1前言

目前國際上高速切削加工技術(shù)主要應(yīng)用于汽車工業(yè)、模具行業(yè)、航空航天行業(yè)，尤其是在加工復(fù)雜曲面的領(lǐng)域、工件本身或刀具系統(tǒng)剛性要求較高的加工領(lǐng)域，顯示了強(qiáng)大的功能。國內(nèi)高速切削加工技術(shù)的研究與應(yīng)用始于20世紀(jì)90年代，應(yīng)用于模具、航空航天和汽車工業(yè)。但采用的高速切削CNC機(jī)床、高速切削刀具和CAD/CAM軟件等以進(jìn)口為主。本文講述了模具高速切削加工過程中的優(yōu)點(diǎn)及其機(jī)床、刀具、CAM數(shù)控編程的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用，并以實(shí)例的形式進(jìn)行了說明，希望對讀者有所借鑒作用。

2高速切削加工應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)控高速切削加工作為模具制造中最為重要的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)，是集高效、優(yōu)質(zhì)、低耗于一身的先進(jìn)制造技術(shù)。在常規(guī)切削加工中備受困惑的一系列問題通過高速切削加工的應(yīng)用得到了解決。其切削速度和進(jìn)給速度比傳統(tǒng)的切削加工速度高，切削機(jī)理發(fā)生了根本的變化。與傳統(tǒng)切削加工相比，切削加工發(fā)生了本質(zhì)性的飛躍。其單位功率的金屬切除率提高了30%～40%、切削力降低了30%、刀具的切削壽命提高了70%、留于工件的切削熱大幅度降低、低階切削振動(dòng)幾乎消失。隨著切削速度的提高，單位時(shí)間毛坯材料的去除率增加，切削時(shí)間減少，加工效率提高，縮短了產(chǎn)品的制造周期，增加了產(chǎn)品的市場競爭力。同時(shí)高速加工的小量快進(jìn)使切削力減少，切屑的高速排除，減少了工件的切削力和熱應(yīng)力變形，提高了剛性差和薄壁零件切削加工的可能性。另外，由于切削力的降低，轉(zhuǎn)速的提高使切削系統(tǒng)的工作頻率遠(yuǎn)離機(jī)床的低階固有頻率，而工件的表面粗糙度對低階頻率最為敏感，由此降低了表面粗糙度。在模具的高淬硬鋼件(45～65HRC)的加工過程中，采用高速切削可以取代電加工和磨削拋光的工序。避免了電極的制造和費(fèi)時(shí)的電加工時(shí)間，大幅度減少了鉗工的打磨與拋光量。一些市場上越來越需要的薄壁模具工件，高速銑削可順利完成。而且在高速銑削CNC加工中心上，模具一次裝夾可完成多工步加工。

(1)高速切削的優(yōu)點(diǎn)

高速加工切削系統(tǒng)主要由高速切削的高速加工中心、高性能的刀具夾持系統(tǒng)、高速切削刀具、安全可靠的高速切削CAM軟件系統(tǒng)，因此高速加工是一項(xiàng)大的系統(tǒng)工程。隨著切削刀具技術(shù)的進(jìn)步，高速加工已應(yīng)用于加工合金鋼(硬度大于30HRC)，廣泛地應(yīng)用在汽車和電子元件產(chǎn)品午的沖壓模，注射模零件。高速加工的定義依賴于被加工的工件材料的類型。圖1為高速加工不同材料時(shí)普遍采用的切削速度。例如，高速加工合金鋼采用的切削速度為500Ⅻ/min，而這一速度在加工鋁合金時(shí)常采用順銑。

(2)高速銑削加工機(jī)床

超高速切削技術(shù)是切削加工的方向，也是時(shí)代發(fā)展的產(chǎn)物。高速切削技術(shù)是切削加工技術(shù)的主要發(fā)展方向之一，它隨著CNC技術(shù)、微電子技術(shù)、新材料和新結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展而邁上更高的臺(tái)階。然而高速切削技術(shù)自身也存在著一些急待解決的問題，如高硬度材料的切削機(jī)理、刀具在載荷變化過程中的破損、建立高速切削數(shù)據(jù)庫、開發(fā)適用于高速切削加工狀態(tài)的監(jiān)控技術(shù)和綠色制造技術(shù)等等。同時(shí)高速切削所用的CNC機(jī)床，車、銑、鉆等刀具，CAD/CAM軟件等技術(shù)含量高，價(jià)格昂貴，使得高速切削投資大，這在一定程度上制約了高速切削技術(shù)的推廣應(yīng)用。高速切削的高效應(yīng)用要求機(jī)床系統(tǒng)中的部件都必須先進(jìn)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

