高速切削加工在模具制造中的应用

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摘 要 高速切削加工是近十年来迅速崛起的一项先进制造技术，是面向21世纪的一项高新技术，而模具已经成为当今工业生产中使用极为广泛的重要工艺装备，高速加工技术的发展迅速，为提高模具制造水平、产品质量提供了新的发展方向。

关键词 高速切削加工；模具制造；应用

中图分类号 TG506 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2013）011-0134-01

高速切削加工是近十年来迅速崛起的一项先进制造技术，是面向21世纪的一项高新技术，由于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4～6倍。它具有切削效率高、加工质量高、能直接加工淬硬钢件和良好的经济性，使航空、模具、汽车、轻工和信息等行业的生产效率与制造质量显著提高，并引起加工工艺及装备相应的更新换代。

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。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。

正因为模具应用如此广泛，与之相关的模具制造技术也有了很大的发展。目前，采用高速切削生产模具已经成为模具制造的大趋势。在国外一些模具生产厂家，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。

1 目前模具制造的发展现状和趋势

目前中国模具市场需求已达500亿元之规模。汽车模具、特别是覆盖件模具年增长速度将超过20%；建材模具也迅速发展，各种异型材模具、墙面和地面模具成为模具的新增长点，今后几年塑料门窗和塑料排水管增长将超过30%；家电模具年增长速度将超过10%；IT业年均增长速度超过20%，对模具的需求占模具市场的20%。但是，我国技术含量低的模具已供过于求，精密、复杂的高档模具很大部分依靠进口。每年进口模具超过10亿美元。出口超过1亿美元。精密模具精度要求在2 μm～3 μm，大型模具需要满足8000 kN合模力注塑机的要求；小型模具需满足直径1 mm塑料管的要求。目前，采用高速切削生产模具已经成为模具制造的大趋势，在国外一些模具生产厂家，高速机床大面积取代电火花机床，高速切削大大提高了模具生产效率。机床企业瞄准模具生产企业，有的加工中心生产厂机床的60%以上卖给模具加工企业。高速切削逐渐取代电火花精加工模具在国外的模具制造企业已经普遍采用，高速切削生产模具已经成为逐渐模具制造的大趋势，大大提高了模具生产效率和质量。采用高速切削替代电火花生产模具，可以明显提高效率、提高模具精度、使用寿命长。

2 高速切削加工技术参数

所谓高速加工就是指切削速度高于临界速度的切削加工。对不同的切削材料和不同的切削方式来说，高速切削定义的切削速度的范围也不同，对于铣削铝、镁合金，切削速度大于1000 m/min可称为高速加工，而对于加工铸铁或钢，切削速度大于305 m/min就可以称为高速加工了。随着技术的发展，高速加工的概念也在不断变化，一般而言，高速铣削除了具有高的切削速度和主轴转速外，还应具有高的进给速度。如一般精铣加工可达到5000 mm/min～15000 mm/min，快速进给可达到20000 mm/min～60000 mm/min。

高速机床的技术参数要求：1）加工中心主轴大功率、高转速，满足粗精加工；精加工模具要用小直径刀具，机床一般要达到15000 rmp～20000 rmp。2）快速进给的一般要求和汽车、飞机企业的区别；快速进给30 m/min～60 m/min。3）具有好的高速控制系统：高精度插补、轮廓前瞻控制、高加速度、高精度位置控制等。

3 高速切削加工在模具制造中的应用

3.1 高速切削加工与常规加工的比较

高速切削加工与常规的加工方法主要区别在于进给速度、加工速度和切削深度这三个工艺参数值不同。高速切削加工采用高进给速度和小切削深度，而常规加工则采用低进给速度和大切削深度。另外，高速切削加工对机床主轴、切削刀具、计算机数控系统、伺服进给系统和数控编程方法的要求与常规的加工方式不同。高速切削加工及其精密性生产实践表明，与传统切削加工相比，用高速加工容易生产和剪断切屑，当切屑厚度减小时，切屑温度上升，切屑更为碎小。而当应力和切屑都减小时，刀具负载变小，同时，由于产生的摩擦热减少，大量的切削热量被高速离去的切屑带走，故模具和刀具的热变形很小，模具表面没有变质及微裂纹，因而大大改善工件的加工质量，并且有效地提高其加工精度。同常规的加工相比，高速切削加工具有加工循环时间短、所需的刀具数少、切削应力小、产生切屑量大、加工精度高等特点。一般来说高速加工精度可达10 ?m以下，表面粗糙度Ra1?m以下。能有效地减少电加工和抛光工作量。

3.2 高速切削加工应用于模具制造的优势

1）高速切削的优点：①刀具的高转速和机床的高进给以及高加速度，大大提高金属切除率；②高速切削减小切削力；③高速切削热大部分由切屑带走，工件发热少；④高速切削减少振动，提高加工质量；

2）高速加工应用于模具加工的效益：①快速粗加工和半精加工，提高加工效率；②高速高精度精加工硬切削代替光整加工，表明质量高，形状精度提高，比EDM加工提高效率50%，减少手工修磨；③硬切削加工最后成型表面，提高表面质量、形状精度，（不仅是表面粗糙度低，而且表面光亮度高），用于复杂表面的加工更具优势；④避免EDM加工产生的表面损伤，提高模具寿命20%；⑤结合CAD/CAM技术快速加工电极，特别是形状复杂、薄壁类电极。

3.3 采用高速切削加工模具需要解决的问题

在国内，由于资金、技术等方面的原因，应用高速切削生产模具还处于初期阶段。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。缺点是加工成本高，对刀具的使用有较高的要求，不能使用过大的刀具，要有复杂的计算机编程技术做支持，设备运行成本高。采用高速切削加工模具需要解决的问题：1）高速加工模具的机床；2）选择切削刀具；3）合理的加工工艺；4）编程和刀具轨迹；5）根据生产条件大量的工艺实验。

4 高速切削加工技术引进模具工业，主要应用的几个方面

1）淬硬模具型腔的直接加工。利用高速切削可加工硬材料的特点直接加工淬硬后的模具型腔，提高了模具加工的质量和效率，可取代电火花加工。

2）EDM（电火花）电极加工。应用高速切削技术加工电极对提高电火花加工效率起到了很大作用。高速切削电极提高了电极的表面质量和精度，减少了后续加工工序。

3）快速样件制造。利用高速切削加工效率高的特点，可用于加工塑料和铝合金模型。通过CAD设计后快速生成3D实体模型，比快速原型制造效率高、质量好。

5 结束语

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，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。模具市场对高速加工有强烈需求，需要各个方面协调发展，产学研结合，加大投入，综合利用各个方面力量推动高速切削在模具制造中的应用。通过各方面的努力，在市场需求的推动下，通过技术进步，像汽车、机床、家电一样，在不远的将来，我国不但要成为模具生产大国，而且要成为模具生产强。

作者简介

钟一明（1957—），男，助理工程师，从事机械制造技术实习教学工作。