【导语】这次小编在这里给大家整理了高速加工的核心技术和方法（共8篇），供大家阅读参考。
篇1：高速加工的核心技术和方法
高速加工的核心技术和方法
介绍了高速加工的优越性和成功实现高速加工所必需的一些核心技术,叙述了高速高精度加工的`几种方法.
作 者：周正干 王美清 李和平邬学礼 崔在成 作者单位：周正干,王美清,李和平,邬学礼(北京航空航天大学机械工程及自动化学院)崔在成(韩国高等技术研究院)
刊 名：航空制造技术 ISTIC英文刊名：AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY 年，卷(期)： “”(3) 分类号：V2 关键词：高速加工 待加工轨迹监控 计算机数控系统网络化 数控编程篇2：数控高速切削加工
【摘 要】数控高速切削加工以高效率和高精度为基本特征，它在切削机理上是对传统切削的重大突破，是近20多年来迅速崛起的先进制造技术之一。
文章介绍了“数控高速切削加工”的内涵、优势、应用现状和发展趋向，提出了在实现高速切削加工中应关注的主要问题。
【关键词】高速;加工机理;优势;推广价值
1.前言
高速切削加工是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术，在常规切削加工中备受困扰的一系列问题，通过高速切削加工的应用能够得到解决。
“高速切削”的概念是由德国物理学家Carl.J.Salomon提出，于1931年4月提出了著名的切削速度与切削温度理论。
该理论的核心是：在常规的切削速度范围内，切削温度随着切削速度的增大而提高，当到达某一速度极限后，切削温度随着切削速度的提高反而降低。
随后，高速切削技术的发展经历了4个阶段：高速切削的设想与理论探索阶段(193l—l971年)，高速切削的应用探索阶段(1972-1978年)，高速切削实用阶段(1979--1984年)，高速切削推广阶段(20世纪90年代至今)。
对高速切削加工的界定有以下几种划分思路：一是以主轴转速作为界定高速切削加工的尺度，认为主轴转速在10000-20000r/min以上即为高速切削加工;二是以主轴直径D和主轴转速n的乘积Dn来界定，当Dn值达到(5～2000)×105mm.r/min，则认为是高速切削加工，新近开发的加工中心主轴DN值大都已超过100万;三是以切削速度高低来区分，认为切削速度跨越常规切削速度5至10倍即为高速切削加工。
2.数控高速切削加工的优势
随着切削速度的提高，单位时间毛坯材料的去除率增加，加工效率提高，从而缩短了产品的制造周期，提高了产品的市场竞争力。
同时，高速切削加工的“量小速快”使切削力减少，切屑的高速排除，减少了工件的切削力和热应力变形，十分有利于刚性差和薄壁零件的加工。
高速切削加工中，主轴转速的提高使切削系统的工作频率远离了机床的低阶固有频率，提高了切削系统的刚性，进而使产品表面质量获得提高。
数控高速切削加工和常规切削相比的主要优势可归纳为：第一，生产效率可提高3～10倍。
第二，切削力可降低30%以上。
第三，切削热95%被切屑及时带走，特别适合加工容易热变形的零件。
第四，机床的激振频率远离工艺系统的固有频率，工作平稳，适合加工精密零件。
第五，经济效益明显。
3.数控高速切削加工的应用
数控高速切削工艺的应用，能使制造成本降低20%左右，产生新的经济增长点。
以某锻造厂加工曲轴和连杆锻模为例，传统的加工工序为：外形粗加工→仿形铣粗加工型槽→热处理→外形精加工→数控电火花粗、精加工型槽→钳工打磨抛光型槽→表面强化处理。
