作為現代先進製造技術中最重要的共性（xìng）技術之一的高速加工技術代表了切削加工的發展方向，並逐漸成為切削加（jiā）工的主流技術。高速切削中的（de）“高速”是一個相對概念，對於不同的加工方式（shì）及工件材料，高速切削時采用的切削速度並不相同。一般來說，高速切削采（cǎi）用的（de）切削速度比常規切削速（sù）度（dù）高5～10倍以上。由於高速切削（xuē）技術的應用可顯著提高加工效（xiào）率和加工精度、降低切削力、減小切削熱對工件的影響、實（shí）現工序集（jí）約化等，因此已在航空航天、模具製造、汽車製造、精密機械等領域得到廣泛應用，並取得了良好（hǎo）的技術經濟效益（yì）。在現代模具的成形製造中，由於模具的形麵設計日趨（qū）複雜，自由曲麵所占比例不（bú）斷增加，因此對模具加工技術提出了更高要求，即不僅（jǐn）應保證高的製（zhì）造精度和表麵質量，而且要追求加（jiā）工表麵的（de）美（měi）觀。隨著對高（gāo）速（sù）加工技（jì）術的研究（jiū）不斷深入，尤其在加工機床、數控係統、刀具係統（tǒng）、CAD/CAM 軟件（jiàn）等相關技術不斷（duàn）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。

   

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

   

   

       由於模（mó）具加工的特殊性以及高速（sù）加工技術的自身特點，對模具高速加（jiā）工的相關技術及工藝（yì）係統(加工機床、數控係統（tǒng）、刀具等)提（tí）出了比傳統模具加工更高的要（yào）求。

   

       2.1機床主軸

   

       高速機床的主軸性能是實現高速切削加工的重要條件。高速（sù）切削機床主軸的（de）轉速範圍為10000～100000r/mim，並要求主軸具有快速升速、在指定位置快速準停的性能(即具（jù）有極高的角加減速度（dù）)，因此高速主軸常采用（yòng）液體靜壓軸承式（shì）、空氣靜壓軸承式、磁懸浮軸承式等結構形式。

   

       2.2機床驅動係統

   

       為滿足模具高速加工的需（xū）要，加工機床（chuáng）的驅動係統應具有下列特性：

   

       高的進給速度。研究表明，對於小直徑（jìng）刀具，提高轉速和每齒進給量有利於降低刀（dāo）具磨損。目前常用的進給速度（dù）範圍為20～30m/min，如采用大導程滾珠絲杠傳動，進給速度可達60m/min；采用直線電機則可使進給速度達到120m/min。高的加速（sù）度。對三維（wéi）複雜曲麵廓形的高速（sù）加工要求驅動係統具有良好的加速度特性，驅動係統加速度應達到20～40m/s2。高的（de）速度增益因（yīn）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，一般要求速度增益因子（zǐ）Kv=20～30(m/min)/mm。

   

       2.3數控係（xì）統

   

       先進的數控係統（tǒng）是保證模具複雜曲麵高速加工質量和效率的關（guān）鍵因素，模（mó）具高速切削加工對數（shù）控係（xì）統的基本要求為：

   

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

   

       先進的插補方法(基於NURBS 的樣（yàng）條（tiáo）插補)，以獲（huò）得良好的表麵（miàn）質量、精確的（de）尺寸（cùn）和高的幾（jǐ）何（hé）精度（dù）。

預處理(Look-ahead)功能。要求具有大容量緩衝寄存器（qì），可預先（xiān）閱讀和檢查多個程（chéng）序段(如（rú）DMG 機（jī）床可多（duō）達500 個程序段，Simens 係統可達1000～2000 個程（chéng）序段（duàn）)，以便在被加工表麵形狀(曲率)發生變化時可及時采取改變進（jìn）給速度等措施以避免過切等。誤差補償功（gōng）能。包括因直（zhí）線電機、主軸等發熱導致的熱誤（wù）差補償、象（xiàng）限誤差補償、測量係統誤差補償等功能（néng）。此外，模具高速切削加工對數（shù）據傳輸速度的要求也很高（gāo）。傳統的數據接口如RS232串（chuàn）行（háng）口的傳輸速度為19.2Kbps，而許多先進的加工（gōng）中心均已采用以太局域網(Ethernet)進行數據傳輸，速度（dù）可達200Kbps。

   

       2.4高速切削刀具係統

   

       高（gāo）速切削刀具係統的主要發展趨勢是空心（xīn）錐（zhuī）部和主軸端麵同時接觸的（de）雙定位式刀柄(如（rú）德國OTT公司的HSK刀柄、美國Kenamental公（gōng）司的KM刀柄等)，其軸（zhóu）向定（dìng）位精度可達（dá）0.001mm。在高速旋轉的離心力作用下，刀夾鎖緊更為（wéi）牢固，其徑向跳動不超過5μm。用於高速切（qiē）削加工的刀具材料主要有硬質合（hé）金（jīn）、陶瓷、金屬（shǔ）陶瓷、立方氮化硼(PCBN)、聚晶金剛石等。為滿足模具高速加工的要求，刀具技術的發展主要集中在新型塗層（céng）材料與塗層方法的研（yán）究、新型刀具結構（gòu）的開發等方麵。

 

   

   

       3.1粗加工（gōng）

   

