作為現代先進製（zhì）造技（jì）術中最重要的共（gòng）性技術之一（yī）的高速加工技術代表了切削加工的發展方向，並逐漸成為切削加工的主流技術。高速切削中（zhōng）的“高速”是一個相對概念（niàn），對於不同的加工方式及工件材料，高速切削（xuē）時采用（yòng）的切削速（sù）度（dù）並不相（xiàng）同。一般來說，高速切削采用的切削速度比常規（guī）切削速（sù）度高5～10倍以上。由於高速切削技術的應用可顯著提高加工效（xiào）率和（hé）加工（gōng）精度、降低切削力、減小切削熱對工件的影響、實現工序集約化等，因此已在航空航天、模具製（zhì）造、汽車製造、精密機械等領域得到廣泛應用，並取得了良好的技術經濟（jì）效益。在現代模具的成形（xíng）製造（zào）中，由於模具的形麵設計日趨複雜，自由曲麵所占比例不斷（duàn）增加，因（yīn）此對模具（jù）加工技術提（tí）出了更高要求，即（jí）不僅應保證高的製造精度和表麵質量，而且要追求加工表麵的美觀。隨著對（duì）高速加工技術的研究不斷深入（rù），尤其在加工機床、數（shù）控係統、刀具係統、CAD/CAM 軟件等相關技術不斷發展的（de）推動下，高速加工技術（shù）已越來（lái）越多地應用於模具的製造加工。

   

       高速加工技術對模具加工工藝產生了（le）巨大影響，改變了（le）傳（chuán）統模具加（jiā）工采用的“退火→銑（xǐ）削加工→熱處理（lǐ）→磨削（xuē）”或“電火花加（jiā）工→手工（gōng）打磨、拋光”等複雜冗（rǒng）長的工藝流程，甚至可用高速切削（xuē）加工替代原來的全部（bù）工序。高速加工技術除（chú）可應用於淬（cuì）硬模具型腔的直接加（jiā）工(尤其是半精加工和精加工)外，在EDM電極加工、快速樣（yàng）件製造等（děng）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（shù）可節省模具後續加工中約80%的手工研磨（mó）時（shí）間，節約加工成本費用近30%，模具表麵加工精度可達（dá）1μm，刀具切（qiē）削效率可提高一倍。

   

   

       由於（yú）模（mó）具加工的特殊性以及高速加工技術的自身特點，對模（mó）具高速加工的相（xiàng）關（guān）技術及（jí）工藝係統(加工機床、數控係（xì）統（tǒng）、刀具等)提出了比傳（chuán）統模具加工更高的要求。

   

       2.1機床主軸

   

       高速機床（chuáng）的主軸性能是實現高速切削加工的重要條件。高速切削（xuē）機床主軸的（de）轉（zhuǎn）速（sù）範圍為10000～100000r/mim，並要（yào）求主軸具有快速升（shēng）速、在指定位置快速準停的性能(即（jí）具有極（jí）高的角加減速（sù）度)，因此高（gāo）速主軸常（cháng）采用液體靜壓軸承式、空氣靜壓軸承式、磁懸浮軸承式等結（jié）構形式。

   

       2.2機床驅動（dòng）係統（tǒng）

   

       為滿足模具高速加（jiā）工的需要，加工機床的驅動係統應具有下列特性（xìng）：

   

       高的進給速度。研究表明，對於小直徑刀具，提高轉速（sù）和每齒進給量有利於降（jiàng）低刀具磨損。目前常用的進給速度範圍為20～30m/min，如采用（yòng）大（dà）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（jìn）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動係統具有良好（hǎo）的加速度特性，驅動係統加速度應達到20～40m/s2。高的（de）速度增益因子(Velocity gain factor)Kv。為達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）度增益因子Kv=20～30(m/min)/mm。

   

       2.3數控係統

   

       先進的數控係（xì）統（tǒng）是保證模具（jù）複雜曲麵高速加工質量和效率的關鍵因素，模具高速切削加工（gōng）對數控係統（tǒng）的基（jī）本要求為：

   

       高速的數字控（kòng）製回路（lù）(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（jī）采樣時間(<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（zhì）(Jerk control)。

   

       先進的插補方法(基於NURBS 的樣條插補)，以獲得良（liáng）好的表麵質量、精確的尺寸和高的幾何精度。

預處理(Look-ahead)功能。要求具有大（dà）容量緩衝寄存器，可預先閱讀和檢查多個程序段(如DMG 機床（chuáng）可多達500 個程序段，Simens 係統可達1000～2000 個程序段（duàn）)，以便在被加工表麵形狀(曲率)發生（shēng）變（biàn）化時（shí）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、主軸等發熱導致的熱誤差補償、象限誤差補償、測（cè）量係統誤差補償等功能。此外，模具高速切削加工對數據（jù）傳輸速度的要求也很高。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（jun1）已采用以太局域網（wǎng）(Ethernet)進行數據傳輸，速度可達200Kbps。

   

       2.4高速切削刀（dāo）具係（xì）統

   

       高速切削刀具（jù）係統（tǒng）的主要發展趨勢是（shì）空心錐部和主軸端麵同時接觸的雙定位（wèi）式刀柄(如德國OTT公司的HSK刀柄、美國Kenamental公司的KM刀柄等)，其軸向定位精度可達0.001mm。在高速旋轉的離心（xīn）力作用下，刀夾鎖緊更為牢固，其徑向跳動不超（chāo）過5μm。用於高速切削加工的（de）刀具材料主要有硬質合金、陶瓷、金屬陶瓷、立方氮化（huà）硼(PCBN)、聚（jù）晶金剛石等（děng）。為滿足模具高速加工的要求，刀具（jù）技術的（de）發展主（zhǔ）要集中在新型塗層（céng）材料與塗層方法的研究、新型刀具結構的開發等方麵。

