模具制造中的高速加工技术

杨淑君

黄岩第一职业技术学校，浙江台州 318020

1 模具制造技术的发展与变化

在模具行业快速发展的今天，对于模具的加工性能以及使用寿命的要求都越来越高，无论是哪种类型的模具，在其模具型腔的组成元件中，都应该采用强度较高且耐磨性好的材料来进行制造。由于这些材料在热处理之后将具有很高的硬度，因此传统的加工方式无法对其进行加工。面对这种情况最好的解决方法，当数使用特种加工。而我国的模具型腔加工，在很长一个时期都是由电火花加工独霸天下。

电火花加工属于一种以放电烧蚀的微切削技术，其加工时间非常长，并且使用电火花在工件的表面，实施局部高温放电式的烧蚀时，容易造成工件表面的某些性能受到损伤，从而在其表面出现一些微细裂纹，导致表面粗糙度不能满足模具的相关要求。此外，在完成电加工之后的工件，还需要进行较长时间的手工研磨以及抛光处理，这些都是造成其生产效率低的重要原因，然而在许多领域中，模具在其新产品的开发速度及生产效率中，都起着非常重要的作用，因此，急需对其加工技术进行创新。

经过不断的探索与研究，模具制造出现了一项全新的技术——高速加工技术。其具有产品质量好、生产效率高以及能处理造型复杂的各种薄壁或硬质的零件等特点。据相关数据显示，在模具的加工技术中，高速加工已代替了传统加工中85%的份额，真正成为了当前模具制造技术中的主流趋势。

2 模具制造技术中的高速机床

高速机床必须满足的技术要求包括：

主轴转速快且功率高。一般情况下在对模具型腔的曲面进行高速加工时，常选用的是直径较小的球头铣刀，因为它的直径在1mm～12mm之间，所以要求主轴必须具有极高的转速，有的转速能达到20000r/min～80000r/min，以便能够进行高速切削。同时，由于型腔无论是粗加工还是细加工，均由工件的一次装夹而成，因此，必须要求主轴具有的功率要高，通常在中等规格的加工中，其主轴的功率应保持在10kW～40kW及以上。

机床的刚度要好。由于模具材料普遍的硬度及强度都很高，且常用于模具型腔加工的小直径立铣刀，具有伸长量较大的特点，所以在加工过程中极易出现颤振现象，所以应采用刚度大且精度高的电主轴。同时，为了提高工件的表面质量及加工精度，机床还应具有极好的动、静态刚度，从而使机床的抗振能力、跟踪精度及定位精度都得到一定程度的提高。

加速性能极佳。主轴一般从启动开始到加速至最大转速，所需的时间为1s～2s。工作台在进行加速与减速时，也从常规的0.1g～0.2g，提高到了现在的1g～5g，以保证小圆角半径在曲面加工时，能有效实现高速加工，并满足型面的几何精度要求。此外，对于机床进给速度来说则不能过快，通常保持在30m/min为宜。近来随着变频调速的主轴电动机与直线电动机被广泛应用于高速机床上，为模具制造中充分利用高速加工技术，创造了更有利的条件。针对某些复杂的模具制造时，还可以使用五轴联动加工中心。这种机床的特点是除了直线运动的3个坐标外，同时还有进给运动的2个坐标，铣头还可以与工作台进行多轴联动，从而把连续回转进给变为现实，非常适合于加工较为复杂的腔曲面模具零件时使用。

3 模具制造技术中的高速刀具

高速刀具在模具的高速加工技术中，占据着非常重要的地位。由于在进行高速切削的时候，所产生出来的切削热及对刀具的磨损程度，均比常规切削速度时要高出许多，所以在使用高速切削时，对刀具材料在性能方面便有了更高的要求。理想中的刀具材料首先必须满足高硬度、高强度及耐磨性好的要求；其次，还应该具有抗冲击力强与韧度高的特点；另外就是化学稳定性与热硬性良好，具有较强的抗热冲击力。然而在实际的加工过程中，同时具备上述要求的材料还未找到，因此，常规的处理办法是在抗冲击力强的刀具材料基体上，覆盖上具有耐磨性高与热硬性好的涂层，或者是在硬质合金或者陶瓷材料基体上，烧结上金刚石一类的超硬材料，使之成为性能优良的高速加工刀具。在对刀具材料进行选择的时候，应根据实际情况对工件材料、加工精度、加工工序以及表面质量要求等，进行合理的分析以后再选择适宜的刀具材料。

