高速切削加工在模具制造中得到了廣泛的應(yīng)用。它能改善模具的尺寸、形狀和表面粗糙度，減少甚至省去手工修磨，從而降低生產(chǎn)成本和縮短制造周期。本文通過對(duì)傳統(tǒng)模具加工工藝和高速模具加工工藝的對(duì)比，闡述了高速切削加工的優(yōu)勢。文中還簡要介紹了高速切削加工在加工工藝方面的關(guān)鍵技術(shù)。
一、引言
高速切削加工是面向21世紀(jì)的一項(xiàng)高新技術(shù)，它是一種不同于傳統(tǒng)加工的加工方式。與之相比，高速切削加工主軸轉(zhuǎn)速高、切削進(jìn)給速度高、切削量小，但單位時(shí)間內(nèi)的材料切除量卻增加3～6倍。它以高效率、高精度和高表面質(zhì)量為基本特征，在汽車工業(yè)、航空航天、模具制造和儀器儀表等行業(yè)中獲得了愈來愈廣泛的應(yīng)用，并已取得了重大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，是當(dāng)代先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。
用傳統(tǒng)方式加工模具時(shí)，常采用電火花加工，但電極的設(shè)計(jì)與制造本身是一個(gè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工藝過程。而采用高速切削加工后，由于狹小區(qū)域加工的實(shí)現(xiàn)和高質(zhì)量的表面結(jié)果，讓電極的使用率大大降低。另外，用高速銑來制造電極也可以使生產(chǎn)效率提高到一個(gè)新的檔次。
絕大部分模具均可利用高速切削技術(shù)來加工，如鍛模、壓鑄模、注塑與吹塑模等。鍛模腔體較淺，刀具壽命較長；壓鑄模尺寸適中，生產(chǎn)率較高；注塑與吹塑模一般尺寸較小，比較經(jīng)濟(jì)。
二、高速切削加工模具相對(duì)傳統(tǒng)加工模具的優(yōu)勢
1. 提高生產(chǎn)率
高速切削中主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的提高，可提高材料去除率。同時(shí)，高速切削可加工淬硬零件，許多零件一次裝夾可完成粗、半精和精加工等全部工序，對(duì)復(fù)雜型面加工也可直接達(dá)到零件表面質(zhì)量要求，因此，高速切削工藝往往可省卻電火花加工、手工磨修等工序，縮短工藝路線，進(jìn)而大大提高加工生產(chǎn)率。
2. 改善加工精度和表面質(zhì)量
高速機(jī)床必須具備高剛性和高精度等性能，同時(shí)由于切削力低，工件熱變形減少，刀具變形小，高速切削的加工精度很高。切削深度較小，而進(jìn)給速度較快，加工表面粗糙度很小，切削鋁合金時(shí)可達(dá)Ra0.4～0.6，切削鋼件時(shí)可達(dá)Ra0.2～0.4。
3. 減少切削產(chǎn)生的熱量
因?yàn)楦咚偾邢骷庸な菧\切削，同時(shí)進(jìn)給速度很快，刀刃和工件的接觸長度和接觸時(shí)間非常短，減少了刀刃和工件的熱傳導(dǎo)，避免了傳統(tǒng)加工時(shí)在刀具和工件接觸處產(chǎn)生大量熱的缺點(diǎn)，保證刀具在溫度不高的條件下工作，延長了刀具的使用壽命。如圖1所示，A為高速切削加工時(shí)的熱傳導(dǎo)過程，B為傳統(tǒng)加工的熱傳導(dǎo)過程。
圖1 高速加工和傳統(tǒng)加工的熱傳導(dǎo)
4. 有利于加工薄壁零件
高速切削時(shí)的切削力小，有較高的穩(wěn)定性，可高質(zhì)量地加工出薄壁零件。采用如圖2所示分層順銑的加工方法，可高速切削出壁厚0.2mm，壁高20mm的薄壁零件。此時(shí)，刀刃和工件的接觸時(shí)間非常短，避免了側(cè)壁的變形。