 

   

   

       3.1粗加工

   

       模具粗加工的主要目標是追求單位時間（jiān）內的材（cái）料去除率，並（bìng）為半精加工準備工（gōng）件的幾何輪廓。圖（tú）1所示為粗加工過程中工件（jiàn）輪廓（kuò）形狀對（duì）刀具載荷（hé）的（de）影（yǐng）響。由圖可（kě）見，在切削過程中因切削層金屬麵積發（fā）生變化（huà），導致刀具承受的載荷發生變化，使切削過程不穩定，刀（dāo）具磨損（sǔn）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（guò）以下措施保持切削條件恒定（dìng），從而獲得良好的加工（gōng）質量。恒定的切削載（zǎi）荷。通過計算獲得恒定的切削層麵積和材（cái）料去除率，使切削（xuē）載荷與刀具磨損速率保持均衡，以提高刀（dāo）具壽命和加工質（zhì）量。避免突然改變（biàn）刀具進給（gěi）方向（xiàng）。避免將刀具埋入（rù）工件。如（rú）加工模具型腔時（shí），應避免刀具垂（chuí）直插入工件，而應采（cǎi）用（yòng）傾（qīng）斜下刀方式(常用傾斜角為（wéi）20°～30°)，最好采用螺旋式下刀以降低刀具載荷；加工模具型（xíng）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（qiē）出工（gōng）件時應盡（jìn）可能采用傾斜式(或圓（yuán）弧式)切（qiē）入、切出，避免垂直切入、切出。采用攀爬式切削(Climb cutting)可降低切削熱，減小刀具受力和加工硬化程（chéng）度（dù），提高加工質（zhì）量。

   

       3.2半精加（jiā）工

   

       模具半精加工的主要目標是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重要，因為它將影響精加工時刀具切削層麵積的變化及刀（dāo）具載荷的變化，從而影響切削過程（chéng）的穩定性及精加工表麵質量。

粗加工是基於體積模型(Volume model)，精加工則是基於（yú）麵模型(Surface model)。而以前開（kāi）發的CAD/CAM係統對零件的幾何描述是不連續的，由（yóu）於沒有描述粗加工後、精加工前加工模型的中間信息，故粗加工表麵的剩（shèng）餘加工餘量分布及最大剩餘加工餘量均是未知的。因此應對半精加工策略進行優化以保（bǎo）證半精加工後工件（jiàn）表麵具有均勻的剩餘加工餘量。優化過程包括：粗加工後輪廓的計算、最大剩餘加工餘量的計算、最大允（yǔn）許加工餘量的確定、對剩餘（yú）加工餘量大於最大允許加工餘量的型麵分區(如凹槽（cáo）、拐角等過渡半徑小於粗加工刀具半徑的區域)以及半精加工時刀心軌跡的計算等。

   

       現有的模（mó）具高速加工CAD/CAM軟件大都具備剩餘加工（gōng）餘量分析功能，並能（néng）根據剩餘加工（gōng）餘量的大小及分布情況采用合理的半精加工策略。如Open Mind公（gōng）司的Hyper Mill和Hyper Form軟件提供了束狀銑削(Pencil milling)和剩餘銑削(Rest milling)等方法來清（qīng）除粗加工（gōng）後剩餘加工餘量較大的角落以保證後續工（gōng）序均勻的加（jiā）工餘量。Pro/Engineer軟件的局部銑削(Local milling)具有（yǒu）相似的功能，如局部銑削工序的剩餘加工餘量取值與粗加工相等，該工序隻用一把小直徑銑刀來清除粗加工未（wèi）切到的角落，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（yú）量，則該工序不僅可清（qīng）除粗加工未切到的角落，還可完成半精加工（gōng）。

   

       3.3精加工

   

       模具的高速精（jīng）加工策略取決於刀（dāo）具與工件的接觸點，而刀具與工件的接觸點隨著（zhe）加工表麵的曲麵（miàn）斜率和刀（dāo）具有效半徑的變化而變化。對於（yú）由多個曲麵組合而成（chéng）的複（fù）雜曲麵加工(見圖2)，應盡可能在一個工序中進行連續加工，而不是對各個曲麵分別進行加工，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（yì）加（jiā）工的側吃刀量(Step over)，就可能造成在斜（xié）率不同的表（biǎo）麵上實際步距不均勻，從而影響加（jiā）工（gōng）質量。

Pro/Engineer解決（jué）上述問題的方法是在（zài）定義側吃刀（dāo）量的（de）同時，再定義加工表麵殘留麵積高度(Scallopheight)；Hyper Mill 則提供了等步距加工(Equidistantmachining)方式，可（kě）保證走刀路徑間均勻的側吃刀量（liàng），而不受表（biǎo）麵斜率及曲率的限製，保證刀具在切（qiē）削過程中始終承受均勻的載荷。一般（bān）情況下，精加工（gōng）曲麵的曲率半徑應大於刀具半（bàn）徑的1.5倍，以避免進給方向的突然轉變。在模具的高速精加工中，在每（měi）次切入、切出工件時，進給方向的改（gǎi）變應盡量采用圓弧或曲（qǔ）線轉接，避免采用直線轉接，以保持切削過程的（de）平穩性。

 

 

   

       3.4進給速（sù）度的優（yōu）化

   

      目前（qián）很多（duō）CAM軟（ruǎn）件（jiàn）都具（jù）有進給速度的優化調（diào）整功能(如圖3所示)：在（zài）半精加工過程中，當（dāng）切削層（céng）麵積大時降低進給速度，而切削層麵積小時增大進給速度。應用進給速度的優（yōu）化調整可使切（qiē）削過程平穩，提高（gāo）加工表麵質量。切削層（céng）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。