而采用高速切削加工后的工序为：外形粗加工→热处理→外形精加工→高速铣加工型槽→表面强化处理。
通过高速铣削加工直接完成淬硬钢模具，使生产成本从传统工艺的27000多元降到22000元。
高速切削加工具备过程平稳、振动小的特点，与常规切削相比，可提高加工精度1～2级，并能取消后续的光整加工。
同时，采用数控高速切削加工工艺，可以在一台机床上实现对复杂整体结构件的粗、精加工，减少了转工序中多次装夹带来的定位误差，也有利于提高工件的加工精度。
如某企业加工的铝质模具，模具型腔长达1500mm，要求尺寸精度误差±0.05mm，表面粗糙度Ra0.8μm。
原先的制造工艺为：粗刨→半精刨→精刨→铲刮→抛光，制造周期为60小时。
采用高速切削加工工艺后，改为半精加工和精加工，加工周期仅需6小时，加工效率提高近10倍。
可见，高速切削加工在制造业中有着广阔的应用前景。
4.数控高速切削加工的关键环节
高速切削加工不仅包含着切削过程的高速，还包含了工艺过程的集成和优化，可谓是加工工艺的统一。
高速切削加工是在数控装置、机床结构及材料、机床设计、制造工艺、高速主轴系统、快速进给系统、高性能CNC系统、高性能刀夹系统、高性能刀具材料及刀具设计制造工艺、高效高精度测量测试工艺、高速切削工艺等诸多技术均获得充分成熟之后综合而形成，可谓是一个复杂的系统工程。
高速切削加工应用中还存在着一些有待解决的问题，如对高硬度材料的切削机理、刀具在载荷变化过程中的破损内因的研究，高速切削数据库的建立，适用于高速切削加工状态的监控技术和绿色制造技术的开发等。
数控高速切削加工所用的CNC机床、刀具和CAD/CAM软件等，价格昂贵，初期投资较大，在一定程度上也制约着高速切削技术的推广应用。
实现数控高速切削加工的关键环节如下：
4.1高速切削机理的研究
高速切削加工过程是导致工件表面层产生高应变速率的高速切削变形和刀具与工件之间的高速切削摩擦行为形成的为热、力耦合不均匀强应力场的制造工艺。
与传统的`切削加工相比，加工中工件材料的力学性能、切屑形成、切削力学、切削温度和已加工表面形成等都有其不同的特征和规律。
各类材料在高速加工前提下，切屑的形成机理，切削力、切削热的转变规律，刀具磨损规律及对加工概况质量的影响规律，都有了极大的变化。
通过对以上理论的研究，有利于促进高速切削工艺规范的确定和切削用量的选择，为具体零件和材料的加工工艺拟定能够提供理论依据。
4.2高速切削机床的配备
高速切削机床是实现高速切削加工的必备条件，高速主轴系统、快速进给系统和高速CNC控制系统是关键。
它要求具备高性能的主轴单元和冷却系统、高刚性的机床结构、安全装置和监控系统以及优良的静动力特性，具有技术含量高、机床制造难度大等特点。
通常，选用高速数控车床、加工中心，也有釆用专用的高速铣、钻床，它们都具有高速主轴系统和高速进给系统。
一般主轴转速在10000r/min以上，有的甚至高达60000-100000r/min，且要保证动态和热态机能。
也可釆用高速丝杆或直线电机，提高机床进给系统的快速响应。
目前，直线电机最高加速度可达2-10G(G为重力加速度)，最大进给速度可达60-200m/min或更高。
4.3高速切削工艺的刀具
随着切削速度的大幅度提高，刀具材料和刀具制造工艺都要能适应新的环境。
刀具系统必需具有较高的几何精度和装夹再定位精度，以及较高的装夹刚度。
高速切削刀具除了满足静平衡外还必需满足动平衡要求，尽可能减轻刀体质量，以减轻高速扭转时所受到的离心力。
