基于高速切削的模具加工研究

摘要：高速切削技術已經成為現代模具制造業發展的方向，對模具的加工工藝帶來了重大的改變。本文重點研究了高速切削對模具粗糙度的影響，并探討了適合模具加工的高速切削加工工藝及優化。

關鍵詞：高速切削 模具 表面粗糙度 加工工藝

0 引言

近年來，在歐美等發達國家，高速切削加工技術得到了越來越廣泛的應用。以模具加工為例，大量的高速切削機床正在逐步取代電加工設備，對模具型腔進行高效的精密加工。目前，在國內的模具制造加工，主要還是以普通機加工和電火花加工為主。工藝繁瑣、效率低、周期長，在當今市場上產品更新換代日益加快的趨勢下顯得愈來愈力不從心。高速切削技術以其高速、高質、能直接加工淬硬鋼的特點，在縮短模具制造周期并降低成本方面有著很光明的應用前景。

高速切削技術可以追溯到20世紀30年代德國Carl Salomon博士提出的高速切削理論。與傳統切削相比，高速切削具有更高的切削速度和加工效率；并且加工后的表面質量高，可直接加工硬度達50－60HRC的淬硬材料以實現“以切代磨”。對比傳統模具加工中的電火花加工，高速切削節省了電極設計加工的過程，加工精度顯著提高，大幅度減少甚至取消了鉗工的拋光量與打磨配研量，加工效率得到大幅度的提高。有統計證明：對于復雜程度一般的模具，高速切削至少可減少40％的加工周期甚至更多。即使對于一些形狀特別復雜（例如帶有深槽、窄縫）的模具型腔面，仍需要采用電火花加工，高速銑削也可幫助獲得更高質量的電加工石墨電極。

1 高速切削中模具表面粗糙度的研究

表面粗糙度是模具表面質量中一個很重要的指標，高速切削對表面粗糙度的影響可以通過實驗來完成，實驗條件：切削材料為模具鋼3Cr2Mo，刀具材料為SG4陶瓷，刀具直徑100mm，主偏角75°，軸向前角和徑向前角都為0°，單刃。實驗通過改變切削速度、進給速度、軸向和徑向切削深度來觀察對表面粗糙度的影響。

實驗結果圖2-圖5，從圖中可以看出：隨著切削速度的提高，粗糙度呈減小趨勢。在速度達到1000mm/min時，表面粗糙度達到最小值，完全達到磨削的效果。在高速切削過程中，由于切削速度的增加使得刀具與工件的接觸擠壓時間縮短，工件的塑性變形減少。高的切削速度也不利于積屑瘤的形成，因此能獲得較好的表面質量。另一方面主軸的高轉速也使得切削時機床的激振頻率很高遠大于工藝系統的固有頻率，減少了發生共振的可能性，有利于提高加工精度和表面質量。實驗中切削速度超過1000mm/min后，Ra又出現上升趨勢，主要是由于刀具磨削引起的。

相對于切削速度，高速切削中進給速度、軸向切深、徑向切深這些參數的增大會使得表面粗糙度呈變大的趨勢。因此由實驗可以得出結論，實際高速切削選擇切削用量時，應選擇較高的切削速度，較小的進給速度和切深更有利于提高表面粗糙度。

2 模具高速切削加工工藝

2.1 切削方式 在確定模具加工工藝時要考慮適應高速切削的要求，盡量選用順銑加工，在順銑時，刀具剛切入工件產生的切屑厚度為最大，隨后逐漸減小。在逆銑時則剛好相反，所以逆銑中刀具與工件的摩擦更大，在刀刃上產生的熱量要比在順銑時來的多，徑向力也大為增加，從而降低了刀具的壽命。

2.2 進刀方式 加工模具時要避免直接垂直向下的進刀方式。采用斜線進刀或者螺旋進刀更適合模具型腔高速加工的需要。斜線進刀方式是逐漸加大軸向切深運動到設定的軸向切深值，銑削力是逐漸加大的，對刀具和主軸的沖擊較小，可明顯減少下刀崩刃的現象。螺旋式進刀從工件上面開始，螺旋向下切入工件。由于采用的連續加工的方式，可以比較容易的保證加工精度，而且沒有速度突變，可以用較高的速度進行加工。

2.3 走刀方式 高速切削中對刀具的走刀軌跡的設置提出了更高的要求，在高速切削中由于切削速度和進給速度都很快，如果走刀方式不合理，在切削過程中就極容易引起切削負荷的突變，從而給加工帶來沖擊，破壞加工質量，損傷刀具甚至設備，這種損害要比在普通切削時嚴重的多。因此，高速切削中應根據不同的加工對象以及形狀而選擇相應的走刀路徑，不能一味追求高速高效。

在模具型腔的加工中，刀具的運動軌跡大部分不是簡單的直線而是曲線運動，這時高速運動帶來的慣性影響特別要注意。在切削方向發生改變時，使得變化是逐漸而不是突發的。例如在切削模具型腔拐角處時，盡量采用圓弧過渡，使轉向變得平穩，同時如果能讓你給配合適當降低進給速度，效果更好。這樣的設置可以減少對系統的沖擊，避免過切造成刀具或工件的損壞。在型腔拐角傳統的加工方法中，一般是采用直線切削，接近到拐角處時，運動速度減慢，同時完成進給換向。在這期間刀具的運動是不連續，間歇的過程中會產生大量摩擦和熱量；把拐角設置成圓弧過渡后，數控機床的圓弧插補運動是連續過程，就不會產生刀具的間歇運動，從而減少了刀具與工件接觸長度和時間，避免因過熱影響到模具的表面質量。

高速切削中還要保持刀具軌跡的平穩，避免急劇的速度變化。因為突然的加速或減速都會引成切削厚度的瞬間變化，從而導致切削力變化，使加工變得不平穩，由此使工件加工質量下降。現代很多CAM軟件都提供了優化切削速度的功能，因此要根據需要選擇適合的切削速度以及加減速的策略，以降低速度變化對加工的影響。

3 結束語

采用高速切削于模具型腔加工，可以大大提高模具制造的加工效率，對于國內的模具行業有很好的推廣前景。在高速切削實際應用時，不同于傳統加工，要根據模具的具體要求和高速切削的特點，選擇合理切削參數，結合合適的加工工藝，才能充分發揮出高速切削加工的優勢。

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