模具制造中的高速切削和電火花加工技術

■ 山西航天清華裝備有限責任公司 （長治 046000） 李曉波

模具是一種專用工具，用于各種金屬或非金屬材料零件的成型加工，是工業生產中的基礎裝備，是實現少切削和無切削不可缺少的工具。

傳統的模具制造方法由于存在加工周期長、質量穩定性差及成本高等缺點，已經不能適應現代工業發展的需求。隨著計算機技術和自動化技術的高速發展，不斷涌現出很多新設備、新技術和新工藝，逐漸代替傳統的模具制造工藝，應用到現代模具的制造中。

1. 高速切削技術

高速切削技術是近幾年興起的一種先進加工技術。高速切削技術的原理建立在高速切削理論上。高速切削理論認為，對于每一種工件材料，在常規的加工速度范圍內，切削溫度隨著切削速度的增加而增加，如果用遠遠超過常規切削速度范圍的速度來加工的話，切削溫度反而會降低，同時切削力也大幅下降，這個理論使得高速切削成為可能。高速切削技術主要包括高速切削機床、高速切削刀具和高速切削工藝等幾方面的技術，高速切削機床是實現高速切削加工的基礎。

能實現高速切削的機床必需具備的條件如下。

（1）高速主軸。高速切削的首要條件就是高的主軸轉速，高速切削要求主軸轉速達到10 000r/m i n以上，甚至達到40 000r/min。高速切削機床的主軸都采用電動機與主軸合為一體的電主軸，電主軸內裝有溫度傳感器，來控制冷卻系統，使其在高速旋轉時保持恒溫。同時還使用油霧潤滑和陶瓷軸承等新技術，使其高精度、免維護及長壽命。

（2）精準穩定的伺服系統。高速切削不僅需要高的主軸轉速，還需要高精度的伺服系統。伺服系統是維持高速切削的必要條件，高速切削機床的伺服系統要能夠精準、靈敏地執行來自數控裝置的指令，保持穩定的工作狀態和迅速的動態響應。

（3）高精度的快速進給系統。高速切削要求更大的進給速度，一般達20 000mm/min甚至更高。高速切削機床的進給系統使用先進的直線電動機驅動，具有很好的加速和減速特性，進給速度為傳統進給系統的4～5倍。

（4）高性能的控制系統。控制系統相當于高速機床的大腦，它必須準確迅速地將各種指令傳達給各個執行機構，同時還要對各傳感器反饋回來的信息進行快速的分析并及時做出反應，實時地監控主軸轉速和進給系統的運動軌跡，相對于普通數控機床，高速機床的控制系統要具備短時間處理大量數據的能力，一般的高速機床控制系統程序段處理時間為0.5ms，有些控制系統的程序段處理時間縮短到0.2～0.4ms。

（5）快速的輔助裝置和可靠的安全防護裝置。高速機床還需要配備快速移動、快速的換刀裝置等輔助裝置，才能體現其優越性。另外，由于主軸的旋轉速度很高，如果發生意外，將是致命的事故，所以必須有可靠的安全防護裝置。

高速切削在提高生產效率的同時，還給加工過程帶來了許多優良特性。高速切削可以直接加工淬硬鋼等難加工材料，高速切削加工的零件可以獲得很高的尺寸精度和形位精度，難得的是高速切削加工出的表面可以獲得極低的表面粗糙度值，甚至可以達到鏡面效果，這可以省去后續的磨削和拋光工序，將極大地提高模具的生產效率。

使用高速切削加工模具的特點：①加工效率高。高速切削由于具有很高的主軸旋轉速度，因此允許有較大的進給速度，比普通加工切削速度提高5～10倍，大大縮短了模具的生產周期。②切削力小。高速切削的切削力比常規切削減少30%，使其能加工硬度較高的材料，例如硬度60HRC左右的淬硬鋼等材料；較小的切削力還可以避免或減少加工變形，因此可以加工一些剛性較差的薄壁類零件。③切削熱少。高速切削的切削過程非常迅速，90%以上的熱量由切屑帶走，留在工件上的熱量極少，所以工件不會因切削熱而產生變形。同時，極低的切削熱使其能加工一些低熔點的材料。④加工精度高。高速旋轉切削時的激振頻率遠高于工藝系統的受激振動頻率，因此高速切削能保持較好的加工狀態，同時較小的切削力、極低的切削熱使工件具有很高的加工精度和表面質量，高速切削能加工出表面粗糙度值Ra≤0.6μm甚至Ra=0.4μm的表面，達到鏡面效果。⑤高速切削可以簡化加工工序。由于高速切削可以達到很高的加工精度和很低的表面粗糙度值，所以經高速切削加工的零件不需要后續的手工拋光和修配等工序。高速切削可以部分取代電火花加工，而不必像電火花加工那樣準備電極，即使必須用電火花加工的，也可以由高速切削加工電極，縮短加工周期，省去這些工序不僅提高了效率，還節省了不少成本。

縱然高速切削有諸多優點，但它并不是十全十美的，也存在一些缺點。因為受刀具長度和直徑等條件限制，高速切削加工型腔底部圓角的最小半徑是0.3mm，在加工一些尖角、窄槽、小深孔和一些過于復雜的型腔時就有些力不從心了，在這些方面，高速切削還不能完全代替電火花加工。

2. 電火花加工技術

電火花加工作為模具制造技術的一種重要手段，如今也取得了長足的發展?，F代的電火花加工技術正向著精密化、自動化、智能化和高效化發展。

在電火花加工中，加工工藝起著重要作用，精密電火花加工中應用的新工藝主要有：

（1）標準化夾具快速精密定位。采用快速標準化夾具，可以保證極高的重復定位精度，保證加工效率。

（2）混粉加工方法?；旆奂庸な窃诜烹娂庸ひ簝燃尤敕勰┨砑觿?，使加工表面獲得很低的表面粗糙度值的方法。這種方法可以使零件表面達到鏡面效果，從而省去后續的手工拋光工序。

（3）搖動加工方法。為了保證高效率下放電間隙的一致性，維持加工穩定性，在加工過程中采用電極不斷搖動的方法。這樣在加工復雜型腔時，可以保證側面和底面粗糙度的均勻性，并且更容易控制加工尺寸。

（4）多軸聯動加工。利用多軸聯動可以實現傳統電火花機床難以加工的復雜型腔和微小結構零件的加工。

借助于這些先進的加工工藝，目前高精密電火花加工機床已經可以加工出表面粗糙度值Ra=0.08μm的表面，同時還可以進行精密的復雜型腔加工和清角加工。

3. 結語

高速切削技術和精密電火花加工技術憑借著各自的優勢，在模具制造中各領風騷，兩者在模具加工中相輔相成、互補長短，成為現代模具高精度、高效率的加工手段，再加上高精度的智能測量系統和自動化的柔性制造系統，構成了現代模具的先進制造體系。

[1] 蘇君. 現代模具制造技術[M]. 北京：機械工業出版社，2015.

[2] 單巖. 模具數控加工[M]. 北京：機械工業出版社，2005.

[3] 許發樾. 實用模具設計與制造手冊[M]. 北京：機械工業出版社，2000.