發布日期：2022-10-09 點擊率：92
高速切削加工在模具制造中得到了廣泛的應用。它能改善模具的尺寸、形狀和表面粗糙度，減少甚至省去手工修磨，從而降低生產成本和縮短制造周期。本文通過對傳統模具加工工藝和高速模具加工工藝的對比，闡述了高速切削加工的優勢。文中還簡要介紹了高速切削加工在加工工藝方面的關鍵技術。
一、引言
高速切削加工是面向21世紀的一項高新技術，它是一種不同于傳統加工的加工方式。與之相比，高速切削加工主軸轉速高、切削進給速度高、切削量小，但單位時間內的材料切除量卻增加3～6倍。它以高效率、高精度和高表面質量為基本特征，在汽車工業、航空航天、模具制造和儀器儀表等行業中獲得了愈來愈廣泛的應用，并已取得了重大的技術經濟效益，是當代先進制造技術的重要組成部分。
用傳統方式加工模具時，常采用電火花加工，但電極的設計與制造本身是一個費時費力的工藝過程。而采用高速切削加工后，由于狹小區域加工的實現和高質量的表面結果，讓電極的使用率大大降低。另外，用高速銑來制造電極也可以使生產效率提高到一個新的檔次。
絕大部分模具均可利用高速切削技術來加工，如鍛模、壓鑄模、注塑與吹塑模等。鍛模腔體較淺，刀具壽命較長；壓鑄模尺寸適中，生產率較高；注塑與吹塑模一般尺寸較小，比較經濟。
二、高速切削加工模具相對傳統加工模具的優勢
1. 提高生產率
高速切削中主軸轉速和進給速度的提高，可提高材料去除率。同時，高速切削可加工淬硬零件，許多零件一次裝夾可完成粗、半精和精加工等全部工序，對復雜型面加工也可直接達到零件表面質量要求，因此，高速切削工藝往往可省卻電火花加工、手工磨修等工序，縮短工藝路線，進而大大提高加工生產率。
2. 改善加工精度和表面質量
高速機床必須具備高剛性和高精度等性能，同時由于切削力低，工件熱變形減少，刀具變形小，高速切削的加工精度很高。切削深度較小，而進給速度較快，加工表面粗糙度很小，切削鋁合金時可達Ra0.4～0.6，切削鋼件時可達Ra0.2～0.4。
3. 減少切削產生的熱量
因為高速切削加工是淺切削，同時進給速度很快，刀刃和工件的接觸長度和接觸時間非常短，減少了刀刃和工件的熱傳導，避免了傳統加工時在刀具和工件接觸處產生大量熱的缺點，保證刀具在溫度不高的條件下工作，延長了刀具的使用壽命。如圖1所示，A為高速切削加工時的熱傳導過程，B為傳統加工的熱傳導過程。
圖1 高速加工和傳統加工的熱傳導
4. 有利于加工薄壁零件
高速切削時的切削力小，有較高的穩定性，可高質量地加工出薄壁零件。采用如圖2所示分層順銑的加工方法，可高速切削出壁厚0.2mm，壁高20mm的薄壁零件。此時，刀刃和工件的接觸時間非常短，避免了側壁的變形。
圖2 高速切削薄壁零件
5. 可部分替代某些工藝，如電火花加工、磨削加工等
高強度和高硬度的加工也是高速切削的一大特點，目前，高速切削已可加工硬度達HRC60的零件，因此，高速切削能夠加工經熱處理硬化后的工件。在傳統加工模具的工藝中，精加工前對熱處理硬化后的工件需進行電火花加工，用高速切削加工替代傳統切削的加工方法可以省去模具制造工藝中的電火花加工，簡化了加工工藝和投資成本。
模具的尺寸、形狀和表面粗糙度很重要，如果加工后的模具不能達到要求的質量精度，就需要大量的手工磨修工作，手工磨修能夠得到較好的表面質量，但是它會影響模具的尺寸和形狀精度。因此在模具加工還要盡量省去手工磨修，以提高模具質量，降低生產成本和制造周期。
圖3為傳統模具加工過程：毛坯→粗加工→半精加工→熱處理硬化→電火花加工→精加工→手工磨修
圖3傳統模具加工的過程
圖4為高速模具加工過程：硬化的毛坯→粗加工→半精加工→精加工
圖4 高速模具加工的過程
在圖4所示的高速模具切削加工過程中減少了兩個工藝過程，大約縮短加工時間30%～50%。傳統加工工藝中的電火花加工容易在熔化的加工表層形成硬化層，硬度可達1000Hv，給后面的切削加工和磨削加工帶來困難。電火花加工還容易引起表層疲勞裂紋和刀具的破損。
6. 經濟效益顯著提高
綜合上述種種優點，即：綜合效率提高、質量提高、工序簡化、機床投資和刀具投資以及維護費用增加等，采用高速切削工藝將使綜合經濟效益顯著提高。
三、高速切削加工工藝關鍵技術
