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浅谈高速切削加工技术在模具制造中的应用
来源：不祥 | 责任编辑：小语
　　随着科技进步和工业的飞速发展，模具已经成为当今工业生产中使用极为广泛的主要工艺装备。模具作为重要的工艺装备，在消费品、电器电子、汽车、飞机制造等工业部门中占有举足轻重的地位。工业产品零件粗加工的75%，精加工的50%及塑料零件的90%将由模具完成。目前中国模具市场需求已达500亿元的规模，我国模具制造市场潜力巨大。模具是一种专用工具，用于成形(型)各种金属或非金属材料所需要零件的形状制品，这种专用工具统称模具。模具是工业生产中最基础的设备，是实现少切削和无切削的不可缺少的工具。模具已广泛用于工业生产中的各个领域,如汽车、摩托车、家用电器、仪器、仪表、电子等,它们中60%～80%的零件都需要模具来进行制造;高效大批量生产的塑料件、螺钉、螺母和垫圈等标准件也需要模具来生产;工程塑料、粉末冶金、橡胶、合金压铸、玻璃成型等更需要用模具来成型。
　　正因为模具应用如此广泛，与之相关的模具制造技术也有了很大的发展。目前，采用高速切削生产模具已经成为模具制造的大趋势。在国外一些模具生产厂家，高速机床大面积取代电火花机床，高速切削生产模具已经逐渐成为模具制造的大趋势。
　　二、高速切削加工技术概述
　　高速切削(High Speed Cutting,HSC)是近十年来迅速崛起的一项先进制造技术。由于高速切削技术具有切削效率高、加工质量高、能直接加工淬硬钢件和良好的经济性,使航空、模具、汽车、轻工和信息等行业的生产效率与制造质量显著提高,并引起加工工艺及装备相应的更新换代。因此如同数控技术一样,高速切削和高速加工已成为21世纪机械制造业一场影响深远的技术革命。目前,适应HSC要求的高速加工中心和其他高速数控机床在发达国家已呈普及趋势,我国近来也在加快发展。
　　1、高速切削加工机床的关键技术
　　为了适应粗精加工、轻重切削和快速移动,同时保证高精度(定位精度±0.005mm),性能良好的机床是实现高速切削的关键因素。下图(a)、(b)所示为高速切削加工中心，其关键技术有以下几项:
　　(1)高速主轴
　　高速主轴是高速切削加工机床的核心部件,随着对主轴转速要求的不断提高,传统的齿轮――皮带变速传动系统由于本身的振动、噪音等原因已不能适应要求,取而代之的是一种新颖的功能部件――电主轴,它将主轴电机与机床主轴合二为一,实现了主轴电机与机床主轴的一体化。电主轴采用了电子传感器来控制温度,自带水冷或油冷循环系统,使主轴在高速旋转时保持恒温,一般可控制在20℃～25℃范围内某一设定温度,精度为±0.7℃,同时使用油雾润滑、混合陶瓷轴承等新技术,使主轴免维护、长寿命、高精度。
高速切削加工中心图
　　(2)高速伺服系统
　　为了实现高速切削加工,机床不但要有高速主轴,还要有高速的伺服系统,这不仅是为了提高生产效率,也是维持高速切削中刀具正常工作的必要条件,否则会造成刀具的急剧磨损与升温,破坏工件加工的表面质量。
　　①直线电机伺服系统
　　直线电机是使电能直接转变成直线机械运动的一种推力装置,将机床进给传动链的长度缩短为零,它的动态响应性能敏捷、传动刚度高、精度高、加减速度大,行程不受限制、噪音低、成本较高,在加速度大于1g的情况下,是伺服系统的唯一选择。
　　②滚珠丝杠驱动装置
　　滚珠丝杠仍是高速伺服系统的主要驱动装置,用AC伺服电机直接驱动,并采用液压轴承,进给速度可达4060m/min,其加速度可超过0.6g,成本较低,仅为直线电机的1/2.5。
　　(3)高精度快速进给系统
　　提高高速切削进给速度是提升加工效率所必须的。目前高速切削加工中心的切削进给速度一般为20m/s～40m/s。要实现并准确控制这样高的进给速度，对高速切削加工中心导轨、滚珠丝杠、伺服系统、工作台结构等提出了新的要求。随着电机技术的发展,先进的直线电动机已经问世,并成功应用于CNC机床。先进的直线电动机驱动使CNC机床不再有质量惯性、超前、滞后和振动等问题,加快了伺服响应速度,提高了伺服控制精度和机床加工精度。直线电机具有很高的加速和减速特性，加速度可达3g以上，为传统驱动装置的10倍～20倍，进给速度是传统的4倍～5倍。
