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1、高速切削加工在模具制造中的应用A.J.G. Nuttall *, G. Lodewijks摘要当前模具应用广泛，与之相关的模具制造工艺也有了很大的发展。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。它能改善模具缺陷，减少甚至省去手工修磨，从而降低生产成本和缩短制造周期。本文通过对传统模具加工工艺和高速模具加工工艺的对比，阐述了高速切削加工的优势。文中还简要介绍了高速切削加工在加工工艺方面的关键技术。关键字 高速切削；磨具；磨具加工；加工技术 1 绪论1.1 引言随着，模具已经成为当今工业生产中
2、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
3、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。 1.2 高速切削加工技术概述究其本意，高速切削，首先有高的切削速度，即要有高的主轴转速，比如12000r/min、18000r/min、30000r/min、40000r/min，甚至在试验中还有更高的转速；另一方面，又应有更大的进给量，如30000mm/min、40000mm/min，甚至60000mm/min；再有就是快速移动、快速换刀、主轴换刀后从静态到达其所需转速的加速时间等等，只有达到了上述标准才能称之为高速切削。 其次是要针对不同的加工对象、不同的硬度、不同的材质、不同的形状来选择相应合理的参数
4、，而不能一味地追求为高速而高速，特别是对于型腔加工，形状复杂而刀具直径又较小时，由于刀具的运动轨迹不是简单的直线运动而是曲线运动，甚至有直角拐弯的时候，所以工艺参数的合理性就尤为重要，因为要想保持同一进给速度进行直角切削，可能会由于机床运动部件的巨大惯性而导致刀具做弯角运动时突然断裂，而变速运动又会由于加速和减速等运动造成切削厚度的瞬间变化，而导致切削刀变化使工件表面有切纹，由此使加工质量下降，所以，针对不同的加工对象，需要编程人员选择合理的刀具运动轨迹，优化切削参数；另一方面，根据需要选择适合的切削速度，只有这样才能真正发挥高速切削的长处。高速切削(HSC)是近十年来迅速崛起的一项先进制造技
5、术。由于高速切削技术具有切削效率高、加工质量高、能直接加工淬硬钢和较好的经济性,使航空、模具、汽车、轻工和信息等行业的生产效率与加工质量显著提高,并导致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,我国近年来也在加快发展。 高速切削加工是面向21世纪的一项高新技术，它是一种不同于传统加工的加工方式。与之相比，高速切削加工主轴转速高、切削进给速度高、切削量小，但单位时间内的材料切除量却增加了36倍。它以高效率、高精度和高表面质量为基本特征，在汽车工业
6、、航空航天、模具制造和仪器仪表等行业中获得了愈来愈广泛的应用，并已取得了重大的技术和经济效益，是当代先进制造技术的重要组成部分。 用传统方式加工模具时，常采用电火花加工，但电极的设计与制造本身是一个费时费力的工艺过程。而采用高速切削加工后，由于加工区域狭小的实现和高质量的表面结果，让电极的使用率大大降低。另外，用高速铣来制造电极也可以使生产效率提高到一个新的档次。 绝大部分模具均可利用高速切削技术来加工，如锻模、压铸模、注塑与吹塑模等。锻模腔体较浅，刀具寿命较长；压铸模尺寸适中，生产率较高；注塑与吹塑模一般尺寸较小，比较经济。 2 高速切削加工模具相对传统加工模具的优势 2.1 提高生产率 高
7、速切削中主轴转速和进给速度的提高，可提高材料去除率。同时，高速切削可加工淬硬零件，许多零件一次装夹可完成粗、半精和精加工等全部工序，对复杂型面加工也可直接达到零件表面质量要求，因此，高速切削工艺往往可省却电火花加工、手工磨修等工序，缩短工艺路线，进而大大提高加工生产率。 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510倍，单位时间材料切除率可提高36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。 2.2 改善加工精度和表面质量 高速机床必须具备高刚性和高精度等性能，同时由于切削力低，工件热变形减少，刀具变形小，高速切削的加工精度
8、很高。切削深度较小，而进给速度较快，加工表面粗糙度很小，切削铝合金件时可达Ra0.40.6，切削钢件时可达Ra0.20.4。 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。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。2.3减少切削产生的热量 因为高速切削加工是浅切削，同时进给速度很快，刀刃和工件的接触长度和接触时
9、间非常短，减少了刀刃和工件的热传导，避免了传统加工时在刀具和工件接触处产生大量热的缺点，保证刀具在温度不高的条件下工作，延长了刀具的使用寿命。如图1所示，A为高速切削加工时的热传导过程，B为传统加工的热传导过程。图1 高速加工和传统加工的热传导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。2.4 有利于加工薄壁零件 高速切削时的切削力小，有较高的稳定性，可高质量地加工出薄壁零件。采用如图2所示分层顺铣的加工方法，可高速切削出壁厚0.2mm，壁高20mm的