       模（mó）具粗加工的主要（yào）目標是追求單位時（shí）間內的（de）材料去除率，並為半精（jīng）加工準備工件的幾何輪廓。圖1所示為粗加（jiā）工過程中工件輪廓形狀對刀具載荷的影響。由圖可見（jiàn），在切削過程中（zhōng）因切削層金屬麵積發生變化，導致刀具承受的載荷發生變化，使切削過程不穩定，刀具磨損速度不均勻，加工表麵質量下（xià）降。目前開發的許（xǔ）多CAM軟件可通過以下措施保持（chí）切削條件恒定，從而（ér）獲得良好的加工質量。恒定的切削（xuē）載荷（hé）。通過計（jì）算獲得恒定的切削層麵積和材料去除率，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量。避免突然改變刀具進給方向。避免將刀（dāo）具埋入（rù）工件。如加工模具型腔時（shí），應避（bì）免刀具垂直插入（rù）工（gōng）件，而應采用傾斜下刀方（fāng）式(常用（yòng）傾斜角為20°～30°)，最好采用螺旋式下刀以降（jiàng）低刀具載荷；加工模具型芯時，應盡量先從工件外部下刀然後水平切入工件。刀具切入、切出工件時應盡可能采用傾斜式(或圓（yuán）弧式（shì）)切入、切出，避免垂直切入、切（qiē）出。采用攀爬式切削(Climb cutting)可（kě）降低（dī）切削熱，減小刀具受力和加工硬化程度，提高加（jiā）工質量。

   

       3.2半精加工

   

       模（mó）具（jù）半精加工的主要目標是（shì）使工件輪廓形狀平整，表麵精加工餘量均勻，這對於工具鋼模具尤為（wéi）重要，因為（wéi）它將影響精加工時（shí）刀具切削層麵積的變化及刀具載荷的變（biàn）化，從而影響切削過程（chéng）的穩定性及（jí）精加工表麵質量。

粗加工是基於體積模型(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（jiàn）的幾何描述（shù）是不連（lián）續的，由於沒有描述粗加工後、精（jīng）加工前加工模型的（de）中間信息，故粗（cū）加工表麵的剩餘加工餘量（liàng）分布及（jí）最大剩（shèng）餘加（jiā）工（gōng）餘量均是未知的。因此應對半精加工策略進行優化（huà）以保（bǎo）證（zhèng）半（bàn）精（jīng）加工（gōng）後工件表麵具有（yǒu）均勻的剩餘加工餘量。優化過程包括：粗加工後輪廓的計算（suàn）、最大（dà）剩餘加工餘量的計（jì）算、最大允許加工（gōng）餘量的確定、對剩餘（yú）加工餘量大於最大允許加（jiā）工餘量（liàng）的型麵分區(如凹槽、拐角等過渡半徑小於粗加工刀具半徑的區域)以（yǐ）及（jí）半精加工時刀心軌跡的計算等（děng）。

   

       現有的模（mó）具（jù）高速加工CAD/CAM軟件（jiàn）大都具備（bèi）剩餘加工餘量分析功能，並能根據剩餘加工餘量的大小及（jí）分布情況采用合理的半精（jīng）加工策略。如Open Mind公司的Hyper Mill和Hyper Form軟件提供了束狀銑削(Pencil milling)和剩餘銑（xǐ）削(Rest milling)等（děng）方（fāng）法來清除粗加工後剩餘加工餘量較大的角落（luò）以保（bǎo）證後續工序均勻的加工餘量。Pro/Engineer軟件的局部銑削(Local milling)具有相似的（de）功能，如局部銑削工序的剩餘（yú）加工餘量（liàng）取值（zhí）與粗加工相（xiàng）等，該工序隻用一把小（xiǎo）直徑（jìng）銑（xǐ）刀來清除粗加工未切（qiē）到的角落，然後再進行半精加工；如果取局部銑削工序的剩餘加工餘量值作為半精加工的剩餘加工餘量，則該工序（xù）不僅可清除粗加工未切到的（de）角（jiǎo）落，還可完（wán）成半精加（jiā）工。

   

       3.3精加工

   

       模具的高速精加工策略（luè）取決於刀（dāo）具與工件的接觸點，而（ér）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的變化而變化。對於（yú）由多個曲（qǔ）麵組合而成的複雜曲麵加工(見圖2)，應盡可能在一個工序中進行連（lián）續加工（gōng），而不是對各個曲（qǔ）麵分別進行加工（gōng），以減少抬刀、下刀的次數。然而由於加工中表麵斜率的變化，如果隻定義加工的側（cè）吃刀量(Step over)，就可能造成在斜率不同的表麵上實際步（bù）距不均勻，從而（ér）影（yǐng）響加工質量。

Pro/Engineer解決上述（shù）問題的方（fāng）法是在定義側吃（chī）刀量的（de）同時，再定義加工表麵殘留麵（miàn）積高（gāo）度(Scallopheight)；Hyper Mill 則提供了等步距加工（gōng）(Equidistantmachining)方式，可保證走刀路徑間均勻的側吃（chī）刀量，而不受（shòu）表麵斜率及曲率的限製，保證刀具（jù）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的1.5倍，以避免進（jìn）給方向的突然轉變。在模具的高速（sù）精加工（gōng）中，在每次切入、切出工件時，進給方向的改變應盡（jìn）量（liàng）采用圓弧或曲線轉接，避免采用直線轉接，以保持切削過程的平穩性。

 

 

   

       3.4進（jìn）給速度的（de）優化

   

      目前很多CAM軟件都具（jù）有進給速度（dù）的優化調整功能(如圖3所示)：在半精加工過程中，當切削層（céng）麵積大（dà）時降低（dī）進給（gěi）速度（dù），而切削層麵積小時增大進（jìn）給（gěi）速度。應用進給速度的（de）優化調整可使（shǐ）切削過程平穩，提高加工表麵質量。切削層麵積的大小完全由CAM軟件（jiàn）自動計算（suàn），進給速度的調整可由用戶根據加（jiā）工要求來設置。