　　(4)高性能控制系统
　　高速切削机床优良的力学性能,必须通过它优良的控制性能才能够充分发挥。高速主轴,高速伺服系统都与控制技术的发展密不可分。用于HSC的计算机数控(CNC)系统必须具有很高的运算速度和精度,以及快速响应的伺服控制。HSC机床的CNC系统在相同一段时间内需要计算处理的数据比普通数控机床的CNC系统多得多,就要求前者的计算处理容量和速度大大提高,其CNC系统的硬件,采用功能强大的个人计算机配置。例如奔腾芯片,64MB内存,1～10GB硬盘等,使程序块的执行时间降低到30.5μs。在此基础上配备空间螺旋线、抛物线和样条插补功能、速度预控制功能,数字化自动平滑运动轨迹功能、加速和制动时的急动速度监控功能等等,使工件加工质量在高速切削时得到明显改善。相应地,伺服系统则发展为数字化、智能化和软件化,使伺服系统与CNC系统在A/D和D/A转换中不会有丢失或延迟现象,尤其是全数字交流伺服电机和控制技术已得到广泛应用,该技术的主要特点为具有优异的动力学特征、无漂移、极高的轮廓精度,从而保证了高进给速度加工的要求。
　　2、高速切削加工技术的特点：
　　(1)高速切削的加工效率高。高速切削加工允许使用较大的进给率，比常规切削加工提高5～10倍，单位时间材料切除率可提高3～6倍，加工时间可大大减少。这样可以用于加工需要大量切除金属的零件，特别是对于航空工业具有十分重要的意义。
　　(2)高速切削的切削力小。和常规切削相比，高速切削加工时切削力至少可降低30%，这对于加工刚性较差的零件来说可减少加工变形，使一些薄壁类精细工件的切削加工成为可能。
　　(3)高速切削的切削热对工件的影响小。高速切削加工过程极为迅速，95%以上的切削热量极少，零件不会由于温升导致翘曲或膨胀变形。高速切削特别适用于加工容易热变形的零件。对于加工熔点较低、易氧化的金属(如镁)，高速切削有一定意义。
　　(4)高速切削的加工精度高。因为高速旋转时刀具切削的激励频率远离工艺系统的受迫振动，保证了较好的加工状态。由于切削力太小，切削热影响小，使得刀具、工件变形小，保持了尺寸的精确性，另外也使得刀具工件间的摩擦变小，切削破坏层变薄，残余应力小，实现了高精度、低粗糙度加工。
　　(5)高速切削使加工工序简化。
　　由于高速切削可以达到很高的加工精度和很低的表面粗糙度，并且在一定的切削条件下，可以对硬表面进行加工，尤其是对硬度在HRC40～60之间的高硬度进行铣削，可以部分取代电火花加工，这一点对于模具加工具有十分重要的意义。
　　三、高速切削加工技术在模具制造中的应用
　　高速切削加工技术所具有的一系列特色和生产效益方面的巨大潜力，早已成为德、美、日等国竞相研究的重要技术领域。如今，美、德、日、法、瑞士、意大利生产的不同规格的各种商业化高速机床已经进入市场，应用于飞机、汽车及模具制造。
　　随着高速切削加工技术引进模具工业，对传统的模具加工工艺产生了很大的影响，改变了模具加工工艺流程。由于模具型面一般都是十分复杂的自由曲面，并且硬度很高，采用常规的切削加工方法难以满足精度和形状要求。常规的加工方法是在退火后进行铣削加工，然后进行热处理、磨削或电火花加工，最后手工打磨、抛光，这样使得加工周期很长。特别是手工加工时间，要占整个加工周期很大一部分。HSC可以达到模具加工的精度要求，减少甚至取消了手工加工，并且由于新型刀具材料(如PCD、PCBN、金属陶瓷等)的出现，HSC可以加工硬度达到HRC60，甚至硬度更高的工件材料，可以加工淬硬后的模具，取代电火花加工和磨削加工。
　　高速铣削加工在模具制造中具有高效高精度以及可加工高硬材料的优点，在工业发达国家已经得到了广泛的应用。目前我国高速切削技术还停留在较低的水平，机床所用的切削速度比先进工业国家低一个数量级，生产效率很低，经济效益不好。高速切削技术在模具工业中的应用更是凤毛麟角，因此大力发展高速切削，对我国的制造业发展具有十分重要的意义。
　　高速切削加工技术引进模具工业，主要应用于以下几个方面：
　　(1)淬硬模具型腔的直接加工。利用高速切削可加工硬材料的特点直接加工淬硬后的模具型腔，提高了模具加工的质量和效率，可取代电火花加工。
