關鍵字：切削加工  

    一、引言 

　　隨著科技進步和工業(yè)的飛速發(fā)展，模具已經(jīng)成為當今工業(yè)生產(chǎn)中使用極為廣泛的主要工藝裝備。模具/作為重要的工藝裝備，在消費品、電器電子、汽車、飛機制造等工業(yè)部門中占有舉足輕重的地位。工業(yè)產(chǎn)品零件粗加工的75%，精加工的50%及塑料零件的90%將由模具完成。目前中國模具市場需求已達500億元的規(guī)模，我國模具制造市場潛力巨大。模具/是一種工具，用于成形（型）各種金屬或非金屬材料所需要零件的形狀制品，這種工具統(tǒng)稱模具。模具是工業(yè)生產(chǎn)中zui基礎的設備，是實現(xiàn)少切削和無切削的*的工具。模具已廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)中的各個領域,如汽車、摩托車、家用電器、儀器、儀表、電子等,它們中60%～80%的零件都需要模具來進行制造;大批量生產(chǎn)的塑料件、螺釘、螺母和墊圈等標準件也需要模具來生產(chǎn);工程塑料、粉末冶金、橡膠、合金壓鑄、玻璃成型等更需要用模具來成型。

　　正因為模具/應用如此廣泛，與之相關的模具制造技術(shù)也有了很大的發(fā)展。目前，采用高速切削生產(chǎn)模具已經(jīng)成為模具制造的大趨勢。在國外一些模具生產(chǎn)廠家，高速機床大面積取代電火花機床，高速切削生產(chǎn)模具已經(jīng)逐漸成為模具制造的大趨勢。

　　二、高速切削加工技術(shù)概述

　　高速切削（High Speed Cutting,HSC）是近十年來迅速崛起的一項*制造技術(shù)。由于高速切削技術(shù)具有切削效率高、加工質(zhì)量高、能直接加工淬硬鋼件和良好的經(jīng)濟性,使航空、模具/、汽車、輕工和信息等行業(yè)的生產(chǎn)效率與制造質(zhì)量顯著提高,并引起加工工藝及裝備相應的更新?lián)Q代。因此如同數(shù)控技術(shù)一樣,高速切削和高速加工已成為21世紀機械制造業(yè)一場影響深遠的技術(shù)革命。目前,適應HSC要求的高速加工中心和其他高速數(shù)控機床在發(fā)達國家已呈普及趨勢,我國近來也在加快發(fā)展。

　　1、高速切削加工機床的關鍵技術(shù)

　　為了適應粗精加工、輕重切削和快速移動,同時保證高精度（定位精度±0.005mm）,性能良好的機床是實現(xiàn)高速切削的關鍵因素。下圖（a）、（b）所示為高速切削加工中心，其關鍵技術(shù)有以下幾項:

　　（1）高速主軸

　　高速主軸是高速切削加工機床的核心部件,隨著對主軸轉(zhuǎn)速要求的不斷提高,傳統(tǒng)的齒輪——皮帶變速傳動系統(tǒng)由于本身的振動、噪音等原因已不能適應要求,取而代之的是一種新穎的功能部件——電主軸,它將主軸電機與機床主軸合二為一,實現(xiàn)了主軸電機與機床主軸的一體化。電主軸采用了電子傳感器來控制溫度,自帶水冷或油冷循環(huán)系統(tǒng),使主軸在高速旋轉(zhuǎn)時保持恒溫,一般可控制在20℃～25℃范圍內(nèi)某一設定溫度,精度為±0.7℃,同時使用油霧潤滑、混合陶瓷軸承等新技術(shù),使主軸免維護、長壽命、高精度。

（a）

（b）

　　（2）高速伺服系統(tǒng)

　　為了實現(xiàn)高速切削加工,機床不但要有高速主軸,還要有高速的伺服系統(tǒng),這不僅是為了提高生產(chǎn)效率,也是維持高速切削中刀具正常工作的必要條件,否則會造成刀具的急劇磨損與升溫,破壞工件加工的表面質(zhì)量。

　　①直線電機伺服系統(tǒng)

　　直線電機是使電能直接轉(zhuǎn)變成直線機械運動的一種推力裝置,將機床進給傳動鏈的長度縮短為零,它的動態(tài)響應性能敏捷、傳動剛度高、精度高、加減速度大,行程不受限制、噪音低、成本較高,在加速度大于1g的情況下,是伺服系統(tǒng)的*選擇。

