高速加工技术及其在模具制造中的应用

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关键词　高速加工 模具制造 数控编程

１ 引言

２０世纪３０年代，德国科学家Salomon 通过对不同材料进行切削试验，发现了一个有趣的现象：随着切削速度的增加，切削温度随之增加，单位切削力也随之增加，而当削速度增加到一定临界值时，如再增加，切削温度和切削力反而急剧下降。由此，提出了高速加工的概念，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１０００ｍ／ｍｉｎ可称为高速加工，而对于加工铸铁或钢，切削速度大于３０５ｍ／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５０００～１５０００ｍｍ／ｍｉｎ　快速进给可达到２００００～６００００ｍｍ／ｍｉｎ。与常规切削加工相比，高速加工有如下一些优点，①由于采用高的切削速度和高的进给速度，高速加工能在单位时间内切除更多的金属材料，因而切削效率高；②在高速加工的时候，可以采用较少的步距，达到提高零件表面质量的目的，采用高速加工技术，可以使得零件表面达到磨削的效果；③由于高速加工时切削力大大降低、大部分切削热被切屑带走，因而工件的变形大大减少；④高的切削速度意味着高的主轴转速，机床运转激励的振动频率能大大高于工艺系统的固有频率，因而使机床和工艺系统的振动小，工作平稳，这也有利于提高被加工零件的精度和表面质量；⑤由于高速加工时，切削温度较低，单位切削力较小，因而刀具的耐用度能得到提高。

由于这些优点，所以高速加工首先在航空航天制造领域得到应用。高速加工给航空航天带来的影响有：

①传统非常难以加工薄壁零件、柔性材料零件的加工，可以利用高速加工的切削力小、切削温度低的优点，利用高速加工技术进行加工；②高速加工的切削力小、切削效率高，可以采用长径比很大的刀具进行加工，因而传统的必须设计为组合件的一些零件可以设计为整体件了。如蜂窝零件、飞机的整体框梁等。由于当时高速加工属于尖端的加工技术，并且主要应用于航空航天等国防制造领域，因而发达国家对高速加工机床的出口实行管制政策。随着技术的进步，高速加工技术不断成熟，高速加工机床的成本也不断下降，使得高速加工技术已具有向民用制造业转移的可能性，高速加工技术在模具制造行业有广阔的应用前景。根据高速加工技术的特点，高速加工技术应用于模具制造业中主要有如下一些优点：①减少加工工序，粗加工后，直接精加工，不需要半精加工；②表面质量提高，减少或不需要打磨；③精度提高，减少试模工作量；④可以使用小刀具加工模具细节，减少电极制作和电加工工序；⑤可以在高精度、大进给的方式完成淬火钢的精加工，且达到很高的模具表面质量，因而可以减少传统加工因精加工后再淬火引起模具变形。

高速加工技术主要涉及机床、刀具、和高速加工数控编程３个方面。目前，高速加工机床和刀具技术已取得了相当进展，为高速加工技术得广泛应用奠定了基础。

２ 高速加工机床

实施高速加工技术，首先应有高速加工机床。高速加工机床具有不同于传统数控机床的特点　

（１）高速加工机床的主轴部件，要求采用耐高温、高速、能承受大的负荷的轴承，同时主轴动平衡性能好，有良好的热稳定性，能够传递足够的力距和功率且能承受高的离心力。主轴的刚性好、有恒定的力矩。带有检测过热装置和冷却装置。

（２）高速加工机床的进给系统一般采用直线电机驱动，能够实现高的进给速度，达到大的加速度。

（３）高速加工机床采用高性能的数控系统，克服传统数控机床的运算速度低和伺服滞后等缺陷，从而能实现高精密伺服控制、高速数控运算和全公差控制功能。

（４）高速加工的机床结构一般通过优化设计采用较轻的移动部件，从而能获得高的加速度特征。

（５）为了能获得高的静态和动态刚度，适应高速旋转的需要，高速加工机床对刀具有严格的要求，尤其是对主轴于刀柄的联结有特殊的要求，广泛使用的ＨＳＫ刀具一般使用１１０的小锥度，而不使用
传统的大锥度刀柄。

（６）高速加工具有数控代码预览功能，即高速加工机床的数控系统在进行切削加工的过程中，其读取的加工代码可以有一定量的超前，以便于机床调整进给速度以适应刀具轨迹变化的需要。

３ 面向高速加工的数控编程基本原则

高速加工对加工工艺走刀方式有着特殊的要求，高速加工的数控编程是一项非常复杂的技术，ＮＣ代码的编程员必须了解高速加工的工艺过程，再编制数控加工程序时，将这些加工工艺考虑进去，一般来说，在利用高速加工技术进行模具加工时，应注意如下一些原则：

（１）高速加工时，由于进给速度和切削速度很高，应当避免刀具突然切入和切出工件，避免切削力的突然变化减少冲击。因而，编程者应当能够充分预见刀具是如何切入工件，如何切出工件，尽量采用平稳的切入切出方式，下刀或行间、层间的过渡部分最好采用斜式下刀或圆弧下刀，避免垂直下刀直接接近
工件材料。

（２）在进行高速加工时遇到加工方向改变时，机床为了保证加工的精度，避免过切，通过其预览功能，在加工方向进行改变时一般会自动进行进给速度的调整。但是，当加工方向突然改变时，由于机床的加速度是有限制的，因而，有可能做不到及时的速度调整，造成过切或（欠切），严重的将造成刀具断裂。同时，不断地调整进给速度会严重降低生产效率。因而，编写高速加工数控加工程序时，应尽量避免加工方向的突然改变。行切的端点采用圆弧连接，避免直线连接、层间应采用螺旋式连接，避免直线连接。

（３）要尽可能维持恒定切削负载，切削深度、进给量和切削线速度一定要协调好。当遇到某处切削深度有可能增加时，应降低进给速度，以保持恒定的负载。编写高速加工的数控程序时，应能充分考虑残留余量的效应，最好编程软件有残留余量的分析功能，做基于残留余量的刀具轨迹计算。同时，要注意刀具的实际切削位置，避免切削线速度减低的现象发生，确实处于正常的高速加工切削速度范围，应尽量使用多坐标编程，通过刀轴旋转来维持恒定的切触点位置，维持恒定的切削速度。