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(diǎn)

精度高，模具不僅要有很高的加工精度，同時(shí)也要有很好的加工質(zhì)量。一般地，公差范圍應(yīng)控制在微米級。只有高精度的模具才能保證產(chǎn)品達(dá)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(fèi)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(fù)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(shè)計(jì)和制定加工工藝，選用恰當(dāng)?shù)募庸ぴO(shè)備，保證低的加工成本。

模具形狀復(fù)雜，模具的工作部分一般都是二維或者三維復(fù)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(yùn)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(jī)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(jìn)切削加工技術(shù)加工模具。而作為先進(jìn)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(diǎn)。

2 高速切削機(jī)床技術(shù)

性能良好的高速切削機(jī)床是實(shí)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(jìn)給系統(tǒng)，則是高速切削機(jī)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(jī)床的核心部件，在很大程度上決定著高速切削機(jī)床所能達(dá)到的切削速度加工精度和應(yīng)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(dá) 60，000-100，000 r/min，為普通機(jī)床的10倍左右；主電動機(jī)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(jī)矢量控制技術(shù)等）的快速發(fā)展，高速數(shù)控機(jī)床主傳動的機(jī)械結(jié)構(gòu)得到極大簡化，取消了齒輪傳動和帶傳動，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動”，采用機(jī)床主軸與主軸電機(jī)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)化程度高和價(jià)格適中等優(yōu)點(diǎn)，在電主軸中得到最廣泛應(yīng)用。滾動軸承在高速回轉(zhuǎn)時(shí)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(jìn)給系統(tǒng)

控制精度高的高速進(jìn)給系統(tǒng)也是實(shí)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(jìn)給系統(tǒng)表現(xiàn)出不適應(yīng)性，必須對其技術(shù)改進(jìn)和技術(shù)創(chuàng)新，才能適應(yīng)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(jī)床；高速進(jìn)給系統(tǒng)采用直線電機(jī)進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)后，其加速度可高達(dá)2～10g，行程范圍不受限制，用于高檔高速數(shù)控機(jī)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(shí)現(xiàn)高速切削的重要保證。正確選擇刀具材料和設(shè)計(jì)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(qiáng)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(xué)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(shí)，會承受很大的離心力，其大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過切削力，成為刀具的主要載荷，足以導(dǎo)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(rèn)為高效率來自低轉(zhuǎn)速、大切深、緩進(jìn)給、單行程；而高速切削則追求高轉(zhuǎn)速、中切深、快進(jìn)給、多行程的加工工藝。在進(jìn)行高速切削時(shí)，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(shí)，遇到的主要問題是刀具的磨損。高速銑削鋼材時(shí)，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(xué)性能有關(guān)。如工件材料的抗拉強(qiáng)度增大，則刀具磨損增加，因此應(yīng)減少每齒的進(jìn)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(qiáng)度，導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性好等優(yōu)點(diǎn)，在汽車工業(yè)和航空航天工業(yè)中已經(jīng)大量應(yīng)用。鋁鎂合金大多使用鑄件。這些輕合金的最大優(yōu)點(diǎn)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(jìn)給速度進(jìn)行加工，切削速度可高達(dá)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(shí)，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(dāng)切削速度達(dá)到1000m/min時(shí)，可使用K型硬質(zhì)合金刀具；當(dāng)切削速度達(dá)到2000m/min時(shí)，可使用金屬陶瓷刀具；當(dāng)切削速度更高時(shí)，可使用PCD刀具；高速銑削鋁鎂合金時(shí)，可使用Kl0硬質(zhì)合金刀具。

高速切削（High Speed Cutting）是一個(gè)相對概念，迄今尚未有一個(gè)確切的界定。高速切削通常指比常規(guī)切削速度和進(jìn)給速度高出5-10倍的切削加工，有時(shí)也稱為超高速切削(Ultra-High Speed Cutting)。也有將主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到10000r/min-60000r/min，快速進(jìn)給速度20m/min以上，平均進(jìn)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(dāng)切削速度對鋼材達(dá)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(shí)，被認(rèn)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(yīng)用效益據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐證明，高速切削應(yīng)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(fù)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(jìn)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(shè)計(jì)到進(jìn)入市場的時(shí)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(dāng)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(jī)床配套的要求，已成為各企業(yè)共同的奮斗目標(biāo)。因此，需要各個(gè)方面的協(xié)調(diào)發(fā)展，產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，加大投入，綜合利用各個(gè)方面力量推動高速切削在模具制造中的應(yīng)用?？傊?，通過各方面的努力，在市場需求的推動下，使技術(shù)不斷進(jìn)步、像汽車、家電、機(jī)床一樣，在不遠(yuǎn)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(qiáng)國。

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