高速切削中常用的刀具材料有单涂层或多涂层硬质合金、陶瓷、立方氮化硼(CBN)、聚晶金刚石等，高速切削刀具刀刃的外形正向着高刚性、复合化、多刃化和超精加工方向发展。
4.4数控编程系统要求
高速切削有着比传统切削更特殊的工艺要求，除了要具备高速切削机床和高速切削刀具外，还要有合适的CAM编程软件。
高速加工的CAM编程系统应具有很高的计算速度、较强的插补功能、全程自动过切检查及处理能力、自动刀柄与夹具干涉检查、进给率优化处理功能、待加工轨迹监控功能、刀具轨迹编辑优化功能和加工残余分析功能等特点。
高速切削应用程序首先要注意加工的安全性和有效性;其次，要保证刀具轨迹光滑平稳，这会直接影响加工质量和机床主轴等零件的寿命;第三，要尽量使刀具载荷均匀，这会直接影响刀具的寿命。
通常，使用的CNC软件中的编程功能都不能满足在整个切削过程中保证切削载荷不变的要求，需要由人工加以填补和优化，这在一定程序上降低了高速切削的价值。
因此，必需研究一种全新的编程方式，使切削数据适合高速主轴的功率特征，充分发挥数控高速切削加工的优势。
目前，引进的CAM软件，如Cimatron、Mastercam、UG、Pro/E等，都在逐步增添适合于高速切削的编程模块，为高速切削加工的应用提供了良好的条件。
5.结束语
由于数控高速切削加工在提高生产效益、降低制造成本中潜力巨大，美国、日本等国早在上世纪60年代初，就起动了超高速切削机理的研究。
篇3：高速孔加工工艺
摘要:高速切削是实现高效率制造的核心技术,工序的集约化和设备的通用化使之具有很高的生产效率,孔是机械加工中常见的加工对象之一,本文主要论述了在高速切削环境下,内孔的表面技术要求、加工方式及其加工工艺特点等方面进行了剖析,为孔的典型高速加工工艺方案及其选择原则提供了理论依据。
关键词:高速孔 加工方式
高速切削加工是面向现代加工社会的一项高新技术,由于其具有速度高、效率高、精度高、表面加工质量高、柔性高等特点,做为切削加工方法之一,而孔是机械零件上极为常见的特征,在许多类零件上都带有孔。
根据其使用特性及作用不同,加工时的尺寸精度及表面质量要求不一,随着切削速度的不断提高,孔的加工工艺也发生着重大的变化,大大地促进了孔加工刀具技术的发展。
1、内孔表面的技术要求
孔按照与其他零件相对连接的关系的不同,可分为配合孔与非配合孔;按其几何特征的不同,可分为通孔、盲孔、锥孔、阶梯孔等;按孔径大小可分为大直径孔和小直径孔;按其几何形状不同,可分为圆孔、非圆孔等;按其加工的难易程度的不同,可分为浅孔和深孔。
内孔表面的技术要求一要保证孔径和孔长的尺寸精度及孔系中孔与孔、孔与相关表面间的尺寸精度;二要保证内孔表面的圆度、圆柱度及素线直线度和轴线直线度;三要保证孔与孔间的同轴度、对称度、位置度、径向圆跳动,孔与孔间的垂直度、平行度、倾斜度;四要保证内孔表面的粗糙度及表层物理力学性能。
并且,在孔加工中,必须解决冷却问题、排屑问题、刚性导向问题与速度问题。
2、孔的主要加工方式及加工刀具
根据所采用的刀具不同,孔加工方法有钻孔、扩孔、惚孔、铰孔、铿孔、磨孔等常用的方法,特种加工孔的方法有电火花穿孔、超声波穿孔和激光打孔等。
2.1 钻削加工
在实体材料上一次钻成孔的工序为钻削。
钻孔方式有两种:一种是刀具旋转,工件或刀具做轴向进给;另一种是工件旋转,刀具做轴向进给。
前者是孔加工的最常用方法。
钻削是加工工艺中用的最广泛的方法,其加工的孔精度和表面粗糙度都较低,主要原因是孔加工要求刀具具有较大的容屑排屑槽,刀具刚性与强度受到很大的削弱。
