
数控加工的效率发挥在很大程度上和企业本身的技术管理模式相关，尤其是在早期阶段，如何在短时间内攻克一门新颖有难度的技术应用难关，使其更好地发挥效率，是企业必须重视的主要问题。
一工艺技术的信息化建设现有国内企业工艺技术的管理都存在一些缺陷，企业没有根据自身的实力和发展战略采取有效的管理模式。
工艺技术的信息化管理落后主要表现在产品设计制造工艺信息资源共享不充分数控工艺程序编制及管理混乱数控工艺与普通工艺的结合性差CAD/CAM软件的应用水平参差不齐数控加工工艺与程序的规范化与标准化程度低以及产品设计数控工艺数控编程并行模式实现程度小等方面。
针对制造工艺的信息化建设和管理要求，可以从以下几方面开展工艺的信息化建设。
1产品设计工艺信息资源的共享制造工艺信息化建设最重要的是充分利用产品设计图形和文档资源，充分利用企业产品成功的制造加工工艺经练，如何利用产品的三维图形可减少数控编程人员的三维造型时间，而三维造型几乎耗费了数控编程50%的时间。
建立刀具信息库难加工材料切削参数库装夹定位信息典型材料与零件的加工工艺与程序模板和专家数据库等有助于提高编程的质量和效率，要充分利用PDM及网络资源建立开发企业内部的工艺信息管理系统，共享一切可能利用的制造信息资源。
2选择合理的CAM编程策略在进行产品加工模型的建立时，应该针对产品加工对象的具体特点采取有效而简捷的措施。
按产品加工的部位编程，多用于工序的内容比较单一，且干涉较少的情形，如孔、凹槽、凸台等特征多出现于对结构零件的编程与加工中。
对产品加工模型进行整体造型，多用于加工工序的内容比较多、干涉区域多、复杂曲面等特征的加工。
3.数控编程模板的使用利用CAM系统创建用户自己的模板，并加以重复利用可大大提高编程效率。
例如，制造模具时将加工凸模和凹模时的最佳工艺过程定义为加工模板，在加工新的相似产品对象时只需调用模板文件选择所需的几何体并启动这个流程即可，用户通过加工向导可非常容易地从模板中获得专家级的制造过程指导，并通过简单的交互，快速生成数控加工刀具轨迹。
4.CAD/CAM专家系统的应用利用CAD/CAM软件的功能模块，如钣金设计、模具设计、关联设计、零件族设计、用户自定义设计等专家设计知识，有助于减少产品的三维造型时间，从而提高数控编程的效率和正确性。
5.专用后置处理程序的开发企业一般都存在数控系统的多样性，如FANUC、SIMENSE、HEIDENHANE等，各数控系统各有优点但互不兼容，很难做到统一。
开发企业现有数控机床系统的后处理程序，可在通用数控程序处理的基础上，从机床配置、程序输出格式、坐标变换等方面，由具有软件开发和数控加工经验的技术工程师对其进行专门的开发，确保在同一类型的机床进行加工时，在共享同一刀位轨迹
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