　　(2)EDM(电火花)电极加工。应用高速切削技术加工电极对提高电火花加工效率起到了很大作用。高速切削电极提高了电极的表面质量和精度，减少了后续加工工序。
　　(3)快速样件制造。利用高速切削加工效率高的特点，可用于加工塑料和铝合金模型。通过CAD设计后快速生成3D实体模型，比快速原型制造效率高、质量好。
　　(4)模具的快速修复。模具在使用过程往往需要修复，以延长使用寿命，过去主要是靠电加工来完成，现在采用高速加工可以更快地完成该工作，而且可使用原NC程序，无须重新编制。
　　四、高速切削加工技术存在的问题
　　高速切削加工技术是切削加工技术发展的主要方向之一，它除依赖于数控技术、微电子技术、新材料和新颖构件、CAD/CAM等基础技术的发展外，自身亦存在着一系列亟待攻克的技术问题，如刀具磨损严重，高速切削刀具切入切出时破损问题，高速切削用刀具材料价格昂贵，铣、镗等回转刀具及主轴需要动平衡，刀具夹持要牢靠安全，主轴系统昂贵且寿命短，而且所用高速加工机床及其控制系统价格昂贵，使得高速切削的一次性投入较大，这些问题制约着高速切削的进一步推广应用。
　　五、结束语
　　高速切削加工技术是先进的制造技术，有广阔的应用前景。用高速切削加工代替EDM(或大部分代替)是加快模具开发速度，实现工艺换代的重大举措。推广应用高速切削加工技术应用于模具制造业，不但可以大幅度提高机械加工的效率、质量，降低成本，而且可以带动一系列高新技术产业的发展。因此，当前加强高速切削技术的基础研究，建立高速切削数据库、高速切削安全技术标准，提高机床和工具行业的开发创新能力，加快高速切削刀具系统、高速切削机床系统的研究开发与产业化，已是当务之急。
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线性模组是一种直线传动装置，主要有两种方式
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3:47:44-1812对高速加工技术及其应用于现代模具制造的探究
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& 本文对于高速切削的定义、机理以及有点进行了简要阐述，并对高速切削模具的机床、刀具技术以及工艺技术进行了研究。
& & 模具广泛应用于我国的各个领域，是一种非常重要的工艺装备。高速加工作为近些年来迅速发展的一种加工技术，因其高效性以及具有较高的加工精度，已被广泛应用于现代模具的生产制造过程当中，并有着逐渐替代过去的电火花精加工的趋势。
& & 高速切削的定义及机理
& & 高速切削不是指某一个确定的切削速度值，它是一个相对概念，其切削速度会随着加工方法及加工条件等的变化而改变。一般情况下。高速切削的速度是同等条件下普通切削的5~10倍，进给速度大约在2~25米每分以上。应该注意的是，高速不是技术指标而是经济指标。换句话说，只有可以得到比较大的经济效益的高速切削才是有意义的。
& & 高速切削的机理为：因为切削速度较高，从而产生了高应变率，切削产生的切削热使得温度上升，材料软化，导致切削力减小、剪切角减小，从而达到高速薄切削的效果。
& & 高速切削的优点
& & 2.1切削效率高
& & 高速切屑加工具有较高的主轴转速，进给速度快，因此虽然其切削深度较小，但在单位时间内金属的切除量却增加了，从而使得加工效率得到提高。另外，高速切削具有较高的加工精度，因而加工得到的工件具有较高的表面质量，可以节省加工工序，提高加工效率。
& & 2.2加工质量高
& & 因为高速切削中的横向切削力比较小，因而可以加工一些常规加工中无法加工的薄壁零件等复杂工件。在高速加工中，绝大部分的热量都被切削带走，从而使得工件的温升以及热变形都很小，使加工精度得到提高。
& & 2.3经济性较好
& &高速切削使得工件的加工效率得到了提高，并且还可以实现将零件的各加工工序在一次装夹中就能够实现，能够加工刚性比较差的工件，刀具的耐用度以及机床的使用率高，从而降低成本，使得高速加工具有良好的经济性。
& & 基于高速切削的模具制造系统