a.機(jī)床結(jié)構(gòu)的剛性。提供高速進(jìn)給的驅(qū)動(dòng)器(快進(jìn)速度約40m/min，3D輪廓加工速度為10m/min)，能夠提供0.4～10m/s的加速度和減速度。

b.主軸和刀柄的剛性。100100～50000轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速，通過主軸壓縮空氣或冷卻系統(tǒng)控制刀柄和主軸間的軸向間隙不大于0.005mm。

c.控制單元32或64位并行處理器，高的數(shù)據(jù)傳輸率，能夠自動(dòng)加減速。

d.可靠性與加工工藝。提高機(jī)床的利用率和無人操作的可靠性，工藝模型有助于對切削條件和刀具壽命之間關(guān)系的理解。

常見國內(nèi)外高速加工中心的代表如表1所示，它們與傳統(tǒng)普通數(shù)控機(jī)床相比，其機(jī)床結(jié)構(gòu)、加工速度和性能更優(yōu)秀，如德國的DMC85高速加工中心，采用直線電機(jī)和電主軸，其主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到30000轉(zhuǎn)/min，進(jìn)給速度達(dá)到120m/min，加速度超過19(重力加速度)。高速機(jī)床要求高的主軸單元和冷卻系統(tǒng)、高剛性的機(jī)床結(jié)構(gòu)、安全裝置和監(jiān)控系統(tǒng)、以及優(yōu)良的靜動(dòng)力特性等，其技術(shù)含量高，機(jī)床制造難度大等特點(diǎn)。目前國內(nèi)的高速機(jī)床其性能與國外相比還存在一定的差距。表1國內(nèi)外高速加工中心

(3)高速切削加工刀柄和刀具

由于高速切削加工時(shí)離心力和振動(dòng)的影響，要求刀具具有很高的幾何精度和裝夾重復(fù)定位精度、剛度和高速動(dòng)平衡的安全可靠性。由于高速切削加工時(shí)較大的離心力和振動(dòng)等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的7：24錐度刀柄系統(tǒng)在進(jìn)行高速切削時(shí)表現(xiàn)出明顯的剛性不足、重復(fù)定位精度不高、軸向尺寸不穩(wěn)定、主軸的膨脹引起刀具及夾緊機(jī)構(gòu)質(zhì)心的偏離，影響刀具的動(dòng)平衡能力。目前應(yīng)用較多的是HSK高速刀柄和國外現(xiàn)今流行的熱脹冷縮緊固式刀柄。熱脹冷縮緊固式刀柄的加熱系統(tǒng)，其剛性較好，但是刀具可換性較差，一個(gè)刀柄只能安裝一種連接直徑的刀具，適應(yīng)性較差。由于此類加熱系統(tǒng)比較昂貴，在初期時(shí)可采用HSK類的刀柄系統(tǒng)即可。當(dāng)企業(yè)的高速機(jī)床數(shù)量超過3臺(tái)以上時(shí)，采用熱脹冷縮緊固式刀柄比較合適。

刀具是高速切削加工中最活躍重要的因素之一，它直接影響著加工效率、制造成本和產(chǎn)品的加工精度，刀具在高速加工過程中要承受高溫、高壓、摩擦、沖擊和振動(dòng)等載荷，因此，其硬度和耐磨性、強(qiáng)度和韌性、耐熱性、工藝性能和經(jīng)濟(jì)性等基本性能是實(shí)現(xiàn)高速加工的關(guān)鍵因素之一。同時(shí)不同材料的工件高速切削在刀具的選用上要注意其與工件材料的匹配性，表2為常用高速刀具在不同工件材料切削加工的適應(yīng)性能力。高速切削加工的刀具技術(shù)發(fā)展速度很快，應(yīng)用較多的如金剛石(PCD)、立方氮化硼(CBN)、陶瓷刀具、涂層硬質(zhì)合金、碳(氮)化鈦硬質(zhì)合金-nC(N)等。目前高速機(jī)床和刀具材料的價(jià)格昂貴是影響高速加工在國內(nèi)普及的重要原因之一。其中涂層硬質(zhì)合金在高速加工中應(yīng)用最為廣泛，可用于耐熱合金、鈦合金、高溫合金、鑄鐵、純鋼、鋁合金及復(fù)合材料的高速切削。表2常用高速刀具材料切削適應(yīng)性