钻削的加工精度一般只能达到ITll,表面粗糙度值最小为Ra为12.5～6.3um。
在钻削后常常采用扩孔和铰孔来进行半精加工和精加工。
2.2 扩、镶削加工
对己有的孔眼(铸孔、锻孔、预钻孔)进行扩大,以提高其精度和降低表面粗糙度参数值的工序为扩削。
扩孔时,切削厚度较小,排屑容易,加之扩孔钻刚性较好,刀齿较多,因而扩孔精度和表面粗糙度均比钻孔好,一般尺寸精度可达IT11～IT10级,表面粗糙度Ra为10～2.5um。
扩孔一般用于直径为100mm以下的孔加工,扩孔通常作为孔加工的中间工序,对于精度要求不高的孔也可以作为其终结工序,其成形运动与钻孔相似。
惚孔是在钻孔孔口表面上加工出倒棱、平面或沉孔的工序,惚孔属于扩削范围,所用刀具为特殊的扩孔钻。
常用加工方法有工件静止而麻花钻动和工件旋转而麻花钻不旋转,仅作轴向进给两种。
扩孔刀具有扩孔钻或较大的麻花钻。
扩孔钻常和钻头、铰刀或惚钻作成一体,组成钻一扩一惚或钻一铰复合刀具。
这样可以使几个工步的加工在一次行程中完成,不仅可以提高生产率还可以保证各种加工表面的同轴度。
2.3 铰削加工
铰削是利用铰刀从孔壁上切除微量金属,以提高孔的尺寸精度和减小表面粗糙度,是一种常用的半精和精加工的.工序。
铰刀比扩孔钻齿数多、导向性好、刚性好、加工余量小,加工后精度可达IT8~IT6,表面粗糙度可达Ra1.6～0.4um。
由于铰刀切削刃有刃口钝圆半径,又具有修光刃,而且后刀面还有0.05～0.3mm的刃带,所以挤压作用大,因此铰削过程实际上有切削与挤刮两种的作用。
铰削的工艺方法中常用推铰和拉铰两种。
推铰一般用于加工浅孔,拉铰一般用于加工深孔。
铰刀是定尺寸刀具,一种规格的铰刀只能加工一种尺寸和精度的孔,其适应性不如铿刀,铰孔不宜铰削非标准孔、台阶孔和盲孔。
3、孔的典型加工工艺
在机械加工中,根据孔的结构和技术要求不同,可采用不同的加工方法,这些方法归纳起来可分为两类:一类是对实体工件进行孔加工,即从实体上加工出孔;另一类是对已有的孔(如铸造孔)进行半精加工和精加工。
非配合孔一般是采用钻削加工在实体上直接把孔钻出来;对于配合孔则需要在钻孔的基础上,根据被加工孔的精度和表面质量要求,采用铰削、铿削、磨削等精加工的方法作进一步的加工。
当孔的表面质量要求很高时,还需要采用铿削、研磨、琦磨、挤压、滚压等表面光整加工方法;对非圆孔的加工则需要采用插削、拉削以及特种加工等方法。
按照孔的加工精度和表面粗糙度的要求,高速切削加工技术作为一种新兴技术,目前,尚没有形成系统的孔加工工艺方案,由于高速孔加工是在传统孔加工得基础上发展来的,所以高速孔加工工艺路线与传统的孔加工工艺路线相似(拉削、挤光与手铰加工不属于高速切削加工技术范围),同样的加工方法,高速切削加工的加工精度与公差等级比传统的加工都有所提高,因此高速孔加工工艺达到同样的加工精度,所需工序较少。
4、结语
总之,在高速切削环境中,针对不同零件上孔的加工,要根据具体情况不同,同一工件可采用不同的加工方法。
制定加工方案时应考虑以下几个的问题:一是工件的年生产纲领是确定工件生产类型(单件、批量、大量生产)及其工艺方案的首要条件;二是工件的加工内容和精度要求是作为对孔、孔系安排预加工或终加工的依据;三是工件的材质、结构形式、工件的刚性、孔的毛坯状态等是考虑加工方法和选用工具夹具的主要内容;四是工厂的设备状况和工具夹供给能力。
参考文献
[1]李洪.机械加工工艺手册.北京:北京出版社,1990.12,544一573,1024.
