作為現（xiàn）代先進（jìn）製造技術中最重要的共性技術之一的高速加工技術（shù）代表了切削（xuē）加工的發展（zhǎn）方（fāng）向，並逐漸成為切削（xuē）加工的主流技術。高速（sù）切削中的（de）“高速”是一個相對概念，對於不同的加工方式及工件材料，高速切削時（shí）采用的切削（xuē）速度並不相同。一（yī）般來說，高速切削（xuē）采用（yòng）的切削速度比常規切削速度高5～10倍以上（shàng）。由於高速切削技術的（de）應用可顯著提高加工效率和加工精度、降低切削力、減小切削熱對工件的影響、實現工序集約化（huà）等，因此已在航空航天、模具製造、汽車（chē）製造、精密機械等領域（yù）得到廣泛應用，並取（qǔ）得了良好的（de）技術（shù）經（jīng）濟效益。在現代（dài）模具的成形製造（zào）中，由於模具（jù）的形麵設計（jì）日趨複雜，自由曲麵所占比例不斷增加，因此對模具（jù）加工技術提出了更高要求，即不僅應保證（zhèng）高的製造精度（dù）和表麵質量，而且要（yào）追求加工（gōng）表麵的美觀。隨著（zhe）對高速加工技術的研究不斷深入，尤其在加工機床、數控係統、刀具係統、CAD/CAM 軟（ruǎn）件等相關（guān）技術不斷發展的推動下，高速加工技術已越來越多地應用於模具的製造加工。

   

       高速（sù）加工技術對模具加工工藝產生了巨（jù）大影響，改變了傳統模具加工采用的“退火→銑削加工→熱處理（lǐ）→磨削”或“電火花加工→手工（gōng）打磨、拋光”等複雜冗長的工藝流程，甚至可用（yòng）高（gāo）速切（qiē）削加工替代原來的全部工序。高速加工（gōng）技術除可應用（yòng）於淬硬模具型腔的直接加工(尤其是半精加工和精（jīng）加工)外，在EDM電極加工、快速（sù）樣件製造等方麵也得到廣泛應用。大量生產實踐表明，應用高速切削技術可節省模具後續加工中約80%的手工研磨時間，節約加工成本費用近30%，模具表麵加工（gōng）精（jīng）度可達1μm，刀具切削效率可提高一倍。

   

   

       由（yóu）於模具加工的特殊性（xìng）以及高（gāo）速加工技術的自身特（tè）點，對模具高（gāo）速加工的相關技術及工藝係統(加工機床、數控（kòng）係統、刀具等)提（tí）出了（le）比傳統模具（jù）加工更高的要求。

   

       2.1機床主（zhǔ）軸

   

       高速機床的主軸性能（néng）是實現高速切削加工的重要條件。高速切（qiē）削機床主軸的（de）轉速範圍為10000～100000r/mim，並要求主（zhǔ）軸（zhóu）具有快（kuài）速升速、在指定位置快速準停的性能(即具有極高的角（jiǎo）加減速度)，因此（cǐ）高速主軸常采用液體靜壓軸承式、空氣靜壓軸承（chéng）式、磁懸浮（fú）軸承式等結構形式。

   

       2.2機床驅動（dòng）係統

   

       為滿足（zú）模具（jù）高速加工的需要，加工（gōng）機床的驅動係統應具（jù）有下列特性：

   

       高（gāo）的進給速度。研究表明（míng），對於小直徑（jìng）刀具，提（tí）高轉速和每齒進給量有（yǒu）利於降低刀具磨損（sǔn）。目前常用的進給速度範圍（wéi）為20～30m/min，如采用（yòng）大（dà）導程滾珠絲杠（gàng）傳動（dòng），進給（gěi）速度可達60m/min；采用直線電機則可使進給速度達到120m/min。高的加速度。對三維複雜曲麵廓形的高速加工要求驅（qū）動係統具有良好的（de）加速度（dù）特（tè）性，驅動係統加速度應達到20～40m/s2。高的速度增（zēng）益因子(Velocity gain factor)Kv。為達（dá）到較高的三維輪廓動態精度以及最小的滯後，一般要求速（sù）度增（zēng）益因子Kv=20～30(m/min)/mm。

   

       2.3數控係（xì）統

   

       先進的數控係統是保證模具複雜曲（qǔ）麵高速加工（gōng）質量和效率（lǜ）的關（guān）鍵因素，模具高速切削加工對數控係統的基本要求為（wéi）：

   

