模具制造中的高速切削和電火花加工技術(shù)

■ 山西航天清華裝備有限責(zé)任公司 （長治 046000） 李曉波

模具是一種專用工具，用于各種金屬或非金屬材料零件的成型加工，是工業(yè)生產(chǎn)中的基礎(chǔ)裝備，是實(shí)現(xiàn)少切削和無切削不可缺少的工具。

傳統(tǒng)的模具制造方法由于存在加工周期長、質(zhì)量穩(wěn)定性差及成本高等缺點(diǎn)，已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的高速發(fā)展，不斷涌現(xiàn)出很多新設(shè)備、新技術(shù)和新工藝，逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模具制造工藝，應(yīng)用到現(xiàn)代模具的制造中。

1. 高速切削技術(shù)

高速切削技術(shù)是近幾年興起的一種先進(jìn)加工技術(shù)。高速切削技術(shù)的原理建立在高速切削理論上。高速切削理論認(rèn)為，對于每一種工件材料，在常規(guī)的加工速度范圍內(nèi)，切削溫度隨著切削速度的增加而增加，如果用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)切削速度范圍的速度來加工的話，切削溫度反而會(huì)降低，同時(shí)切削力也大幅下降，這個(gè)理論使得高速切削成為可能。高速切削技術(shù)主要包括高速切削機(jī)床、高速切削刀具和高速切削工藝等幾方面的技術(shù)，高速切削機(jī)床是實(shí)現(xiàn)高速切削加工的基礎(chǔ)。

能實(shí)現(xiàn)高速切削的機(jī)床必需具備的條件如下。

（1）高速主軸。高速切削的首要條件就是高的主軸轉(zhuǎn)速，高速切削要求主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到10 000r/m i n以上，甚至達(dá)到40 000r/min。高速切削機(jī)床的主軸都采用電動(dòng)機(jī)與主軸合為一體的電主軸，電主軸內(nèi)裝有溫度傳感器，來控制冷卻系統(tǒng)，使其在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)保持恒溫。同時(shí)還使用油霧潤滑和陶瓷軸承等新技術(shù)，使其高精度、免維護(hù)及長壽命。

（2）精準(zhǔn)穩(wěn)定的伺服系統(tǒng)。高速切削不僅需要高的主軸轉(zhuǎn)速，還需要高精度的伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)是維持高速切削的必要條件，高速切削機(jī)床的伺服系統(tǒng)要能夠精準(zhǔn)、靈敏地執(zhí)行來自數(shù)控裝置的指令，保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)和迅速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

（3）高精度的快速進(jìn)給系統(tǒng)。高速切削要求更大的進(jìn)給速度，一般達(dá)20 000mm/min甚至更高。高速切削機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)使用先進(jìn)的直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有很好的加速和減速特性，進(jìn)給速度為傳統(tǒng)進(jìn)給系統(tǒng)的4～5倍。

（4）高性能的控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)相當(dāng)于高速機(jī)床的大腦，它必須準(zhǔn)確迅速地將各種指令傳達(dá)給各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同時(shí)還要對各傳感器反饋回來的信息進(jìn)行快速的分析并及時(shí)做出反應(yīng)，實(shí)時(shí)地監(jiān)控主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡，相對于普通數(shù)控機(jī)床，高速機(jī)床的控制系統(tǒng)要具備短時(shí)間處理大量數(shù)據(jù)的能力，一般的高速機(jī)床控制系統(tǒng)程序段處理時(shí)間為0.5ms，有些控制系統(tǒng)的程序段處理時(shí)間縮短到0.2～0.4ms。

（5）快速的輔助裝置和可靠的安全防護(hù)裝置。高速機(jī)床還需要配備快速移動(dòng)、快速的換刀裝置等輔助裝置，才能體現(xiàn)其優(yōu)越性。另外，由于主軸的旋轉(zhuǎn)速度很高，如果發(fā)生意外，將是致命的事故，所以必須有可靠的安全防護(hù)裝置。

高速切削在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，還給加工過程帶來了許多優(yōu)良特性。高速切削可以直接加工淬硬鋼等難加工材料，高速切削加工的零件可以獲得很高的尺寸精度和形位精度，難得的是高速切削加工出的表面可以獲得極低的表面粗糙度值，甚至可以達(dá)到鏡面效果，這可以省去后續(xù)的磨削和拋光工序，將極大地提高模具的生產(chǎn)效率。

