加工中心高速切削技术在模具制造中的应用

黎文龙，熊 杰

（1.江西赣州技师学院，江西 赣州341000；2.江西环境工程职业学院，江西 赣州341000）

1 高速切削技术的优点

（1）机床利用率高，加工效率高，高切削速度，单位时间内金属去除率高。可实现模具零件粗精一体化加工，减少了模具零件更换的时间，为单件自动化生产提供了发展。

（2）切削力小，高速切削范围内，随着切削速度的提高，切削力下降，适用于零件刚性差和薄壁零件的加工，如整体离心叶轮、航空测力试验模型、石墨电极加工等。模具零件的筋采用石墨电极加工，石墨筋位电极去除火花位壁厚最小只有0.15～0.3mm，易崩角、折断，非高速切削很难加工，筋位深度大于15mm采用石墨电极加工。

（3）加工的零件精度高，表面质量好，高速加工时铁屑以很高的速度排出，95%以上的热量被铁屑带走，减少零件加工内应力和热变形量，高速切削在精密和超大型零件加工上的应用，解决了模具质量依赖于手工作业，依赖于钳工研配技术，达到了模具只装配少修模的效果，模具精度高，质量可控，使用寿命长。

（4）简化机加工工艺流程，高速切削高金属去除率，小切削力，高转速让小直径刀具0.5～1mm得到成功应用，结合五轴加工应用技术，减少EDM加工，实现节能减排、绿色制造，降低了模具生产制造成本。

2 高速切削对数控机床要求

（1）主轴转速高、功率大。目前使用于高速加工的数控机床，BT刀柄系列要求转速大于8000r/min，HSK刀柄系列要求转速大于12000r/min，主轴功率不小于15 kW，并且具有高效、快速的冷却系统。

（2）快速进给系统和快速移动速度。机床结构上常采用直线电机、滚珠丝杠以及无间隙直线滚动导轨，并减轻移动部件的质量，结构上实现无传动及进给部件的高速移动和快速准确定位。

（3）高性能的CNC控制系统。高速切削加工技术采用的CNC数控系统必须具备高的数据处理和运算速度，保证实现高速插补、程序快速处理和有效的超前处理能力，提高刀具的运动轨迹控制精度和最佳拐角减速度。

（4）高性能刀具夹持系统，是指由刀柄、夹头和切削刀具所组成的完整的刀具体系。刀柄与机床主轴相连，切削刀具通过刀具夹头装入刀柄之中。要满足高速铣削较高的系统精度，系统精度包括系统定位夹持精度和刀具重复定位精度，前者指刀具与刀柄、刀柄与机床主轴的连接精度；后者指每次换刀后刀具系统精度的一致性。较高的刀具系统刚度，刀具系统的静、动刚度是影响加工精度及切削性能的重要因素。刀具系统刚度不足会导致刀具系统振动，从而降低加工精度，并加剧刀具的磨损，降低刀具的使用寿命。

3 高速切削数控编程技术

高速编程的软件较多，如UG、PowerMILL、WorkNC、Cimatron等，但软件只是工具，如何借助工具提供适用于HSC的NC代码，是HSC加工实施的关键技术之一。

高速切削进给速度是普通切削5～10倍，程序错误（如过切、干涉、碰撞等）都会造成严重的事故。而高速加工无法靠操作工人急停来预防，任何意外事故都会给企业造成巨大损失。这就要求CAM系统必须具备全自动的防过切、防碰撞等功能，保证NC代码的绝对安全。PowerMILL是基于图形，全程防过切、防碰撞的智能化CAM系统，并结合Vericut仿真验证可确保程序的安全性，在大型模具和高速加工的实际生产中应用广泛。

在高速加工的数控编程中主要注意事项有：

（1）避免高速加工中机床运动部件的惯性。尽可能采用恒定的进给速度，高速加工突然改变方向就像在高速路上紧急刹车，会造成巨大安全隐患，甚至损坏机床。模具零件加工中刀具路径轨迹需要时刻改变方向，这就要求在改变进给方向之前采用圆角减速降低切削速度，或者编程时全部采用圆弧过渡，螺旋线进刀，以使刀具转向变得尽量平稳可靠。

（2）高速粗加工采用工艺方案是高切削速度，高进给率，小切削深度和小切削宽度的组合，并采用螺旋进刀，螺旋角度不大于0.5°的进刀方式。粗加工优先选用偏置加工策略，较少采用平行加工。由于径向余量大于轴向余量，根据刀具直径和刀具精度不同，余量设置也不相同。对于预硬模具钢，如碳素钢宝钢P20，用50R3三角刀片粗加工，径向余量设置为0.5mm，轴向余量为0.35mm，用22R2长方形刀片粗加工，径向余量设置为0.3mm，轴向为0.2mm，采用顺铣加工。

（3）半精加工为了保证精加工时余量均匀，选择粗加工时生成的残留毛坯作为加工素材，进行局部再粗铣。精加工为了获得优良的零件表面质量和加工精度，使用最优化的切削速度和高进给率。球形刀具加工要避免刀尖切削，因为刀尖线速度为0，容易拉毛零件表面，刀具磨损快，加工精度差。进刀方式采用垂直圆弧进刀和切削刀路连接保持相切，刀具冲击力较小，能有效保护刀具。

4 刀具的选择

（1）有色金属及其合金高速切削刀具材料的选用：吸附、发泡模具的材料主要是铝及其合金，选用的刀具材料主要是PCD，涂层硬质合金铣刀，刀片要求锋利，PCD刀具是高速加工高硅铝合金的理想材料，不但能获得良好的加工质量，而且刀具使用寿命长，切削时切削速度达到1000～40000m/min。

（2）碳素钢和合金结构钢高速切削刀具材料选择：注射模零件材料常采用预硬钢，刀具材料选择用PCBN刀具、TiC（N），加工速度达到300～800 m/min。淬硬钢（45～55HRC）高速切削时，刀具材料选择PCBN刀具和陶瓷，加工速度达到150～300 m/min。零件材料硬度越高越能体现出高速切削的优越性，并实现以铣代磨，大幅度提高加工效率和加工精度，减少人工抛光工作量和钳工研配作业时间。

（3）非金属高速切削刀具材料的选用：非金属材料较多，石墨在注射模型腔加工中应用非常广泛，主要用于电火花加工使用的电极加工，其表面质量和加工精度对模具零件质量影响较大，用高速加工方式提高石墨电极表面质量和精度，加工时可以选择刀具具有金刚石涂层刀具PCD、PCBN或TiN涂层硬质合金刀具。

（4）不锈钢高速切削时选择刀具：不锈钢中加入较多的金属元素（Cr和Ni），此材料特点是力学强度好，硬度适中（28～32HRC）,切削塑性好，不易断屑，所以要提高刀具切削刃的粗糙度以减少切削形成卷曲时的阻力。刀具材料选择YG类硬质合金，如加工Mirrax ESR奥氏体不锈钢，粗铣切削速度160～240m/min，精铣切削速度240～280 m/min，应避免选用YT类硬质合金，因不锈钢中的Ti和YT类硬质合金中的Ti易产生亲合作用，加工刀具易磨损。

5 结语

文章论述了HSC的概念，结合现代机床技术、编程技术、刀具材料技术在模具制造上的应用，为模具制造企业提供借鉴，为模具质量提高提供指导意见。