[2]王启平主编.机械制造工艺学.哈尔滨:哈尔滨工业大学出社,.9,81一126.
篇4：高速加工的刀具选取
刀具技术特别是刀具材料的进步对高速切削加工的发展起了很大的作用，在高速切削领域，当前主要使用金属陶瓷、陶瓷、涂层和超硬材料四类刀具，它们各有其特性和应用范围并相互补充。其中涂层刀具发展最快而且在高速切削领域有巨大应用潜力，目前在全部刀具中已占有50%以上的比重。
超硬材料刀具在高速切削领域独占优势，其实际应用与日俱增。在这类刀具中PCD(聚晶金刚石)刀具是高速切削铝合金和非金属材料的最佳选择，而金刚石涂层刀具则不仅已经实用化且增长势头很猛;PCBN(立方氮化硼聚晶产品)刀具适于以更高速度切削铸铁、淬硬钢等材料，CBN(立方氮化硼)涂层刀具也有望在近期取得重大技术突破。
为了使高速切削刀具有足够的使用寿命和低的切削力，应根据不同的工件材料选择最佳的刀具几何角度。与普通切削相比，高速切削刀具前角一般要小一些甚至是负前角，后角要稍大一点，且常采用修圆或倒角刀尖来增大刀前角，以防止刀尖处的热磨损。由于进行高速切削的旋转刀具要在很高的转速下工作，离心力问题非常突出，故要求其刀体结构和刀片夹紧结构应十分可靠，同时需要在动平衡仪上经过严格的动平衡，最好能进一步安装在机床上与主轴组件一起进行动平衡。
在普通转速下刀具与主轴间广泛采用的7：24锥联结，当高速旋转时，由于实心锥柄不能像主轴孔那样受离心力作用发生“胀大”，两者之间出现间隙会导致刀具在锥孔内摆动，从而引起刀具的轴向定位误差和破坏结构的动平衡。为了克服这种联结高速性能差的缺点，相继开发出了一些适合高速切削的联结方式，如：HSK 工具系统和Capto工具系统。
下面详细介绍刀具、刀柄及切削用量的选取。
1 刀具材料
要实现高速切削，刀具材料是关键。高速切削材料主要有硬质合金、涂层刀具、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼和金刚石刀具。它们各有优点，适合不同的工件材料和不同的切削速度范围。必须注意的是刀具材料和工件材料副之间有一个适配性问题，即一种刀具材料与工件材料时性能良好，但加工另一种工件材料时却不理想，换句话说，不存在一种万能刀具材料可适用于所有工件材料的高速加工。
高速切削刀具材料必须根据所加工的工件材料和加工性质来选择。一般而言，陶瓷刀具、涂层刀具及CBN刀具适合于加工钢铁等黑色金属的高速加工;PCD刀具适合于对铝、镁、铜等有色金属高速加工。表中列出了上述刀具材料所适合加工的一些工件材料。
陶瓷刀具已应用于加工各种铸铁、钢件、热喷涂喷焊材料、镍基高温合金等。
金刚石刀具适合于加工非金属材料、有色金属及其合金。由于金刚石的热稳定性差，切削温度达到800℃时，就会失去其硬度。因为金刚石和铁有很强的化学亲和力，在高温下铁原子容易与碳原子相互作用使其转化为石墨结构，刀具极容易损坏，因此金刚石刀具不适合于加工钢铁类材料，在切削有色金属时，PCD刀具的寿命是硬质合金刀具的几十甚至几百倍。
立方碳化硼刀具既能胜任淬硬钢、轴承钢、高速钢、冷硬铸铁的粗、精车，又能胜任高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其他难加工材料的高速切削。CBN刀具是实现以车代磨的最佳刀具之一。