       高速的數字控（kòng）製回路(Digital control loop)。包括：32位或64位處理器及1.5Gb以上的硬盤；極短的直線電機采樣時間(<500μs)；速度和加（jiā）速度的前饋控製（zhì）(Feed forward control)；數字驅動係統的爬行控製（zhì）(Jerk control)。

   

       先進的插補（bǔ）方法(基於NURBS 的樣條（tiáo）插補)，以獲得良好的（de）表麵質（zhì）量（liàng）、精確的尺（chǐ）寸和高（gāo）的幾何精度。

預（yù）處理(Look-ahead)功能。要求具有大容（róng）量緩衝寄（jì）存器，可預先閱讀和檢查多個程序段（duàn）(如DMG 機床可多達500 個程序段，Simens 係統可達1000～2000 個程序段)，以便在被加工表（biǎo）麵形狀(曲率)發生變化時可及時采取改變進給速度等措施以避免過切等。誤差補償功能。包括因直線電機、主（zhǔ）軸等發熱導致的熱誤（wù）差補償、象限誤（wù）差補償、測量係統誤差補（bǔ）償（cháng）等功能。此外，模具高速切削加工對（duì）數據傳輸速度的要求也（yě）很高。傳統的數據接口如RS232串行口的傳輸速度為19.2Kbps，而許多先進的加工中心均已（yǐ）采用以太局域網(Ethernet)進行（háng）數據傳輸，速度可達200Kbps。

   

       2.4高速切削刀具係統

   

       高速切削刀（dāo）具係統的主要發展趨勢是空心錐部和主軸端麵同時接觸的雙定位式（shì）刀柄(如德國OTT公司的HSK刀柄、美國Kenamental公司的KM刀柄等)，其軸向定（dìng）位精度可達0.001mm。在高（gāo）速旋轉的離心力作用下，刀（dāo）夾鎖緊更為牢固，其徑向跳（tiào）動不超過5μm。用於高速切削加工的刀具材料主要有硬質合金、陶瓷、金屬陶瓷、立方氮化硼（péng）(PCBN)、聚晶（jīng）金（jīn）剛石等。為滿足模（mó）具（jù）高速加工的要求（qiú），刀具技術的（de）發展主要集中在新型塗層材料與塗層方法的研究、新型刀具結構的開發等方（fāng）麵（miàn）。

 

   

   

       3.1粗加工

   

       模具粗加工的主要目標是（shì）追求（qiú）單（dān）位時間（jiān）內（nèi）的材料去除率，並為半精加工準（zhǔn）備工件的幾何（hé）輪廓。圖1所示（shì）為粗加工過程（chéng）中工件輪廓形狀對刀（dāo）具載荷的影響。由圖可見，在切（qiē）削過程中因切削層金屬麵積發生變化，導致刀具承受的載荷發（fā）生變（biàn）化，使切削過程不穩定，刀具磨損速度不均勻，加工（gōng）表麵質量下降。目前開發的許多CAM軟件可通過以（yǐ）下措施（shī）保持切削條件恒定（dìng），從而獲得良好的（de）加工質量。恒定的切削載荷。通過計算獲得恒定的（de）切削層麵積和（hé）材料（liào）去除率，使切削載荷與刀具磨損速率保持（chí）均衡，以提高刀具壽命和加工質（zhì）量。避免突然改變刀具進給方向（xiàng）。避免將刀具埋（mái）入工件。如加（jiā）工模具型腔時，應避免刀具垂直插入工件，而應采（cǎi）用傾斜下刀方式(常用傾斜角為20°～30°)，最（zuì）好采用螺（luó）旋式下（xià）刀以降低刀具載荷；加工模具型芯時，應盡量先從工（gōng）件外部下刀然後水平切入工件。刀具切入（rù）、切（qiē）出工件時應（yīng）盡可能（néng）采用傾斜式(或圓弧式)切入、切（qiē）出，避免垂直切入、切出。采用攀爬式切削(Climb cutting)可降低切削熱（rè），減小刀具受力和加工硬化程度，提高加工質量。

   

       3.2半精（jīng）加工

   

       模具半精加（jiā）工的主（zhǔ）要目標（biāo）是使工件輪廓形狀平整，表麵精加工（gōng）餘量均勻，這對於工具鋼模具尤為重要，因為它將影響精加工時刀（dāo）具切削層麵積的（de）變化及（jí）刀具載荷的變化，從而影響切削過程的穩（wěn）定性及精加工表麵質量。

