高速切削是一个综合的概念

 　　模具作为重要的工艺装备，在电子、汽车、飞机制造等行业占据着举足轻重的地位。据统计，金属零件粗加工的75％、精加工的50％和塑料零件的90％，都是通过模具来生产完成的。在现代批量生产中，没有高水平的模具，就没有高质量的产品，模具制造已成为先进制造技术的一个重要组成部分。

　　模具材料一般难于加工，其加工通常是采用＂粗加工→电火花加工（或铣削等）→淬火→手工打磨、抛光＂的工艺流程，在模具开发速度及制造质量方面无法满足现代批量生产的要求。模具加工技术的更高要求加速了高速切削技术的出现，为模具制造开辟了一条崭新的道路，成为加快模具开发速度、提高模具制造质量的重要途径。

　　高速切削是一个综合的概念，它以高效率、高精度和高表面质量为基本特征，切削速度比常规切削速度高5～10倍以上，是一种不同于传统加工的加工方式。自1931年德国物理学家Saloman提出高速切削（HSC）理论以来，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，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，并已取得了重大的技术经济效益。

　　据统计，在美国和日本，已有超过30％的公司在使用高速切削技术，在德国，这个比例更是高于40％，高速切削加工正在成为当代先进制造技术的重要发展趋势。

　　2高速切削加工优势在现代生产形势下，模具电火花成形加工工序已不能满足加工速度以及制造质量方面的需求，高速切削正以其突出的优势，确立其在模具制造工艺中的主流地位。

　　（1）提高生产加工效率。

　　高速加工中心可以实现在工件一次装夹中完成粗、半精和精加工等全部工序，实现加工过程自动化，对复杂型面加工也可直接达到零件表面质量要求。高的速度和大的进给率，大大提高金属切除率，缩短加工时间，比常规切削提高效率5～10倍。

　　（2）提高加工精度和质量。

　　高速机床的高刚性和高精度使切削时刀具激励频率远离工艺系统的固有频率，零件加工过程平稳无冲击。并且高速切削以高于常规切速10倍的速度对零件进行加工，材料切深、切宽和切削力都很小，刀具、工件变形小，保持了尺寸的性，实现了高精度加工，表面质量能达到磨削的水平。

　　（3）可完成硬质零件、复杂型面加工。

　　高速切削时，速度快，轻切削，可以完成硬度高达60HRC以上的淬火钢材料加工，甚至不用切削液完成硬切削和干切削。并且切削时横向切削力很小，刀刃和工件接触时间短，加工变形小，有利于高质量地加工复杂模具型腔中的一些细筋和薄壁。

　　（4）简化加工工艺流程。

　　常规切削很难加工淬火后的材料，淬火变形必须通过人工多次修整才能解决。高速切削可以省去电加工整个过程，避免电加工表面硬化，对模具小的圆角半径及模具细节进行加工，可节省掉部分加工或手工修整工艺，使模具手工研磨时间节省约80％。

　　（5）节约成本，提高效益。

　　应用高速加工技术进行模具制作，可以减小厂房占地面积，减少工人数量单位，金属切除率高、能耗低、工件加工时间短，零件重复性好，大大提高了能源和设备的利用率，高速机床的投资可以很快收回，综合经济效益显著提高。

　　3实现高速切削的条件和途径模具加工要实现高速切削，必须要考虑机床、刀具、工艺参数、数控软件等多方面因素，进行综合分析。

　　（1）高效的高速加工模具机床。

　　模具加工机床在高速切削中占据着重要的地位，模具行业固定资产投入的80％是购买模具加工设备。相比于普通切削，高速切削对于使用的机床提出更高的要求：a.

　　机床主轴转速高、功率大。高速机床的主轴性能是机床实现高速切削的重要条件，高的主轴转速（10000～100000转／min），可以避免刀具在切削小的圆角半径时与工件发生“干涉”，提高切削质量。同时，模具加工时要一次装夹完成粗、精加工，主轴功率要求大，中等加工中心主轴功率常为20KW到50KW，有的甚至更高。

　　b.

　　机床刚度好。制作模具的材料强度和硬度都很高，并且高速切削所用的刀具一般都直径很小、伸长量较大，容易在加工过程中发生颤振，为确保零件的有效材料去除率、加工精度和表面质量，机床必须有很高的静、动刚度。

　　c.

　　极高的主轴转动和工作台运动加速度。高速切削时，为提高效率，主轴从启动加速到高转速（10000转／min以上），通常只用1￣2s的时间。为可靠实现小圆角半径曲面的高速加工，在直线电机（可实现进给零传动）的驱动下，工作台的进给速度可提高到2￣10g（常规数控机床的进给速度为0.1g左右）。

　　d.