此外，加工刀具的结构、精度、动平衡以及断屑和排屑能力等，都会对高速切削在表面质量、生产效率以及刀具使用寿命等方面，造成直接的影响，因此，在进行设计与选择的时候，必须做到科学且合理，同时还应充分考虑到安全性能方面的问题。例如：对于模具零件的平面进行粗、精加工时，立铣刀应选择带有可转位刀片的。并且，为了使轴向加工的精度以及高速运转过程中刀具的安全得到有力保障，刀具与机床在连接的方式上，几乎不再使用过去7∶24长锥度刀柄，取而代之的是锥度为1∶10的HSK空心刀柄。

4 模具制造技术中的CAD/CAM

对于有效利用计算机技术来使其自身的设计与制造水平，能得到有效提高的行业之一便是模具制造业。从高速加工被广泛用于模具制造以来，CAD(计算机辅助设计）、CAT（计算机辅助测量）及CAM（计算机辅助制造）等，均在模具制造中得到了更加有效的应用。

其中CAD常用于对产品的造型设计问题进行处理，还能胜任对产品的可装配性检查以及对模型的设计工作，例如Cimatron、Mastercam及UG等软件，均具备模具的设计与开发功能。值得一提的是UG这种设计软件，它具有零件建模、数据读入及自动模型布局等功能，只要充分利用好标准件库与过程模板，便能让初级设计人员同样可以设计出高品质、高性能的模具来，最终达到有效提高模具的设计工作效率。

因为模具型腔多由结构较为复杂的曲面组合而成，所以对于数控编程来说这将是一项非常繁琐的工作，并且编程质量还会对模具加工质量起到决定性的作用。在实际的操作过程中，影响编程质量的因素很多，其中最主要的因素是加工工艺路线。传统的加工工艺全凭编程人员自身的经验，很容易出现不合理、不科学的情况，导致模具制造的质量有所下降，从而使工件进行返工，严重时还可使工件直接报废，甚至于引发安全事故。若采用CAM软件虚拟出一个加工仿真环境，那此类问题将迎刃而解。以虚拟仿真的方式，可对实际的加工环境及加工过程，进行一次动态化的模拟，它所展现出来的情景与真实加工的过程无任何不同。在模拟结束之后，技术人员便可根据模拟中反应出来的各种情况，对加工工艺的路线进行适当的调整。应用了这项技术之后，不但可以使编程人员从巨大的精神负担中解脱出来，又可以有效提高模具的加工质量。

5 结论

高速加工技术，它是当前制造业中较为先进的技术之一，是在电子信息技术的快速发展，与市场经济不断进步下，所产生的一项新技术。它除了能够有效提高模具在制造与加工时的速度与效率，同时还提高了模具本身的质量。相信在加工设备与加工材料不断进行新旧更替的今天，高速加工技术在经过了不断的改进与完善后，其技术性能必将更加成熟稳定。

当然，电加工技术也有其适宜的加工范围，例如对一些较深的小孔、表面精密加工、尖角以及窄槽的加工。所以，高速加工技术只能说在某些方面的加工效果，要明显优于电加工技术，但却不能完全取代电加工技术，因此，二者应做到取长补短，相辅相成，为模具加工提供更实用的技术。并且还有一点是需要我们注意的，对于高速加工设备来说，其一次性资金投入量较大，某些规模不是很大的模具厂根本无力承受。而从我国模具厂的规模来看，小规模的模具厂与电加工工厂数量不在少数，所以在短期内高速加工技术还不会给电加工技术带来太大的冲击力。

但是可以肯定的是，在不久的将来高速加工技术，一定能成为我国模具加工中的主要技术之一，模具行业也将迫于形势对加工设备进行更新换代，当前许多实力强大且有远见的模具制造企业，都纷纷开始引进该项技术，以此增强自身的竞争力，把被动变为主动，从而更好地迎接由新技术所带来的机遇与挑战。

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