浅谈高速切削在模具加工中的应用

一、高速切削加工的特征与加工设备要求

 

自20世纪30年代德国 Carl Salomon博士首次提出高速切削（HSC）概念以来，经过50年代的机理与可行性研究，70年代的工艺技术研究，80年代全面系统的高速切削技术研究，到90年代初，高速切削技术开始进入实用化，到90年代后期，商品化高速切削机床大量涌现，21世纪初，高速切削技术在工业发达国家得到普遍应用，正成为切削加工的主流技术。在经历了理论探索，应用研究，初步应用和较成熟应用等四个阶段，已日趋成熟，目前在我国却正处于推广应用阶段。

 

 高速切削是指在比常规切削速度高出很多的情况下进行的切削加工， 也称超高速切削。其加工的特征如下：

 在采用高速切削技术加工时，随着加工速度的大幅度提高，进给的速度也相应地提高，在单位时间内的材料切除率大大增加，可达到常规切削的3~6倍，甚至更高，这样加工时间的大大缩短，整个加工成本也有所降低，另外还有其它特点：（如表1）

 

     

 

1、高速切削加工中机床选择

机床高速主轴是高速切削机床的核心部件，它决定着高速切削机床所能达到的切削速度、加工精度和应用范围。目前高速切削加工中心中的主轴转速一般都大于10000转/min，如加工表壳模具时，转速达到40000转/min，有的高达60000～100000 转 /min，为普通机床的10倍左右；主电动机功率一般也为15～80KW，这样才能满足模具的加工要求，随着电气传动技术的快速发展，还出现了主轴与电机一体化的电主轴。

 

 另外高速进给系统也是实现高速切削的关键技术之一。在高速切削中，由于传统的滚珠丝杠副 传动系统刚度低、发热严重、噪声大、受疲劳强度限制，高速工作时寿命短等，常会表现出不适应性，所以必须对其进行技术改进和技术创新，才能满足要求或者利用电机直接驱动等。

 

2、高速切削的刀具技术

高速切削加工常用的刀具材料有：涂层刀具、陶瓷刀具（AL、O、SiN）、立方氮化硼（CBN） 材料和聚晶金刚石(PCD)材料等。在对模具型腔进行高速切削的情况下，要保证加工刀具的结构在高速旋转状态下的动平衡和刀具寿命，为达到这一目的，必须采用带有动平衡装置的刀具，即在刀套表面安装机械滑块或采用流体动平衡设计，或采用整体刀具形式，确保刀体与刀套的安装间隙最小，同时高速切削刀具的材料必须具有较长的使用寿命，一般使用高硬度、高强度、高韧度以及好的化学稳定性等性能的材料。

 

3、高速切削的加工工艺

在高速切削加工过程中，为了缩短加工时间、延长刀具的使用寿命、提高加工质量，满足一定的加工工艺要求。一般采取五轴（3+2）加工方式，刀具与加工表面法向夹角为100°～300°顺铣，在这种方式下，切削过程的工艺性比较稳定，另外每齿进给量尽可能保持稳定，半精加工时，常通过优化了的加密的行间距，尽可能为精加工提供均匀的加工余量。精加工中一般遵循不换刀原则以保证精度。由于不同型面过渡区的圆弧半径较小，加工刀具的半径等于或小于过渡圆弧半径，从目前国内模具生产的情况来看，加工工艺在很大程度上还制约了高速加工模具的应用，一方面是由于高速加工应用的时间比较短，还没有形成比较成熟的、系统化的工艺体系和标准，另一方面是高速切削工艺试验成本高，需要投入较大的资金和较长的时间，所以还需进一步探索与研究。

 

二、高速切削在模具加工中的应用

高速切削目前在汽车工业、航空航天、仪器仪表等行业，尤其在模具制造行业获得了愈来愈广泛的应用，并取得了巨大的技术经济效益。所以高速切削技术的应用范围和加工优势主要表现在以下几个方面：（如表2）

 

 

以复杂曲面模具的加工为例：

    用传统的加工技术加工这样的曲面不仅费时，还影响表面质量，而且采用普通的加工方式，加工后也很难进行手工研磨和抛光。而利用高速铣削加工则显得比较轻松，首先选择端铣刀，主轴转速一般为9000转/min，进给速度一般为5000mm/min其表面质量可达到10μm，然后选用球头刀进行精加工，表面质量可以达到0.01加工后无需手工修整，只需用油石抛光即可，手工操作时间减少40%。而且高速切削和数控技术结合保证了曲面的生成，另外高速切削的优点又保证了精度和生产效率。这样模具质量和寿命都有了很大的提高。

 

 

三、高速切削与普通工艺加工的比较

高速切削以高于10倍左右的普通切削速度的切削，实验得出经过高速加工的模具的表面品质能够达到磨削的水平，这样就可以实现工序集约化以省去后续的许多精加工工序。而且单位时间内毛坯材料的去除率增加，切削时间相对减少，加工效率就有所提高，从而缩短了模具的制造周期。利用高速加工中心或高速铣床加工模具还可以在工件一次装夹中完成模腔的粗、精加工和模具零件其它部位的机械加工。这样的效率要比电加工高出好几倍。除此以外，它既不要做电极，也不需要后续研磨与抛光，还容易实现加工过程自动化。因此，高速加工技术的应用，使模具的开发速度大为提高。20 世纪70年代出现电火花加工技术以后，使模具型腔加工出现了一个飞跃，但电火花加工是一种利用电腐蚀原理进行“微切削”加工工艺，加工过程非常缓慢，在电火花对精密模锻模具型腔表面进行切削或磨削时，会产生脱碳、烧伤并生成微细裂纹，这不仅使表面粗糙度值达不到技术要求，还会影响模具的使用寿命。因而经过电火花加工后的模具型腔一般还要进行费力、费时的研磨、抛光。这样就导致了生产效率低，制造品质不稳定等。与电火花加工相比，高速切削加工的主要优点就明显体现出来了。

 

高速切削加工还能加工形状复杂的硬质零件和薄壁零件，高速切削与数控加工系统相结合，可以实现多轴联动加工技术，加上高速切削切削力小，可以使得对硬质材料模具和薄壁零件甚至是复杂曲面模具的切削过程变得异常轻松。同时又能节省时间，高速排除切屑，减少热应力变形，以利于加工复杂模具型腔中的一些细筋和薄壁。

 

结束语

高速切削的问世，是加工工艺的改变的一次产业化革命，改变了人的一种传统的思维和加工方式，提高了加工效率和工件的表面质量。同时高速切削与模具加工的结合，改变了传统模具加工的工艺流程，甚至可用高速切削加工替代原来的全部工序。所以作为现代先进制造技术之一的高速加工技术，代表了切削加工的发展方向，并逐渐成为切削加工的主流技术。而在我国电火花加工模具仍然占相当大的部分，所以今后我们还要大力提高高速加工模具的应用范围，以适应市场发展的需要。