模具加工中的高速切削技術(shù)

鄭華新 張清勝

（1、海馬鄭州汽車有限公司，河南 鄭州 450016 2、河南安飛電子玻璃有限公司，河南 鄭州 450016）

1 模具加工的特點

精度高，模具不僅要有很高的加工精度，同時也要有很好的加工質(zhì)量。一般地，公差范圍應控制在微米級。只有高精度的模具才能保證產(chǎn)品達到一定的精度，保證產(chǎn)品的合格率，才有可能延長模具的使用。使用壽命長，模具屬于比較昂貴的工藝裝備，其加工費用約占成本的100/0~30%，所以要求模具的壽命長更有意義。

制造周期短，這主要是為了滿足生產(chǎn)的要求和產(chǎn)品的市場競爭能力。成本低，模具的成本與模具結(jié)構(gòu)的復雜程度、模具材料、制造精度要求及加工方法等有關(guān)。所以要合理設計和制定加工工藝，選用恰當?shù)募庸ぴO備，保證低的加工成本。

模具形狀復雜，模具的工作部分一般都是二維或者三維復雜曲面，而不是簡單的平面。比如汽車覆蓋件模具，其內(nèi)腔大部分都是由曲面組成。所用的材料硬度高，一般模具都是由淬火工具鋼或硬質(zhì)合金制成，運用傳統(tǒng)的加工方法加工較為困難。目前在模具加工制造過程中，主要以普通機加工和電火花加工為主。要縮短制造周期并降低成本，必須廣泛采用先進切削加工技術(shù)加工模具。而作為先進制造技術(shù)的高速切削技術(shù)的出現(xiàn)，正是滿足了模具加工這些要求和特點。

2 高速切削機床技術(shù)

性能良好的高速切削機床是實現(xiàn)高速切削的前提和關(guān)鍵，而具有高精度的高速主軸和控制精度高的高速進給系統(tǒng)，則是高速切削機床技術(shù)的關(guān)鍵所在。

2.1 高速主軸

高速主軸是高速切削機床的核心部件，在很大程度上決定著高速切削機床所能達到的切削速度加工精度和應用范圍。目前，適于高速切削的加工中心其主軸最高轉(zhuǎn)速一般都大于 10，000r/min，有的高達 60，000-100，000 r/min，為普通機床的10倍左右；主電動機功率15~80kW，以滿足高速車削、高速銑削之要求。隨著電氣傳動技術(shù)（變頻調(diào)速技術(shù)、電動機矢量控制技術(shù)等）的快速發(fā)展，高速數(shù)控機床主傳動的機械結(jié)構(gòu)得到極大簡化，取消了齒輪傳動和帶傳動，實現(xiàn)了機床的“零傳動”，采用機床主軸與主軸電機一體化的傳動結(jié)構(gòu)形式，即所謂的電主軸。軸承是決定主軸壽命和負荷的關(guān)鍵部件。電主軸采用的軸承主要有滾動軸承、流體靜壓軸承和磁懸浮軸承。滾動軸承因其具有剛度高、高速性能好結(jié)構(gòu)簡潔、標準化程度高和價格適中等優(yōu)點，在電主軸中得到最廣泛應用。滾動軸承在高速回轉(zhuǎn)時潤滑極為重要，目前，電主軸主要采用兩種潤滑方式：油脂潤滑和油一氣潤滑。目前，生產(chǎn)磁懸浮軸承電主軸的廠家有德國GMN公司、瑞士IBAG公司及中國洛陽軸承研究所等。

2.2 高速進給系統(tǒng)

控制精度高的高速進給系統(tǒng)也是實現(xiàn)高速切削的關(guān)鍵技術(shù)之一。傳統(tǒng)的滾珠絲杠副傳動系統(tǒng)對高速進給系統(tǒng)表現(xiàn)出不適應性，必須對其技術(shù)改進和技術(shù)創(chuàng)新，才能適應高速切削之要求。高速滾珠絲杠副傳動系統(tǒng)的加速度范圍為0.5-1.0g，行程范圍≤6m，用于低檔高速數(shù)控機床；高速進給系統(tǒng)采用直線電機進給驅(qū)動系統(tǒng)后，其加速度可高達2～10g，行程范圍不受限制，用于高檔高速數(shù)控機床和高速加工中心。

3 高速切削刀具技術(shù)

刀具技術(shù)是實現(xiàn)高速切削的重要保證。正確選擇刀具材料和設計刀具系統(tǒng)對于提高加工質(zhì)量、延長刀具壽命和降低加工成本都起著重要作用。

3.1 高速切削刀具材料

高速切削要求刀具材料具有如下性能：高硬度、高強度和耐磨性；高韌度、良好的耐熱沖擊性；高熱硬性、良好的化學穩(wěn)定性。日前，高速切削加工常用的刀具材料有：涂層刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼(CBN)材料和聚品金剛石(PCD)材料等。

3.2 高速切削刀具系統(tǒng)

