加工中心高速切削技術在模具制造中的應用

黎文龍，熊 杰

（1.江西贛州技師學院，江西 贛州341000；2.江西環境工程職業學院，江西 贛州341000）

1 高速切削技術的優點

（1）機床利用率高，加工效率高，高切削速度，單位時間內金屬去除率高。可實現模具零件粗精一體化加工，減少了模具零件更換的時間，為單件自動化生產提供了發展。

（2）切削力小，高速切削范圍內，隨著切削速度的提高，切削力下降，適用于零件剛性差和薄壁零件的加工，如整體離心葉輪、航空測力試驗模型、石墨電極加工等。模具零件的筋采用石墨電極加工，石墨筋位電極去除火花位壁厚最小只有0.15～0.3mm，易崩角、折斷，非高速切削很難加工，筋位深度大于15mm采用石墨電極加工。

（3）加工的零件精度高，表面質量好，高速加工時鐵屑以很高的速度排出，95%以上的熱量被鐵屑帶走，減少零件加工內應力和熱變形量，高速切削在精密和超大型零件加工上的應用，解決了模具質量依賴于手工作業，依賴于鉗工研配技術，達到了模具只裝配少修模的效果，模具精度高，質量可控，使用壽命長。

（4）簡化機加工工藝流程，高速切削高金屬去除率，小切削力，高轉速讓小直徑刀具0.5～1mm得到成功應用，結合五軸加工應用技術，減少EDM加工，實現節能減排、綠色制造，降低了模具生產制造成本。

2 高速切削對數控機床要求

（1）主軸轉速高、功率大。目前使用于高速加工的數控機床，BT刀柄系列要求轉速大于8000r/min，HSK刀柄系列要求轉速大于12000r/min，主軸功率不小于15 kW，并且具有高效、快速的冷卻系統。

（2）快速進給系統和快速移動速度。機床結構上常采用直線電機、滾珠絲杠以及無間隙直線滾動導軌，并減輕移動部件的質量，結構上實現無傳動及進給部件的高速移動和快速準確定位。

（3）高性能的CNC控制系統。高速切削加工技術采用的CNC數控系統必須具備高的數據處理和運算速度，保證實現高速插補、程序快速處理和有效的超前處理能力，提高刀具的運動軌跡控制精度和最佳拐角減速度。

（4）高性能刀具夾持系統，是指由刀柄、夾頭和切削刀具所組成的完整的刀具體系。刀柄與機床主軸相連，切削刀具通過刀具夾頭裝入刀柄之中。要滿足高速銑削較高的系統精度，系統精度包括系統定位夾持精度和刀具重復定位精度，前者指刀具與刀柄、刀柄與機床主軸的連接精度；后者指每次換刀后刀具系統精度的一致性。較高的刀具系統剛度，刀具系統的靜、動剛度是影響加工精度及切削性能的重要因素。刀具系統剛度不足會導致刀具系統振動，從而降低加工精度，并加劇刀具的磨損，降低刀具的使用壽命。

3 高速切削數控編程技術

高速編程的軟件較多，如UG、PowerMILL、WorkNC、Cimatron等，但軟件只是工具，如何借助工具提供適用于HSC的NC代碼，是HSC加工實施的關鍵技術之一。

高速切削進給速度是普通切削5～10倍，程序錯誤（如過切、干涉、碰撞等）都會造成嚴重的事故。而高速加工無法靠操作工人急停來預防，任何意外事故都會給企業造成巨大損失。這就要求CAM系統必須具備全自動的防過切、防碰撞等功能，保證NC代碼的絕對安全。PowerMILL是基于圖形，全程防過切、防碰撞的智能化CAM系統，并結合Vericut仿真驗證可確保程序的安全性，在大型模具和高速加工的實際生產中應用廣泛。

在高速加工的數控編程中主要注意事項有：

（1）避免高速加工中機床運動部件的慣性。盡可能采用恒定的進給速度，高速加工突然改變方向就像在高速路上緊急剎車，會造成巨大安全隱患，甚至損壞機床。模具零件加工中刀具路徑軌跡需要時刻改變方向，這就要求在改變進給方向之前采用圓角減速降低切削速度，或者編程時全部采用圓弧過渡，螺旋線進刀，以使刀具轉向變得盡量平穩可靠。

（2）高速粗加工采用工藝方案是高切削速度，高進給率，小切削深度和小切削寬度的組合，并采用螺旋進刀，螺旋角度不大于0.5°的進刀方式。粗加工優先選用偏置加工策略，較少采用平行加工。由于徑向余量大于軸向余量，根據刀具直徑和刀具精度不同，余量設置也不相同。對于預硬模具鋼，如碳素鋼寶鋼P20，用50R3三角刀片粗加工，徑向余量設置為0.5mm，軸向余量為0.35mm，用22R2長方形刀片粗加工，徑向余量設置為0.3mm，軸向為0.2mm，采用順銑加工。

（3）半精加工為了保證精加工時余量均勻，選擇粗加工時生成的殘留毛坯作為加工素材，進行局部再粗銑。精加工為了獲得優良的零件表面質量和加工精度，使用最優化的切削速度和高進給率。球形刀具加工要避免刀尖切削，因為刀尖線速度為0，容易拉毛零件表面，刀具磨損快，加工精度差。進刀方式采用垂直圓弧進刀和切削刀路連接保持相切，刀具沖擊力較小，能有效保護刀具。

4 刀具的選擇

（1）有色金屬及其合金高速切削刀具材料的選用：吸附、發泡模具的材料主要是鋁及其合金，選用的刀具材料主要是PCD，涂層硬質合金銑刀，刀片要求鋒利，PCD刀具是高速加工高硅鋁合金的理想材料，不但能獲得良好的加工質量，而且刀具使用壽命長，切削時切削速度達到1000～40000m/min。

（2）碳素鋼和合金結構鋼高速切削刀具材料選擇：注射模零件材料常采用預硬鋼，刀具材料選擇用PCBN刀具、TiC（N），加工速度達到300～800 m/min。淬硬鋼（45～55HRC）高速切削時，刀具材料選擇PCBN刀具和陶瓷，加工速度達到150～300 m/min。零件材料硬度越高越能體現出高速切削的優越性，并實現以銑代磨，大幅度提高加工效率和加工精度，減少人工拋光工作量和鉗工研配作業時間。

（3）非金屬高速切削刀具材料的選用：非金屬材料較多，石墨在注射模型腔加工中應用非常廣泛，主要用于電火花加工使用的電極加工，其表面質量和加工精度對模具零件質量影響較大，用高速加工方式提高石墨電極表面質量和精度，加工時可以選擇刀具具有金剛石涂層刀具PCD、PCBN或TiN涂層硬質合金刀具。

（4）不銹鋼高速切削時選擇刀具：不銹鋼中加入較多的金屬元素（Cr和Ni），此材料特點是力學強度好，硬度適中（28～32HRC）,切削塑性好，不易斷屑，所以要提高刀具切削刃的粗糙度以減少切削形成卷曲時的阻力。刀具材料選擇YG類硬質合金，如加工Mirrax ESR奧氏體不銹鋼，粗銑切削速度160～240m/min，精銑切削速度240～280 m/min，應避免選用YT類硬質合金，因不銹鋼中的Ti和YT類硬質合金中的Ti易產生親合作用，加工刀具易磨損。

5 結語

文章論述了HSC的概念，結合現代機床技術、編程技術、刀具材料技術在模具制造上的應用，為模具制造企業提供借鑒，為模具質量提高提供指導意見。