在加工鑄鐵和合金鋼的切削刀具中，硬質(zhì)合金是最常用的刀具材料。硬質(zhì)合金刀具耐磨性好，但硬度比立方氮化硼和陶瓷低。為提高硬度和表面光潔度，硬質(zhì)合金刀具采用硬的涂層材料進(jìn)行涂層，如氮化鈦、氮化鈦鋁和碳氮化鈦。直徑在咖10一妒0mm，且有碳氮化鈦涂層的硬質(zhì)合金刀片能夠加工洛氏硬度小于42HRC的材料;而氮化鈦鋁涂層的刀具能夠加工洛氏硬度為42HRC甚至更高的材料。根據(jù)使用要求，選用不同的刀具材料和涂層材料。表3給出了硬質(zhì)合金刀具加工鋁合金材料的切削參數(shù)。應(yīng)用于高速切削的刀具和涂層材料可分為：立方氮化硼和氮化硅加工鑄鐵、氮化鈦和碳氮化鈦涂層的合金刀具加工洛氏硬度達(dá)42HRC的合金鋼、氮化鈦鋁和鋁氮化鈦涂層合金刀具加工洛氏硬度為42HRC，甚至更高的合金鋼。經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證在復(fù)合材料的銑削加工過程中，由于切屑呈粉末狀，因此要求切削刃比較鋒利耐磨，采用金剛石材料的刀具其效率和精度比普通硬質(zhì)合金好。鈦合金的切削采用涂層硬質(zhì)合金和YG8的普通硬質(zhì)合金比較理想。

(4)高速切削數(shù)控編程

高速銑削加工對數(shù)控編程CAM系統(tǒng)的要求越來越高，價(jià)格昂貴的高速加工設(shè)備對軟件提出了更高的要求——安全性、有效性。高速切削有著比傳統(tǒng)切削特殊的工藝要求，除了要有高速切削機(jī)床和高速切削刀具，具有合適的CAM編程軟件也是至關(guān)重要的。數(shù)控加工的數(shù)控指令包含了所有的工藝過程，一個(gè)優(yōu)秀的高速加工CAM編程系統(tǒng)應(yīng)具有很高的計(jì)算速度、較強(qiáng)的插補(bǔ)功能、全程自動(dòng)過切檢查及處理能力、自動(dòng)刀柄與夾具干涉檢查、進(jìn)給率優(yōu)化處理功能、待加工軌跡監(jiān)控功能、刀具軌跡編輯優(yōu)化功能、加工殘余分析功能等。高速切削編程首先要注意加工方法的安全性和有效性;其次要盡一切可能保證刀具軌跡光滑平穩(wěn)，這會(huì)直接影響加工質(zhì)量和機(jī)床主軸等零件的壽命;最后要盡量使刀具載荷均勻，這會(huì)直接影響刀具的壽命。故應(yīng)用于高速加工的數(shù)控自動(dòng)編程CAM系統(tǒng)必須能夠滿足相應(yīng)的特殊要求。表3硬質(zhì)合金鋁合金的高速切削參數(shù)

3常用CAM軟件高速銑削編程實(shí)例應(yīng)用

高速精加工策略包括三維偏置、等高精加工和最佳等高精加工、螺旋等高精加工等策略。這些策略可保證切削過程光順、穩(wěn)定，確保能快速切除工件上的材料，得到高精度、光滑的切削表面。精加工的基本要求是要獲得很高的精度、光滑的零件表面質(zhì)量，輕松實(shí)現(xiàn)精細(xì)區(qū)域的加工，如小的圓角、溝漕等。對許多形狀來說，精加工最有效的策略是使用三維螺旋策略。使用這種策略可避免使用平行策略和偏置精加工策略中會(huì)出現(xiàn)的頻繁的方向改變，從而提高加工速度，減少刀具磨損。這個(gè)策略可以在很少抬刀的情況下生成連續(xù)光滑的刀具路徑，這種加工技術(shù)綜合了螺旋加工和等高加工策略的優(yōu)點(diǎn)，刀具負(fù)荷更穩(wěn)定，提刀次數(shù)更少，可縮短加工時(shí)間，減小刀具損壞。它還可改善加工表面質(zhì)量，最大限度地減小精加工后手工打磨的需要。在許多場合模型需要將陡峭區(qū)域的等高精加工和平坦區(qū)域三維等距精加工方法結(jié)合起來。