　　好的高速控制系统。先进的数控系统是保证模具复杂曲面高速加工质量和效率的关键因素，高速的数字控制回路、速度和加速度的前馈控制、高精度位置控制、高精度插补方式、误差补偿功能等，都是模具加工机床控制系统必须要具备的。

　　对于一些复杂模具的制造，可以？用五轴联动加工中心。这种机床除可以实现三个坐标的直线运动外，主轴头上的刀具还可实现两个旋转坐标的圆周进给运动，可以适应多种类型模具的加工，目前常用的有瑞士Mikron公司的龙门式五轴加工中心。

　　（2）合适的切削刀具选择。

　　刀具作为高速切削的主要工具，必须达到高转速、大进给量、良好的工件加工质量以及更长的寿命。

　　应根据工件材料、工件批量大小、加工工序、质量要求等来选择刀具材料、刀柄、刀具工艺参数等。

　　a.

　　刀具材料的选择。为获得较高的工件加工质量及佳寿命时间，刀具材料应具备高硬度的刀刃部和高韧性的基体，这一方面开发新型的高速切削刀具，另一方面就是研制新的镀膜材料和镀膜方法提高刀具的抗磨损性。目前刀具材料常选用硬质合金、金属陶瓷、聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼等。

　　b.

　　刀具的安全可靠性。高速切削时刀具与工件的接触时间减少，接触频率增加，离心力和振动的影响较大，刀具必须注意基本结构，具有良好的平衡状态和安全性能。刀具与夹具回转平衡性能的优劣，极大地影响加工精度和机床、刀具的使用寿命。

　　c.

　　刀具的刀柄结构。刀具和夹紧系统的接口部分起着传递机床精度和切削力的作用，其装夹和定位精度、悬臂长度、振动性能、可换性、重量等都对高速切削有着很大的影响，是实现高速切削的一个重要条件。目前高速加工中常用的是锥部与主轴端面同时接触1：10锥度的HSK空心刀柄，已基本不再使用7：24长锥度刀柄。

　　d.

　　刀具的切削工艺参数。要实现高速切削，必须根据刀具本身性能差异、模具材料差异、机床差异等精心设计或选择适当的刀具和切削参数。高速切削刀具一般比普通切削刀具前角约小10°，后角约大5°￣8°，同时高速切削刀具的切削部位应尽量短，以提高刀具的刚性和减小刀刃的破损率，有关数据可通过实际工艺试验取得。

　　（3）合理的加工工艺参数选择。

　　合理的工艺参数是实现高速切削的关键，只有高速机床和先进的刀具，而没有良好的工艺技术作指导，高速切削将不能充分发挥作用，应在具体实践中试验，选择合理的加工参数以达到佳切削效果。

　　a.

　　切削方式的选择。高速切削中，应尽量改变刀刃受力状态和减少磨擦热，避免将刀具埋入工件。对于敞口型腔区域，应从材料外面走刀，没有型腔的封闭区域，应采用螺旋进刀方式从局部区域切入；加工模具型芯时，应先从工件外部下刀再水平切入，借以改善切削条件，提高刀具的使用寿命。

　　b.

　　保持恒定的金属去除率。高速切削加工时切削深度很小，保持恒定的金属去除率，保证加在工件上的切削载荷是恒定的，可以避免刀具的位置偏差，确保加工模具的几何精度和加工质量，延长刀具的寿命。

　　c.

　　尽量减少刀具的急速换向。机床的加速局限性使得在切削中刀具急速换向时，NC机床必须停止再执行下一步操作。这会造成时间浪费和刀具过切或工件咬边，破坏表面精度。应尽可能不中断切削过程、减少刀具切入切出次数以获得稳定的切削过程。

　　d.

　　适当的切削参数。高速切削速度为常规切速的10倍左右，为保证零件的加工精度、表面质量和刀具耐用度，高速切削通常？用高转速、大进给和小切深的切削工艺。所形成的切屑很薄很轻，可把切削时产生的热量很快带走，在？用耐热性好的刀具材料和涂层时，可以实现干切削。

　　e.

　　粗、精加工分离。模具粗加工是追求单位时间内的材料去除率，为精加工准备工件几何轮廓，模具精加工是使工件轮廓形状平整，达到所需的表面质量和几何尺寸。根据加工目的的不同对加工方式进行分离，可提高加工效率，减少刀具磨损。

　　f.