　　②滾珠絲杠驅(qū)動裝置

　　滾珠絲杠仍是高速伺服系統(tǒng)的主要驅(qū)動裝置,用AC伺服電機直接驅(qū)動,并采用液承,進給速度可達4060m/min,其加速度可超過0.6g,成本較低,僅為直線電機的1/2.5。

　　（3）高精度快速進給系統(tǒng)

　　提高高速切削進給速度是提升加工效率所必須的。目前高速切削加工中心的切削進給速度一般為20m/s～40m/s。要實現(xiàn)并準確控制這樣高的進給速度，對高速切削加工中心導軌、滾珠絲杠、伺服系統(tǒng)、工作臺結(jié)構(gòu)等提出了新的要求。隨著電機技術(shù)的發(fā)展,*的直線電動機已經(jīng)問世,并成功應用于CNC機床。*的直線電動機驅(qū)動使CNC機床不再有質(zhì)量慣性、超前、滯后和振動等問題,加快了伺服響應速度,提高了伺服控制精度和機床加工精度。直線電機具有很高的加速和減速特性，加速度可達3g以上，為傳統(tǒng)驅(qū)動裝置的10倍～20倍，進給速度是傳統(tǒng)的4倍～5倍。

　　（4）高性能控制系統(tǒng)

　　高速切削機床優(yōu)良的力學性能,必須通過它優(yōu)良的控制性能才能夠充分發(fā)揮。高速主軸,高速伺服系統(tǒng)都與控制技術(shù)的發(fā)展密不可分。用于HSC的計算機數(shù)控（CNC）系統(tǒng)必須具有很高的運算速度和精度,以及快速響應的伺服控制。HSC機床的CNC系統(tǒng)在相同一段時間內(nèi)需要計算處理的數(shù)據(jù)比普通數(shù)控機床的CNC系統(tǒng)多得多,就要求前者的計算處理容量和速度大大提高,其CNC系統(tǒng)的硬件,采用功能強大的個人計算機配置。例如奔騰芯片,64MB內(nèi)存,1～10GB硬盤等,使程序塊的執(zhí)行時間降低到30.5μs。在此基礎上配備空間螺旋線、拋物線和樣條插補功能、速度預控制功能,數(shù)字化自動平滑運動軌跡功能、加速和制動時的急動速度監(jiān)控功能等等,使工件加工質(zhì)量在高速切削時得到明顯改善。相應地,伺服系統(tǒng)則發(fā)展為數(shù)字化、智能化和軟件化,使伺服系統(tǒng)與CNC系統(tǒng)在A/D和D/A轉(zhuǎn)換中不會有丟失或延遲現(xiàn)象,尤其是全數(shù)字交流伺服電機和控制技術(shù)已得到廣泛應用,該技術(shù)的主要特點為具有優(yōu)異的動力學特征、無漂移、*的輪廓精度,從而保證了高進給速度加工的要求。

　　2、高速切削加工技術(shù)的特點：

　　（1）高速切削的加工效率高。高速切削加工允許使用較大的進給率，比常規(guī)切削加工提高5～10倍，單位時間材料切除率可提高3～6倍，加工時間可大大減少。這樣可以用于加工需要大量切除金屬的零件，特別是對于航空工業(yè)具有十分重要的意義。

　　（2）高速切削的切削力小。和常規(guī)切削相比，高速切削加工時切削力至少可降低30%，這對于加工剛性較差的零件來說可減少加工變形，使一些薄壁類精細工件的切削加工成為可能。

　　（3）高速切削的切削熱對工件的影響小。高速切削加工過程極為迅速，95%以上的切削熱量極少，零件不會由于溫升導致翹曲或膨脹變形。高速切削特別適用于加工容易熱變形的零件。對于加工熔點較低、易氧化的金屬（如鎂），高速切削有一定意義。
 
　　（4）高速切削的加工精度高。因為高速旋轉(zhuǎn)時刀具切削的激勵頻率遠離工藝系統(tǒng)的受迫振動，保證了較好的加工狀態(tài)。由于切削力太小，切削熱影響小，使得刀具、工件變形小，保持了尺寸的性，另外也使得刀具工件間的摩擦變小，切削破壞層變薄，殘余應力小，實現(xiàn)了高精度、低粗糙度加工。

　　（5）高速切削使加工工序簡化。

　　由于高速切削可以達到很高的加工精度和很低的表面粗糙度，并且在一定的切削條件下，可以對硬表面進行加工，尤其是對硬度在HRC40～60之間的高硬度進行銑削，可以部分取代電火花加工，這一點對于模具加工具有十分重要的意義。

