1、高速切削技术及其在模具制造中的应用及发展摘要: 本文对高速切削技术（HSC ）进行了简要的介绍，并在此基础上分析了高速切削技术在模具制造方面的优势及应用。关键词: 高速切削;模具制造; 刀具技术概述机械加工正朝着高效率、高精度、高柔性和绿色制造的方向发展。在机械加工中，切削加工是应用最广泛的加工方法之一。近年来，高速切削技术蓬勃发展，已成为切削加工的主流和先进制造技术的一个重要发展方向。在数控机床出现以前，用于工件上下料、测量、换刀和调整机床等的辅助时间超过工件加工总工时的 70%；一数控机床为基础的柔性制造技术的发展和应用，大大降低切削工时，成为提高机床生产率的重要技术手段之一，目前，高速切
2、削技术在航空航天、模具生产和汽车制造等行业已经获得广泛应用，并产生了巨大的经济效益。我国是机床消费大国，已经超过德国，成为世界第一机床市场。高速切削作为一种新的切削加工理念，对其进行深入研究具有重要意义。1、高速切削技术高速切削理论是 1931 年 4 月德国物理学家 Carl.J.Salomon 提出的。他指出，在常规切削速度范围内，切削温度随着切削速度的提高而升高，但切削速度提高到一定值后，切削温度不但不升反而会降低，切该切削速度值与工件材料的种类有关。对每一种工件材料都存在一个速度范围，在该速度 范围内，由于切削温度过高，刀具材料无法承受，即切削加工不可能进行，称该区为“死区” 。虽然由
3、于实验条件的限制，当时无法付诸实践，但这个思想给后人一个非常重要的启示，即如能越过这个“死区” ，在高速区工作，有可能用现有刀具材料进行高速切削，切削温度与常规切削基本相同，从而可大幅度提高生产效率。高速加工有以下优越性：1.1、生产效率高、切削速度极高，型腔加工过程比电加工快几倍。在工件的一次装夹中可完成型腔的粗精加工和模具其他部位的加工（One Pass Machining)。既不要做电极，一般也不需要后续的手工研磨和抛光，又容易实现加工过程的自动化。1.2、高速切削加工产品的质量好，如切屑瞬间被切离，工件表面残余应力小。95% 切削热被切屑带走，工件热变形小。切削力减小 30%。激振频率
4、高，工件表面粗糙度小（降低 1-2 级） （Ra=0.6m ） ，可以铣削代替磨削。1.3、能加工硬质零件和薄壁零件，可硬切削（Hard Machining） 、干切削（Dry Machining）且横向切削力小，可加工薄壁的零件。由于上述优势，国外发达国家 85%以上的电加工工序已被高速加工所代替，高速加工已成为现代模具制造的主流工艺。但是高速加工做不到的地方（尖角、窄槽、深小孔和过于复杂的型面）还要靠电加工来补充。两者要扬长避短，相辅相成。2、传统模具加工技术在工业产品的生产中，应用模具的目的在于保证产品的质量，提高生产率和降低成本等。因此，必须有正确可行的模具设计和高质量的模具制造作为保
5、证。模具制造时应满足高精度、长寿命、短制造周期及低成本的要求。传统的模具制造技术主要是根据设计图样，采用普通数控铣削、仿型加工、成形磨削、电火花加工以及钳工抛光、配修等方法来制造模具。传统模具制造主要存在以下问题：模具质量依赖于人为因素，再现能力差，整体水平不易控制。传统制模采用串行方式进行，易造成设计与制造脱节，重复劳动多，加工周期长，不能适应市场需求。传统制模只能通过试模来完成对模具质量的评价，返修多，成本高。3、高速切削技术下的模具制造特征与加工设备要求与传统加工方式相比，模具的高速切削加工的优势如下：高速切削加工提高了模具加工速度：从材料去除速度而言，高速切削加工比一般加工快四倍以上甚
6、至更快。高速切削加工可获得高质量的加工表面：因高速切削加工精加工时采取小的进给量与切削深度，故可获得很高的表面质量，有时甚至可以省去钳工修光的工序，从而因表面质量的提高省去了修光及电火花等工序时间。简化了加工工序：传统切削加工只能在淬火之前进行，因淬火造成的变形必须要手工修整或用电加工最终成型。高速切削加工省去了电极材料。电极加工编程及加工、以及电加工过程的所有费用，而且没有电加工的表面硬化。另外，高速切削加工可使用小直径的刀具，对模具更小的圆角半径及模具细节加工，节省部分手工修整工艺，减少人工修整工艺，减少人工修光时间，简化的工艺可缩短模具的生产周期。高速切削加工还可以十分方便地用于模具修复
7、过程：模具使用过程往往需要多次修复，以延长使用寿命，以往模具的修复主要靠电加工来完成，而2采用高速加工可以更快地完成该工作，并可使用原NC程序，无须重新编制。要实现高速切削加工，必须考虑高速机床或加工中心、刀具以及工艺技术等方面的因素。(1)高速切削机床。性能良好的机床是实现模具高速切削的前提和关键，高精度的高速主轴和高速进给系统则是高速切削机床技术的关键所在。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rain，如加工表壳模具时，转速达到40000转min ，有的高达60000-10
8、0000转min，为普通机床的10倍左右；主电动机功率一般也为1580kW，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。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