　　优化进给速度。高速切削是一个相对概念，它与加工材料、加工方式、刀具、切削参数等都有很大的关系，其切削速度范围较难给出。通过实验和总结，常用材料可以给出大致数据：铝合金1500￣5500m／min；铜合金900￣5000m／min；钛合金100￣1000m／min；铸铁750￣4500m／min；钢600～800m／min.

　　（4）高速切削对CAM系统的要求。

　　高速切削有着与传统切削不同的工艺要求，而数控加工的数控指令包含了所有的工艺过程，故应用于高速加工的数控自动编程系统必须能够满足相应的特殊要求：a.

　　高计算编程速度。高速切削中采用的进给量与切深量非常小，要求计算速度要快才能节约编程时间，以便操作人员能够对加工过程进行及时分析、比较和优化，采取佳的工艺方案，以达到佳的加工效率。

　　b.

　　全程自动防过切处理能力。高速切削速度高，加工过程中容易发生刀具过切，故CAM系统必须具有全程自动防过切处理能力，才能真正保证其安全性，这对高速切削非常重要。

　　c.

　　进给率优化处理功能。为了能够确保大的切削效率，又保证在高速切削时加工的安全性，应根据加工瞬时余量的大小，CAM系统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。

　　d.

　　符合高速切削要求。高速加工不同于传统加工方式，有着其特殊要求，因而要求CAM系统能够满足特定的工艺要求，如避免刀具轨迹中走刀方向的突然变化，保持刀具轨迹的平稳、合适下刀方式、端点圆弧连接、修复功能等。

　　e.

　　编程方式的改变。传统CAD／CAM中的编程由工程师来完成，编程与即时加工地点分离经常造成指令反复检验与修改，影响正常使用。采用高速切削设备，为了充分发挥设备操作人员的优势，缩短加工时间间隔，机侧编程成为新的发展方式要求。

　　4高速切削典型应用实例（1）铝质模具加工。

　　铝质材料是模具制作的常用材料，铝质材料熔点较低，在传统加工时，切削热会使部分铝屑熔化，粘附在刀具上，影响模具加工后的型腔表面质量，使得后道工序需要大量的手工操作。高速切削的使用，大大改变了这一状况。像常见的软密封蝶阀闸板包胶铝质模具，模具型腔长1m以上，要求模具加工尺寸精度误差±0.05mm，表面粗糙度Ra0.8！m，在采用普通切削时，工艺安排为粗铣→半精铣→精铣→手工打磨、抛光，劳动强度非常大，制造周期为7天。而采用高速切削加工时，半精加工主轴转速15000转／min，切深2mm，进给速度5m／min；精加工切削时主轴转速20000转／min，切深0.2mm，进给速度10m／min，加工周期减为2天，并且模具质量有了很大的提高。

　　（2）钢制模具加工。

　　模具所用模具钢，为保证尺寸的稳定和使用寿命，常常进行淬火，以提高模具硬度。在获得好的使用性能的同时，也增加了加工的难度。以用于制造插座的压铸模具为例，模具材料淬火后硬度超过用传统加工工艺过程是：粗加工→线切割→淬火→EDM成形→抛光，加工总工时为60h.？用高速切削时工艺过程是：粗加工→淬火→HSC→抛光，加工总工时仅为14h，工效提高4倍多，并且高速加工后的模具表面质量提高，大幅度降低了生产成本。

　　这些实例说明，高速切削技术在模具制造中的应用效果和优越性是非常明显的，具有很强的推广应用价值。

　　结束语总之，高速切削技术的出现，为模具制造技术开辟了一条新的道路。作为一种新的机械加工技术，它以其高速度、高精度、高效率，代表了切削加工的未来发展方向，并逐渐成为切削加工的主流技术，正在被越来越多的企业所采用。虽然由于资金、技术等方面的原因，应用高速切削生产模具在我国目前还处于初期阶段，还存在机床、刀具、工艺以及其他方面的一些问题需要逐步解决，高速切削加工也还不能完全代替电火花成形加工，但模具的高速加工技术正在逐渐成为我国模具工业技术改造主要的内容之一。随着世界制造中心向中国的转移，中国要在模具生产大国的基础上成为模具生产强国，需要各个方面协调发展，加大投入，综合利用各个方面力量，随着诸如设备、刀具、工艺、CAM软件等问题的逐步解决和优化，高速切削技术必将对促进我国模具制造业整体技术水平和经济效益的提高产生深刻的影响。
来源：中国模具网

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