　　三、高速切削加工技術(shù)在模具制造中的應用

　　高速切削加工技術(shù)所具有的一系列特色和生產(chǎn)效益方面的巨大潛力，早已成為德、美、日等國競相研究的重要技術(shù)領域。如今，美、德、日、法、瑞士、意大利生產(chǎn)的不同規(guī)格的各種商業(yè)化高速機床已經(jīng)進入市場，應用于飛機、汽車及模具制造。

　　隨著高速切削加工技術(shù)引進模具工業(yè)，對傳統(tǒng)的模具/加工工藝產(chǎn)生了很大的影響，改變了模具加工工藝流程。由于模具型面一般都是十分復雜的自由曲面，并且硬度很高，采用常規(guī)的切削加工方法難以滿足精度和形狀要求。常規(guī)的加工方法是在退火后進行銑削加工，然后進行熱處理、磨削或電火花加工，zui后手工打磨、拋光，這樣使得加工周期很長。特別是手工加工時間，要占整個加工周期很大一部分。HSC可以達到模具加工的精度要求，減少甚至取消了手工加工，并且由于新型刀具材料（如PCD、PCBN、金屬陶瓷等）的出現(xiàn)，HSC可以加工硬度達到HRC60，甚至硬度更高的工件材料，可以加工淬硬后的模具/，取代電火花加工和磨削加工。

　　高速銑削加工在模具制造中具有高精度以及可加工高硬材料的優(yōu)點，在工業(yè)發(fā)達國家已經(jīng)得到了廣泛的應用。目前我國高速切削技術(shù)還停留在較低的水平，機床所用的切削速度比*工業(yè)國家低一個數(shù)量級，生產(chǎn)效率很低，經(jīng)濟效益不好。高速切削技術(shù)在模具工業(yè)中的應用更是鳳毛麟角，因此大力發(fā)展高速切削，對我國的制造業(yè)發(fā)展具有十分重要的意義。

　　高速切削加工技術(shù)引進模具工業(yè)，主要應用于以下幾個方面：

　　（1）淬硬模具/型腔的直接加工。利用高速切削可加工硬材料的特點直接加工淬硬后的模具型腔，提高了模具加工的質(zhì)量和效率，可取代電火花加工。

　　（2）EDM（電火花）電極加工。應用高速切削技術(shù)加工電極對提高電火花加工效率起到了很大作用。高速切削電極提高了電極的表面質(zhì)量和精度，減少了后續(xù)加工工序。

　　（3）快速樣件制造。利用高速切削加工效率高的特點，可用于加工塑料和鋁合金模型。通過CAD設計后快速生成3D實體模型，比快速原型制造效率高、質(zhì)量好。

　　（4）模具的快速修復。模具/在使用過程往往需要修復，以延長使用壽命，過去主要是靠電加工來完成，現(xiàn)在采用高速加工可以更快地完成該工作，而且可使用原NC程序，無須重新編制。

　　四、高速切削加工技術(shù)存在的問題

　　高速切削加工技術(shù)是切削加工技術(shù)發(fā)展的主要方向之一，它除依賴于數(shù)控技術(shù)、微電子技術(shù)、新材料和新穎構(gòu)件、CAD/CAM等基礎技術(shù)的發(fā)展外，自身亦存在著一系列亟待攻克的技術(shù)問題，如刀具磨損嚴重，高速切削刀具切入切出時破損問題，高速切削用刀具材料價格昂貴，銑、鏜等回轉(zhuǎn)刀具及主軸需要動平衡，刀具夾持要牢靠安全，主軸系統(tǒng)昂貴且壽命短，而且所用高速加工機床及其控制系統(tǒng)價格昂貴，使得高速切削的一次性投入較大，這些問題制約著高速切削的進一步推廣應用。

　　五、結(jié)束語

　　高速切削加工技術(shù)是*的制造技術(shù)，有廣闊的應用前景。用高速切削加工代替EDM（或大部分代替）是加快模具開發(fā)速度，實現(xiàn)工藝換代的重大舉措。推廣應用高速切削加工技術(shù)應用于模具制造業(yè)，不但可以大幅度提高機械加工的效率、質(zhì)量，降低成本，而且可以帶動一系列*產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，當前加強高速切削技術(shù)的基礎研究，建立高速切削數(shù)據(jù)庫、高速切削安全技術(shù)標準，提高機床和工具行業(yè)的開發(fā)創(chuàng)新能力，加快高速切削刀具系統(tǒng)、高速切削機床系統(tǒng)的研究開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，已是當務之急。