采用高速加工設(shè)備之后，對編程人員的需求量將會(huì)增加，因高速加工工藝要求嚴(yán)格，過切保護(hù)更加重要，故需花多的時(shí)間對NC指令進(jìn)行仿真檢驗(yàn)，一般高速加工編程時(shí)間比一般加工編程時(shí)間要長的多，而大

大縮短了加工時(shí)間。為了保證高速加工設(shè)備足夠的使用率，需配置更多的CAM人員?，F(xiàn)有的CAM軟件如DELCAM的PowerMILL、美國M鵲terc鋤、EDS的UnigraphicsNX、Dassualt的CAⅡA、以色列的CimatronE等都提供相關(guān)功能的高速銑削刀具軌跡策略。圖2、圖3、圖4、圖5分別為UnigraphicsNX、CATIA、M鵲terc鋤平臺(tái)下的薄壁零件和模具的高速銑削加工刀具軌跡示意圖。

高速加工不僅決定于主軸速度與刀具直徑，還與所切削的材料、刀具壽命及加工工藝等綜合因素有關(guān)。注射模、壓鑄模、沖壓模及鍛模等合金模具鋼材料的硬度一般超過洛氏50HRC。這類模具高速加工的限制因素主要是刀具壽命，對于小型模具的細(xì)小結(jié)構(gòu)的加工，主軸速度可達(dá)刪轉(zhuǎn)/min以上。而大型汽車覆蓋件模具的加工，一般主軸速度在12000轉(zhuǎn)/min以上的加工可稱為高速加工。

在注射模、鑄模、鍛模和覆蓋件沖壓模的模具加工時(shí)間主要耗費(fèi)在生產(chǎn)凸模(型芯)和凹模(型腔)等部件上。在美國，最常用的模具材料為3Cr2Mo模具鋼(30HRC)，鍛模和鑄模常用材料為4Cr5MoVlSi鋼，45～60HRC的鍛模和46～50HRC的鑄模。表4列出了最常用的模具材料，40Cr、45鋼淬火調(diào)質(zhì)，50%的模具制造商加工注射模采用高速切削來完成模具的加工。高速加工用在模具和鑄件的加工。3Cr2Mo模具鋼是加工注射模最常用的鋼。因含碳量低，通常預(yù)先熱處理到30HRC時(shí)加工，然后再淬火到50～55HRC。在壓鑄模的應(yīng)用中，熱鍛模具鋼4Cr5MoVlSi在46HRC狀態(tài)時(shí)進(jìn)行精加工。表4美國常用模具材料與公差要求

圖6為在UGNX環(huán)境下編制的某基于SMC成型的大型覆蓋件熱壓模型腔的數(shù)控高速銑削加工刀具軌跡示意圖，其粗加工采用基于殘留毛坯的等高分層銑削，半精加工采用3D平行銑削。該熱壓模材料為55鑄鋼，在粗加工時(shí)采用舭0mm的鑲齒螺旋銑刀，切削參數(shù)為主軸800轉(zhuǎn)/min、切削深度為Z軸每層2mm、切削寬度90%刀具直徑寬度、進(jìn)給率為2000mm/min。圖7則為在Maste吒AM平臺(tái)下為某注射模采用40Cr進(jìn)行高速切削加工的刀具軌跡與仿真加工示意圖，對于傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床其由于主軸轉(zhuǎn)速的限制，其高速切削用量為咖20mm的刀，轉(zhuǎn)速2000轉(zhuǎn)/min，進(jìn)給率2000mm/min，切削深度2mm;精加工為咖12mm、切削深度0.2m/min，主軸轉(zhuǎn)速3500轉(zhuǎn)/min，進(jìn)給率3000mm/min。其加工周期比傳統(tǒng)切削效率縮小了很多。

五、結(jié)束語

高速加工技術(shù)是世界范圍內(nèi)倍受關(guān)注的前沿技術(shù)，它將極大地促進(jìn)加工的效率提高和產(chǎn)品品質(zhì)的改善。正如前文所述，高速加工是一個(gè)系統(tǒng)工程，他要求從軟件、硬件及設(shè)備方面的全方位的改革，但由于其具有傳統(tǒng)加工無可比擬的優(yōu)勢，仍將是今后加工技術(shù)必然的發(fā)展方向。