圖2 高速切削薄壁零件
5. 可部分替代某些工藝，如電火花加工、磨削加工等
高強(qiáng)度和高硬度的加工也是高速切削的一大特點(diǎn)，目前，高速切削已可加工硬度達(dá)HRC60的零件，因此，高速切削能夠加工經(jīng)熱處理硬化后的工件。在傳統(tǒng)加工模具的工藝中，精加工前對(duì)熱處理硬化后的工件需進(jìn)行電火花加工，用高速切削加工替代傳統(tǒng)切削的加工方法可以省去模具制造工藝中的電火花加工，簡化了加工工藝和投資成本。
模具的尺寸、形狀和表面粗糙度很重要，如果加工后的模具不能達(dá)到要求的質(zhì)量精度，就需要大量的手工磨修工作，手工磨修能夠得到較好的表面質(zhì)量，但是它會(huì)影響模具的尺寸和形狀精度。因此在模具加工還要盡量省去手工磨修，以提高模具質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本和制造周期。
圖3為傳統(tǒng)模具加工過程：毛坯→粗加工→半精加工→熱處理硬化→電火花加工→精加工→手工磨修
圖3傳統(tǒng)模具加工的過程
圖4為高速模具加工過程：硬化的毛坯→粗加工→半精加工→精加工
圖4 高速模具加工的過程
在圖4所示的高速模具切削加工過程中減少了兩個(gè)工藝過程，大約縮短加工時(shí)間30%～50%。傳統(tǒng)加工工藝中的電火花加工容易在熔化的加工表層形成硬化層，硬度可達(dá)1000Hv，給后面的切削加工和磨削加工帶來困難。電火花加工還容易引起表層疲勞裂紋和刀具的破損。
6. 經(jīng)濟(jì)效益顯著提高
綜合上述種種優(yōu)點(diǎn)，即：綜合效率提高、質(zhì)量提高、工序簡化、機(jī)床投資和刀具投資以及維護(hù)費(fèi)用增加等，采用高速切削工藝將使綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著提高。
三、高速切削加工工藝關(guān)鍵技術(shù)
高速機(jī)床和高速刀具是實(shí)現(xiàn)高速切削的前提和基本條件，在高速切削加工中對(duì)高速機(jī)床的性能和刀具材料的選擇有嚴(yán)格的要求。
為了實(shí)現(xiàn)高速切削加工，一般采用高柔性的高速數(shù)控機(jī)床、加工中心，也有的采用專用的高速銑、鉆床。機(jī)床同時(shí)具有高速主軸系統(tǒng)和高速進(jìn)給系統(tǒng)，高的主軸剛度特性，高精度定位功能和高精度插補(bǔ)功能，特別是圓弧高精度插補(bǔ)功能。
高速切削刀具與普通加工刀具的材料有很大不同。主要使用的刀具材料有硬質(zhì)合金、聚晶金剛石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)和陶瓷等。
高速切削的工藝技術(shù)也是進(jìn)行高速切削加工的關(guān)鍵。切削方法選擇不當(dāng)，會(huì)使刀具加劇磨損，完全達(dá)不到高速加工的目的。實(shí)踐證明，如果只有高速機(jī)床和刀具而沒有良好的工藝技術(shù)作指導(dǎo)，昂貴的高速切削加工設(shè)備也不能充分發(fā)揮作用。高速切削加工工藝關(guān)鍵技術(shù)主要包括切削方法和切削參數(shù)選擇的優(yōu)化。
1. 切削方式的選擇
在高速切削加工中，應(yīng)盡量選用順銑加工，因?yàn)樵陧樸姇r(shí)，刀具剛切入工件產(chǎn)生的切屑厚度為最大，隨后逐漸減小。在逆銑時(shí)，刀具剛切入工件產(chǎn)生的切屑厚度為最小，隨后逐漸增厚，這樣增加了刀具與工件的摩擦，在刀刃上產(chǎn)生大量熱，所以在逆銑中產(chǎn)生的熱量比在順銑時(shí)多很多，徑向力也大大增加。同時(shí)在順銑中，刀刃主要受壓應(yīng)力，而在逆銑中刀刃受拉應(yīng)力，受力狀態(tài)較惡劣，降低了刀具的使用壽命，順銑和逆銑時(shí)刀具切入工件的過程，如圖5所示。