粗加工是基於體積模（mó）型(Volume model)，精加工則是基於麵模型(Surface model)。而以前開發的CAD/CAM係統對零件的幾何描述是不連續的，由於沒有描（miáo）述粗加工後、精加工前加工模型的中間信息，故粗加工（gōng）表麵（miàn）的剩餘加工（gōng）餘量分（fèn）布及最大剩餘（yú）加（jiā）工餘量均是未知的。因此應對（duì）半精加工策略進行優化以保證半精加工後工件（jiàn）表麵具有均勻的剩（shèng）餘加工餘量。優化過程包括：粗（cū）加（jiā）工後輪廓（kuò）的計算、最大剩餘加工餘量的計算、最大允許加工餘量的確定、對剩餘加工餘量大（dà）於最大允許加（jiā）工（gōng）餘量的型麵分區(如凹槽、拐角等（děng）過渡半徑小於粗加工刀具（jù）半（bàn）徑的區域)以及半精加（jiā）工時刀心軌跡的計算等。

   

       現有的模（mó）具高速加工（gōng）CAD/CAM軟（ruǎn）件大都具備剩餘加工餘（yú）量分析功能，並能根據剩餘加工餘量的大小（xiǎo）及分布情況（kuàng）采用合理的半精加工策略。如Open Mind公司的Hyper Mill和（hé）Hyper Form軟件（jiàn）提（tí）供了束狀銑削（xuē）(Pencil milling)和剩餘銑削(Rest milling)等方法來清除粗加工後剩餘加工餘（yú）量較大的角落以保證後（hòu）續工序均勻的加工餘量。Pro/Engineer軟件的局部銑（xǐ）削(Local milling)具有相似的功能，如局部銑削工序的剩餘加工餘量取值與粗（cū）加工相等，該工序隻（zhī）用一把小直徑銑刀來清除粗加（jiā）工未（wèi）切到的角落，然後再進行半精加工（gōng）；如果取局部銑削工序的剩餘加工餘（yú）量值作為半精加工的剩餘加工餘量，則該工序不僅可清除粗加工未切到的角落（luò），還可完成半精加工。

   

       3.3精加工

   

       模具的高速（sù）精加工策略取決於刀具與工件的（de）接觸點，而刀具與工件的接觸點隨著加工表麵的曲麵斜率和刀具有效半徑（jìng）的變化而變（biàn）化（huà）。對於由（yóu）多個曲（qǔ）麵（miàn）組合而成（chéng）的（de）複雜曲麵加工(見圖（tú）2)，應盡可（kě）能（néng）在一個工序中進行（háng）連續加工，而不是對各個曲麵分別進行加工，以減少抬（tái）刀、下刀的次數。然（rán）而由於加工中表麵（miàn）斜率的變化（huà），如果隻定義加工的（de）側吃刀量(Step over)，就可能造（zào）成在斜率不同的表麵上實際步距不均勻，從而影響加工質量（liàng）。

Pro/Engineer解決上述（shù）問題的方法是在定義側吃刀量的同（tóng）時，再定（dìng）義加工表麵殘留麵積高度(Scallopheight)；Hyper Mill 則提供了等步距（jù）加工(Equidistantmachining)方式，可保證走刀路徑間均勻的側吃刀量，而不受表麵斜率及曲率（lǜ）的限製（zhì），保（bǎo）證刀具在切削過程中始終承受均勻的載荷。一般情況下，精加工曲麵的曲率半徑應大於刀具半徑（jìng）的1.5倍，以避免（miǎn）進給方向的突然轉變。在模具的高速精加工中，在每次切入、切出工件時，進給（gěi）方向的改（gǎi）變應盡量采用圓弧或曲線轉接，避免采用直線（xiàn）轉接，以保持切削過程的平穩性。

 

 

   

       3.4進（jìn）給速度（dù）的優化

   

      目前很多CAM軟件都具有進給速度的優化調整功能(如圖3所示)：在半精加工過程中，當切（qiē）削層麵積大時降低進給速度，而切（qiē）削層（céng）麵積小時增大（dà）進給速度。應用進給速度的優化調整可（kě）使切削過程平（píng）穩（wěn），提高加工表麵質量（liàng）。切削層麵積的大小完全由CAM軟件自動計算，進給速度的調整可由用戶（hù）根據加工要求來設置。