& & 模具的生产在制造业中具有十分重要的地位。随着技术的发展进步，高速加工因其效率高、精度高以及经济性好等优点逐渐被用于现代的模具制造业中。在这种情况下。就产生了基于高速切削的模具制造系统。该系统具有模具有很强的再现能力，易控制；并行方式的使用减少了重复劳动，缩短了加工周期；减少返修次数，从而降低成本等优点。基于高速切削的模具制造系统涉及到了现代设计技术、先进制造工艺技术、综合自动化技术、现代系统管理技术等几大技术。
& & 加工模具的高速切削机床
&&& 在高速切削加工中，要求机床的主轴要有较高的转速，这样才能避免刀具与工件的干涉，从而提高切削质量。因模具的各工序要在一次装夹中完成，故而要求主轴有较大的功率。模具的制作材料有着较高的强度以及硬度，因而要求机床要有很好的刚度。为了提高工作效率，机床一般都需要具有较高的主轴转动以及工作台运动加速度。此外，良好的高速控制系统是高速切削机床必不可少的组成部分。
& & 在高速切削机床的选用过程中，应该遵循以下几个原则：一是工艺适应性原则，主要包括被加工零件的形状尺寸适应性、加工精度适应性以及生产节拍适应性等；二是性能价格比原则，在机床的选择中，应该根据模具加工的特点来选择使用的机型，并不是机床价格越便宜越好，应该注重机床的性价比；三是风险规避原则，在购买机床之前一定要进行市场调研，从而降低风险，要选择信誉良好的品牌，选择多个品牌对机床的各项性能进行比较，货比三家，若需要招标，则应该注意对技术指标的确定应公正、合理、先进。
& & 高速切削模具的刀具技术
& & 在高速切削加工中，刀具是能否实现高速加工的重要因素。刀具的性能对于高速切削起着至关重要的作用。因切削速度较高，因此刀具材料需要有较好的耐高温以及耐磨损性能。目前，常见的高速切削刀具材料主要有硬质合金、陶瓷、金刚石以及立方氮化硼等。在选择刀具材料是，应充分考虑到刀具材料跟工件材料的适配性问题，选择适合的刀具材料。
& & 若主轴转速大于12000转每分，则需要注意刀具的动平衡问题。若刀具没能达到动平衡，在加工过程中会出现刀具轴线偏摆现象，从而降低工件的加工精度，减少刀具寿命。在进行高速切削刀具的选购时，刀具必须达到规定的动平衡标准，在刀具系统安装完毕后，还应该整体调整，保证其能达到动平衡标准。
& & 高速切削模具的工艺技术
& & 6.1切削方式的选择
& & 在高速切削模具的加工过程当中，应尽量选择顺铣的切削方式。这是因为在加工时，逆铣比顺铣产生的热量要多得多，径向作用力大很多，并且逆铣时刀具的刀刃所受拉应力与顺铣时的压应力相比，受力状态比较差，从而减少了刀具的使用寿命。
& & 6.2加工阶段及策略
& & 高速切削的加工阶段包括粗加工阶段、半精加工阶段以及精加工阶段。在模具的粗加工阶段应该采用高切削速度、高进给率以及小切削量的方式，同时还可以采用偏置加工、赛车线加工以及摆线粗加工的策略来优化刀具的轨迹。半精加工阶段需要对最大剩余加工量、最大允许加工余量和半精加工过程中刀心的轨迹进行计算，以保证该阶段后的工件表面剩余加工余量均匀。精加工阶段主要采取三维偏置、最佳等高精加工等工艺策略。
& & 高速加工技术在现代模具制造中的应用越来越广泛。我国在这一领域应经取得了一定的研究成果，但这些还远远不足以满足我国模具市场的需求。因此，对于高速加工技术在现代模具制造中的应用加以研究，具有很重要的现实意义。
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高速切削技术在模具加工中的运用
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2006年泛珠三角锻压年会
高速切削加工技术在模具制造中的应用
苏艳红刘建超
(成都航空职业技术学院)
l摘要1本文分析了作为“第三代制模技术”的高速切削加工技术在模具制造中的应用优势，提出了模具制造应用高
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【关键词l高速切削加工：模具制造；刀具：选择
ApplicationHighSpeedCuttingProcessingTechnology
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