圖5 刀具切入工件的過程示意
2. 保持恒定的金屬去除率
高速切削加工適于淺的切深，切削深度不應(yīng)超過0.2/0.2mm(ae/ap)，這是為避免刀具的位置偏差，確保加工模具的幾何精度。保持恒定的金屬去除率，保證加在工件上的切削載荷是恒定的，以獲得下面幾點(diǎn)好的加工效果：(1)可保持的恒定切削負(fù)載；(2)可保持切屑尺寸的恒定；(3)有較好的熱轉(zhuǎn)移；(4)刀具和工件均保持在較冷的狀態(tài)；(5)不必熟練操作進(jìn)給量和主軸轉(zhuǎn)速；(6)可延長刀具的壽命；(7)能保證較好的加工質(zhì)量等。
3. 走刀方式的選擇
對(duì)于帶有敞口型腔的區(qū)域，盡量從材料的外面走刀，以實(shí)時(shí)分析材料的切削狀況。而對(duì)于沒有型腔的封閉區(qū)域，采用螺旋進(jìn)刀方式，在局部區(qū)域切入。
4. 盡量減少刀具的急速換向
盡量減少刀具的急速換向，由于之字形模式主要應(yīng)用于傳統(tǒng)加工，在高速切削加工中主要選擇回路或單一路徑切削。這是因?yàn)樵趽Q向時(shí)NC機(jī)床必須立即停止(緊急降速)然后再執(zhí)行下一步操作。由于機(jī)床的加速局限性，而容易造成時(shí)間的浪費(fèi)，急停或急動(dòng)則會(huì)破壞表面精度，且有可能因?yàn)檫^切而產(chǎn)生拉刀或在外拐角處咬邊。選擇單一路徑切削模式來進(jìn)行順銑，盡可能地不中斷切削過程和刀具路徑，盡量減少刀具的切入切出次數(shù)，以獲得相對(duì)穩(wěn)定的切削過程。
例如，在切削模具拐角的加工中，傳統(tǒng)的加工方法是采用直線運(yùn)動(dòng)(G1)，當(dāng)?shù)毒咔邢鞯綀A角處時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度減慢，同時(shí)在進(jìn)給換向時(shí)刀具的運(yùn)動(dòng)是不連續(xù)，在間歇的過程中會(huì)產(chǎn)生大量摩擦和熱量，如果加工鋁合金或其他輕合金，產(chǎn)生的熱量將損壞工件表面質(zhì)量。
如果使用高速切削加工的方法，使用小于切削模具拐角半徑的刀具，利用高速機(jī)床高精度的圓弧插補(bǔ)功能(G2、G3)加工模具拐角，高速機(jī)床圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)是連續(xù)過程，不會(huì)產(chǎn)生刀具的間歇運(yùn)動(dòng)，從而減少了刀具與模具接觸長度和時(shí)間，避免產(chǎn)生大量的熱。
5. 在Z方向切削連續(xù)的平面
傳統(tǒng)加工型腔的方法是使用靠模銑削，這種加工方式增加了刀具切入、切出工件的次數(shù)，影響了工件的表面質(zhì)量，限制了機(jī)床和刀具強(qiáng)大功能的發(fā)揮。在高速切削加工中，常采用Z方向切削連續(xù)的平面。采用比常規(guī)小的步距，從而降低每齒切削去除量，改善的加工表面的質(zhì)量，縮短了加工時(shí)間。
四、結(jié)論
(1)高速切削加工采用高的切削速度和進(jìn)給速度，小的徑向和軸向切削深度，切削力小，加工表面粗糙度很小，刀具壽命提高；
(2)用高速切削加工方式替代傳統(tǒng)加工方式加工模具，可以省去電火花加工和手工磨修，提高了模具加工的生產(chǎn)率，降低了生產(chǎn)成本，縮短了加工周期；
(3)在研究高速切削加工時(shí)，要與高速切削工藝技術(shù)緊密結(jié)合起來，真正實(shí)現(xiàn)高效率、高精度和高可靠性的目的。