高速機床和高速刀具是實現高速切削的前提和基本條件，在高速切削加工中對高速機床的性能和刀具材料的選擇有嚴格的要求。
為了實現高速切削加工，一般采用高柔性的高速數控機床、加工中心，也有的采用專用的高速銑、鉆床。機床同時具有高速主軸系統和高速進給系統，高的主軸剛度特性，高精度定位功能和高精度插補功能，特別是圓弧高精度插補功能。
高速切削刀具與普通加工刀具的材料有很大不同。主要使用的刀具材料有硬質合金、聚晶金剛石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)和陶瓷等。
高速切削的工藝技術也是進行高速切削加工的關鍵。切削方法選擇不當，會使刀具加劇磨損，完全達不到高速加工的目的。實踐證明，如果只有高速機床和刀具而沒有良好的工藝技術作指導，昂貴的高速切削加工設備也不能充分發揮作用。高速切削加工工藝關鍵技術主要包括切削方法和切削參數選擇的優化。
1. 切削方式的選擇
在高速切削加工中，應盡量選用順銑加工，因為在順銑時，刀具剛切入工件產生的切屑厚度為最大，隨后逐漸減小。在逆銑時，刀具剛切入工件產生的切屑厚度為最小，隨后逐漸增厚，這樣增加了刀具與工件的摩擦，在刀刃上產生大量熱，所以在逆銑中產生的熱量比在順銑時多很多，徑向力也大大增加。同時在順銑中，刀刃主要受壓應力，而在逆銑中刀刃受拉應力，受力狀態較惡劣，降低了刀具的使用壽命，順銑和逆銑時刀具切入工件的過程，如圖5所示。
圖5 刀具切入工件的過程示意
2. 保持恒定的金屬去除率
高速切削加工適于淺的切深，切削深度不應超過0.2/0.2mm(ae/ap)，這是為避免刀具的位置偏差，確保加工模具的幾何精度。保持恒定的金屬去除率，保證加在工件上的切削載荷是恒定的，以獲得下面幾點好的加工效果：(1)可保持的恒定切削負載；(2)可保持切屑尺寸的恒定；(3)有較好的熱轉移；(4)刀具和工件均保持在較冷的狀態；(5)不必熟練操作進給量和主軸轉速；(6)可延長刀具的壽命；(7)能保證較好的加工質量等。
3. 走刀方式的選擇
對于帶有敞口型腔的區域，盡量從材料的外面走刀，以實時分析材料的切削狀況。而對于沒有型腔的封閉區域，采用螺旋進刀方式，在局部區域切入。
4. 盡量減少刀具的急速換向
盡量減少刀具的急速換向，由于之字形模式主要應用于傳統加工，在高速切削加工中主要選擇回路或單一路徑切削。這是因為在換向時NC機床必須立即停止(緊急降速)然后再執行下一步操作。由于機床的加速局限性，而容易造成時間的浪費，急停或急動則會破壞表面精度，且有可能因為過切而產生拉刀或在外拐角處咬邊。選擇單一路徑切削模式來進行順銑，盡可能地不中斷切削過程和刀具路徑，盡量減少刀具的切入切出次數，以獲得相對穩定的切削過程。
例如，在切削模具拐角的加工中，傳統的加工方法是采用直線運動(G1)，當刀具切削到圓角處時，運動速度減慢，同時在進給換向時刀具的運動是不連續，在間歇的過程中會產生大量摩擦和熱量，如果加工鋁合金或其他輕合金，產生的熱量將損壞工件表面質量。
如果使用高速切削加工的方法，使用小于切削模具拐角半徑的刀具，利用高速機床高精度的圓弧插補功能(G2、G3)加工模具拐角，高速機床圓弧插補運動是連續過程，不會產生刀具的間歇運動，從而減少了刀具與模具接觸長度和時間，避免產生大量的熱。
5. 在Z方向切削連續的平面
傳統加工型腔的方法是使用靠模銑削，這種加工方式增加了刀具切入、切出工件的次數，影響了工件的表面質量，限制了機床和刀具強大功能的發揮。在高速切削加工中，常采用Z方向切削連續的平面。采用比常規小的步距，從而降低每齒切削去除量，改善的加工表面的質量，縮短了加工時間。
四、結論
(1)高速切削加工采用高的切削速度和進給速度，小的徑向和軸向切削深度，切削力小，加工表面粗糙度很小，刀具壽命提高；
(2)用高速切削加工方式替代傳統加工方式加工模具，可以省去電火花加工和手工磨修，提高了模具加工的生產率，降低了生產成本，縮短了加工周期；
(3)在研究高速切削加工時，要與高速切削工藝技術緊密結合起來，真正實現高效率、高精度和高可靠性的目的。
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