9、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。目前，高速切削加工常用的刀具材料有：涂层刀具、陶瓷刀具(Al ，0，SiN)、立方氮化硼 (CBN)材料和聚晶金刚石 (PCD)材料等。例如在加模具型腔过程中所用的直径为0.8ram 的球面铣刀，以及直径为0.5ram的标准球面铣刀、直径为 0.3ram的标准球头铣刀等。(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(3+2) 轴加工方
10、式，刀具与加工表面法向夹角为 100-300，顺向拉铣，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。4、高速切削技术在模具制造中的作用在
11、模具及成型制造中，加工的区域主要是模具的曲面形状。所以高速切削技术的应用范围主要有以下几个方面：工具钢及铸铁模具的直接加工，特别是半精加工和精加工；模具表面曲面形状的加工；模具型腔的成型加工。高速切削加工模具的优势主要有以下两方面：高速切削技术大大提高了加工效率，不仅机床转速高、进给快、而且粗精加工可以一次完成，极大地提高了生产效率，再结合数控技术，模具的制造周期可缩短约40； 采用高速切削技术可加工淬硬钢，而且可得到很高的表面质量，表面粗糙度低于Ra0.6um，取得以铣代磨的加工效果，不仅节省了大量的修光时间，还提高了加工表面质量，西门子公司曾得出高速切削技术可以使加工时间减少 50，刀具寿
12、命提高 70。5、高速切削与普通机加工及电火花加工在模具加工中的比较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。以前加工模具型腔一般都是在热处理前进行粗加工、半精加工和精加工，然后磨削、打磨抛光，费时又费力。而出现了电火花加工以后则在退火后进行切削加工，然后进行热处理、电火花加工最后经打磨、抛光。随着生产的发展和产品更新换代速度的加快，对模具的生产效率和制造品质提出了越来越高的要求，于是电火花加工存在的问题也逐渐暴露出来。因为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
13、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。另外高速切削以高于10倍左右的常规切削速度切削，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。这与传统切削加工相比，高速切削加工的单位功率金属切除率提高30N40，切削力降低30，刀具的切削寿命提高70，留在模具型腔内的切削热大幅度降低，切削振动几乎消失。而且单位时间内毛坯材料的去除率增加，切削时间相对
14、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。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
15、筋和薄壁。6、总结高速切削与模具加工的结合，改变了传统模具加工采用的“电火花加工 手工打磨、抛光”等复杂冗长的工艺流程，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。参考文献1 王匀，许桢英等，模具CAD/CAE/CAMM 。北京：机械工业出版社，2011.62 黄毅宏，李明辉主编。模具制造工艺M 北京：机械工业出版社， 19993 胡亚民，华林主编。锻压工艺过程与模具设计 M北京：北京大学
16、出版社，中国林业大学出版社，20064 张伯霖主编。高速切削技术及应用M_ 北京：机械工业出版社， 20025 李沪曾，模具制造插上HSM的翅膀J，现代模具，2006，(10)6 赵炳桢，应用高速切削技术提高模具加工效率J 工具展望， 2006，(3)7 李金巧高速切削刀具技术J 机械制造与自动化 2006，(3)8 胡石玉，于建敏编著精密模具制造工艺M 江苏：东南大学出版社， 20049 何宁，高速切削技术J工具技术， 2003，(11)10 张伯霖，杨庆东，陈长年高速切削技术及应用M机械工业出版社，2002High speed cutting technology and its application in the mold manufacturing and developmentAbastract:The high speed cutting technology（HSC) is introduced, and based on the analysis of high speed cutting technology manufacturing advantages and applications in die.Key words: high speed cutting；die &mold manufacture ；cutting tool technology