10、薄壁零件。此时，刀刃和工件的接触时间非常短，避免了侧壁的变形。 图2 高速切削薄壁零件2.5可部分替代某些工艺，如电火花加工、磨削加工等 高强度和高硬度的加工也是高速切削的一大特点，目前，高速切削已可加工硬度达HRC60的零件，因此，高速切削能够加工经热处理硬化后的工件。在传统加工模具的工艺中，精加工前对热处理硬化后的工件需进行电火花加工，用高速切削加工替代传统切削的加工方法可以省去模具制造工艺中的电火花加工，简化了加工工艺和投资成本。模具的尺寸、形状和表面粗糙度都很重要，如果加工后的模具不能达到要求的质量精度，就需要大量的手工磨修工作，手工磨修能够得到较好的表面质量，但是它会影响模具的尺寸和
11、形状精度。因此在模具加工还要尽量省去手工磨修，以提高模具质量，降低生产成本和制造周期。图3为传统模具加工过程：毛坯粗加工半精加工热处理硬化电火花加工精加工手工磨修。 图4为高速模具加工过程：硬化的毛坯粗加工半精加工精加工在,图4所示的高速模具切削加工过程中减少了两个工艺过程，大约缩短加工时间30%50%。传统加工工艺中的电火花加工容易在熔化的加工表层形成硬化层，硬度可达1000Hv，给后面的切削加工和磨削加工带来困难。电火花加工还容易引起表层疲劳裂纹和刀具的破损。 图3传统模具加工的过程图4 高速模具加工的过程2.6经济效益显著提高 综合上述种种优点，即：综合效率提高、质量提高、工序简化、机床
12、投资和刀具投资以及维护费用增加等，采用高速切削工艺将使综合经济效益显著提高。 3 高速切削加工工艺关键技术高速机床和高速刀具是实现高速切削的基本条件，在高速切削加工中对高速机床的性能和刀具材料的选择有严格的要求。 为了实现高速切削加工，一般采用高柔性的高速数控机床、加工中心，也有的采用专用的高速铣、钻床。机床同时具有高速主轴系统和高速进给系统，高的主轴刚度特性，高精度定位功能和高精度插补功能，特别是圆弧高精度插补功能。 高速切削刀具与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质合金、聚晶金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)和陶瓷等。 高速切削的工艺技术也是进行高速切削加工的关
13、键。切削方法选择不当，会使刀具加剧磨损，完全达不到高速加工的目的。实践证明，如果只有高速机床和刀具而没有良好的工艺技术作指导，昂贵的高速切削加工设备也不能充分发挥作用。高速切削加工工艺关键技术主要包括切削方法和切削参数选择的优化。 A切削方式的选择 在高速切削加工中，应尽量选用顺铣加工，因为在顺铣时，刀具刚切入工件产生的切屑厚度为最大，随后逐渐减小。在逆铣时，刀具刚切入工件产生的切屑厚度为最小，随后逐渐增厚，这样增加了刀具与工件的摩擦，在刀刃上产生大量热，所以在逆铣中产生的热量比在顺铣时多很多，径向力也大大增加。同时在顺铣中，刀刃主要受压应力，而在逆铣中刀刃受拉应力，受力状态较恶劣，降低了刀具
14、的使用寿命，顺铣和逆铣时刀具切入工件的过程，如图5所示。图5 刀具切入工件的过程示意B保持恒定的金属去除率 高速切削加工适于浅的切深，切削深度不应超过0.2/0.2mm(ae/ap)，这是为避免刀具的位置偏差，确保加工模具的几何精度。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，以获得下面几点好的加工效果：(1)可保持的恒定切削负载；(2)可保持切屑尺寸的恒定；(3)有较好的热转移；(4)刀具和工件均保持在较冷的状态；(5)不必熟练操作进给量和主轴转速；(6)可延长刀具的寿命；(7)能保证较好的加工质量等。 C走刀方式的选择 对于带有敞口型腔的区域，尽量从材料的外面走刀，以实时分析材
15、料的切削状况。而对于没有型腔的封闭区域，采用螺旋进刀方式，在局部区域切入。 D 尽量减少刀具的急速换向 尽量减少刀具的急速换向，由于之字形模式主要应用于传统加工，在高速切削加工中主要选择回路或单一路径切削。这是因为在换向时NC机床必须立即停止(紧急降速)然后再执行下一步操作。由于机床的加速局限性，而容易造成时间的浪费，急停或急动则会破坏表面精度，且有可能因为过切而产生拉刀或在外拐角处咬边。选择单一路径切削模式来进行顺铣，尽可能地不中断切削过程和刀具路径，尽量减少刀具的切入切出次数，以获得相对稳定的切削过程。 结论高速切削加工采用高的切削速度和进给速度，小的径向和轴向切削深度，切削力小，加工表面
16、粗糙度很小，刀具寿命提高； 用高速切削加工方式替代传统加工方式加工模具，可以省去电火花加工和手工磨修，提高了模具加工的生产率，降低了生产成本，缩短了加工周期；在研究高速切削加工时，要与高速切削工艺技术紧密结合起来，真正实现高效率、高精度和高可靠性的目的。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，
17、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。参考文献1 A.C. Low, J.W. Kyle, 高速切削技术新发展, 机械工程师 Association, 伦敦, 1986. 2 K.L. Johnson, 高速切削与磨具制造, 剑桥大学出版社, 剑桥, 1985.3 W.DMay, E.L. Morris, D. Atack, 高速切削的新运用, 运用物理学30 (1959) 17131724.4 S.C. Hunter,磨具制造, 应用技术学 28 (1961) 611617.5 G. Lodewijks,传动动力学, 论文, 德尔福特科技大学, 德尔福特, 1995.6 A.N. Gent, 高速切削, Carl Hanser Verslag, 2001.