使用高速切削加工模具的特點(diǎn)：①加工效率高。高速切削由于具有很高的主軸旋轉(zhuǎn)速度，因此允許有較大的進(jìn)給速度，比普通加工切削速度提高5～10倍，大大縮短了模具的生產(chǎn)周期。②切削力小。高速切削的切削力比常規(guī)切削減少30%，使其能加工硬度較高的材料，例如硬度60HRC左右的淬硬鋼等材料；較小的切削力還可以避免或減少加工變形，因此可以加工一些剛性較差的薄壁類零件。③切削熱少。高速切削的切削過程非常迅速，90%以上的熱量由切屑帶走，留在工件上的熱量極少，所以工件不會(huì)因切削熱而產(chǎn)生變形。同時(shí)，極低的切削熱使其能加工一些低熔點(diǎn)的材料。④加工精度高。高速旋轉(zhuǎn)切削時(shí)的激振頻率遠(yuǎn)高于工藝系統(tǒng)的受激振動(dòng)頻率，因此高速切削能保持較好的加工狀態(tài)，同時(shí)較小的切削力、極低的切削熱使工件具有很高的加工精度和表面質(zhì)量，高速切削能加工出表面粗糙度值Ra≤0.6μm甚至Ra=0.4μm的表面，達(dá)到鏡面效果。⑤高速切削可以簡化加工工序。由于高速切削可以達(dá)到很高的加工精度和很低的表面粗糙度值，所以經(jīng)高速切削加工的零件不需要后續(xù)的手工拋光和修配等工序。高速切削可以部分取代電火花加工，而不必像電火花加工那樣準(zhǔn)備電極，即使必須用電火花加工的，也可以由高速切削加工電極，縮短加工周期，省去這些工序不僅提高了效率，還節(jié)省了不少成本。

縱然高速切削有諸多優(yōu)點(diǎn)，但它并不是十全十美的，也存在一些缺點(diǎn)。因?yàn)槭艿毒唛L度和直徑等條件限制，高速切削加工型腔底部圓角的最小半徑是0.3mm，在加工一些尖角、窄槽、小深孔和一些過于復(fù)雜的型腔時(shí)就有些力不從心了，在這些方面，高速切削還不能完全代替電火花加工。

2. 電火花加工技術(shù)

電火花加工作為模具制造技術(shù)的一種重要手段，如今也取得了長足的發(fā)展。現(xiàn)代的電火花加工技術(shù)正向著精密化、自動(dòng)化、智能化和高效化發(fā)展。

在電火花加工中，加工工藝起著重要作用，精密電火花加工中應(yīng)用的新工藝主要有：

（1）標(biāo)準(zhǔn)化夾具快速精密定位。采用快速標(biāo)準(zhǔn)化夾具，可以保證極高的重復(fù)定位精度，保證加工效率。

（2）混粉加工方法。混粉加工是在放電加工液內(nèi)加入粉末添加劑，使加工表面獲得很低的表面粗糙度值的方法。這種方法可以使零件表面達(dá)到鏡面效果，從而省去后續(xù)的手工拋光工序。

（3）搖動(dòng)加工方法。為了保證高效率下放電間隙的一致性，維持加工穩(wěn)定性，在加工過程中采用電極不斷搖動(dòng)的方法。這樣在加工復(fù)雜型腔時(shí)，可以保證側(cè)面和底面粗糙度的均勻性，并且更容易控制加工尺寸。

（4）多軸聯(lián)動(dòng)加工。利用多軸聯(lián)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電火花機(jī)床難以加工的復(fù)雜型腔和微小結(jié)構(gòu)零件的加工。

借助于這些先進(jìn)的加工工藝，目前高精密電火花加工機(jī)床已經(jīng)可以加工出表面粗糙度值Ra=0.08μm的表面，同時(shí)還可以進(jìn)行精密的復(fù)雜型腔加工和清角加工。

3. 結(jié)語

高速切削技術(shù)和精密電火花加工技術(shù)憑借著各自的優(yōu)勢，在模具制造中各領(lǐng)風(fēng)騷，兩者在模具加工中相輔相成、互補(bǔ)長短，成為現(xiàn)代模具高精度、高效率的加工手段，再加上高精度的智能測量系統(tǒng)和自動(dòng)化的柔性制造系統(tǒng)，構(gòu)成了現(xiàn)代模具的先進(jìn)制造體系。

[1] 蘇君. 現(xiàn)代模具制造技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

[2] 單巖. 模具數(shù)控加工[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[3] 許發(fā)樾. 實(shí)用模具設(shè)計(jì)與制造手冊[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.