刀具幾何參數(shù)對加工質(zhì)量和刀具耐用度有很大影響，一般高速切削刀具的前角比普通切削刀具約小10°，后角約大5°-8°。刀具在高速旋轉(zhuǎn)時，會承受很大的離心力，其大小遠遠超過切削力，成為刀具的主要載荷，足以導致刀體破碎，造成重大事故。

4 高速切削工藝技術(shù)

高速切削工藝和常規(guī)切削工藝有很大不同。常規(guī)切削認為高效率來自低轉(zhuǎn)速、大切深、緩進給、單行程；而高速切削則追求高轉(zhuǎn)速、中切深、快進給、多行程的加工工藝。在進行高速切削時，工件材料不同，所選用的切削刀具、切削工藝和切削參數(shù)也有很大不同。下面我們著重探討輕金屬、鋼和鑄鐵的高速切削工藝技術(shù)。

4.1 高速切削鋼和鑄鐵技術(shù)

高速銑削鋼和鑄鐵時，遇到的主要問題是刀具的磨損。高速銑削鋼材時，刀具使用鋒利切削刃和較大后角可減少刀具磨損，提高刀具使用壽命。刀具的磨損與工件材料的力學性能有關(guān)。如工件材料的抗拉強度增大，則刀具磨損增加，因此應減少每齒的進給量。

4.2 高速切削輕金屬技術(shù)

鋁合金因具有良好的耐蝕性，較高的比強度，導電性及導熱性好等優(yōu)點，在汽車工業(yè)和航空航天工業(yè)中已經(jīng)大量應用。鋁鎂合金大多使用鑄件。這些輕合金的最大優(yōu)點就是其固有的易切特性。輕合金可采用很高的切削速度和進給速度進行加工，切削速度可高達1000~7500m/min，高速切削使95-98%的切削熱被切屑迅速帶走，工件保持室溫狀態(tài)，熱變形小，加工精度高。高速銑削輕金屬時，由于加工過程存在較大的沖擊載荷，PCD和CBN刀具的壽命特性并不好。當切削速度達到1000m/min時，可使用K型硬質(zhì)合金刀具；當切削速度達到2000m/min時，可使用金屬陶瓷刀具；當切削速度更高時，可使用PCD刀具；高速銑削鋁鎂合金時，可使用Kl0硬質(zhì)合金刀具。

高速切削（High Speed Cutting）是一個相對概念，迄今尚未有一個確切的界定。高速切削通常指比常規(guī)切削速度和進給速度高出5-10倍的切削加工，有時也稱為超高速切削(Ultra-High Speed Cutting)。也有將主軸轉(zhuǎn)速達到10000r/min-60000r/min，快速進給速度20m/min以上，平均進給速度10m/min以上，加速度大于lg的切削加工定義為高速切削。對于不同的工件材料和加工工藝，高速切削速度（切削加工的線速度，單位m/min）范圍也同。按工件材料劃分，當切削速度對鋼材達到380m/min以上、鑄鐵700m/min以上、銅材1000m/min以上、鋁材l100m/min以上、塑料1150m/min以上時，被認為是合適的高速切削速度范圍；按加工工藝劃分，高速切削速度范圍為：車削700~7000m/min，銑削300~6000m/min，鉆削 200~1100m/min，磨削 5000~10000m/min。

5 高速切削的應用效益據(jù)生產(chǎn)實踐證明，高速切削應用于模具制造的效益是：

（1）高速粗加工和半精加工，提高加工效率數(shù)倍至幾十倍，只體與被加工的材料有關(guān)；（2）高速高精度精加工硬切削代替光整加工，表面質(zhì)量高，形狀精度提高，比EDM加工提高效率50%，減少手工修磨；（3）硬切削加工最后成型表面，提高表面質(zhì)量、形狀精度，（不僅是表面粗糙度低，而且表面光亮度高），用于復雜表面的加工顯得更具優(yōu)勢。（4）避免EDM加工產(chǎn)生的表面損傷，提高模具壽命20%。

6 結(jié)束語

由于市場進入全球化以及競爭的加劇，模具市場對每一種模具技術(shù)最重要、帶有先決性的要求是其快速性，即從設計到進入市場的時間盡可能的短，除了快速模具技術(shù)外，就是高速切削技術(shù)。當前，這些技術(shù)還是跟不上現(xiàn)代模具的需求。加快硬件及軟件產(chǎn)業(yè)發(fā)展步伐，用高性能高品質(zhì)功能的硬件及軟件滿足高速切削機床配套的要求，已成為各企業(yè)共同的奮斗目標。因此，需要各個方面的協(xié)調(diào)發(fā)展，產(chǎn)學研結(jié)合，加大投入，綜合利用各個方面力量推動高速切削在模具制造中的應用。總之，通過各方面的努力，在市場需求的推動下，使技術(shù)不斷進步、像汽車、家電、機床一樣，在不遠的將來，我國不但要成為模具生產(chǎn)大國，而且要成為模具生產(chǎn)強國。

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