2 刀具
以下介绍在加工中心上加工壳体常用刀具。
1、铣刀
在面铣时，由于铣刀和工件之间的关系，尺寸和位置是重要的因素。在选择刀具时，工件的宽度决定铣刀的直径。对于加工小件而言，一般刀具直径比工件大30%是比较理想的，但是机床功率和稳定性在许多情况下起决定作用。面铣常常需要几次走刀才能完成。
在优化铣削效果时，铣刀的刀片是另一个重要因素。在任何一次铣削时如果同时参加切削的刀片数多于一个是优点，但同时参加切削的刀片数太多就是缺点。在切削时每一个切削刃不可能同时切削，所要求的功率和参加切削的切削刃多少有关。就切屑形成过程，切削刃负载以及加工结果来说，铣刀相对于工件的位置起到了重要作用。在面铣时，用一把比切削宽度大约大30%的铣刀并且将铣刀位置在接近于工件的中心，那么切屑厚度变化不大。在切入切出的切屑厚度比在中心切削时的切削厚度稍稍薄一些。
为了确保使用足够高的平均切屑厚度/每齿进给量，必须正确地确定适合于该工序的铣刀刀齿数。铣刀的齿距是有效切削刃之间的距离。可根据这个值将铣刀分为3个类型——密齿铣刀、疏齿铣刀、特密齿铣刀。
和铣削的切屑厚度有关的还有面铣刀的主偏角。主偏角是刀片主切削刃和工件表面之间的夹角，主要有45度、90度角和圆形刀片。切削力的方向变化随着主偏角的不同将发生很大的变化：主偏角为90度的铣刀主要产生径向力，作用在进给方向，这意味着被加工表面将不承受过多的压力，对于铣削结构较弱的工件是比较可靠。
主偏角为45度的铣刀其径向切削力和轴向大致是相等的，所以产生的压力比较均衡，对机床功率的要求也比较低，特别适合于铣削产生崩碎切屑的短屑材料工件。
圆形刀片的铣刀意味着主偏角从0度到90度连续变化，这主要取决于切削深度。这种刀片切削刃强度非常高，由于沿长切削刃方向产生的切屑比较薄，所以适合大的进给量。沿刀片径向切削力的方向在不断改变，而且在加工过程中所产生的压力将取决于切削深度。现代刀片几何槽形的研制使圆形刀片具有平稳的切削效应、对机床功率需求较低、稳定性好等优点。今天，它已不再是一种有效的粗铣刀，在面铣和立铣中都有广泛的应用。
相对于工件的进给方向和铣刀的旋转方向有两种方式。第一种是顺铣，铣刀的旋转方向和切削的进给方向是相同的，在开始切削时铣刀就咬住工件并切下最后的切屑。第二种是逆铣，铣刀的旋转方向和切削的进给方向是相反的，铣刀在开始切削之前必须在工件上滑移一段，以切削厚度为零开始，到切削结束时切削厚度达到最大，
在三面刃铣刀、某些立铣或面铣时，切削力有不同方向。面铣时，铣刀正好在工件的外侧，切削力的方向更应特别注意。顺铣时，切削力将工件压向工作台，逆铣时切削力使工件离开工作台。
由于顺铣的切削效果最好，通常首选顺铣，只有当机床存在螺纹间隙问题或者有顺铣解决不了的问题时，才考虑逆铣。
在理想状况下，铣刀直径应比工件宽度大，铣刀轴心线应该始终和工件中心线稍微离开一些距离。当刀具正对切削中心放置时，极易产生毛刺。切削刃进入切削和退出切削时径向切削力的方向将不断变化。机床主轴就可能振动并损坏，刀片可能碎裂而加工表面将十分粗糙。铣刀稍微偏离中心，切削力方向将不再波动—— 铣刀将会获得一种预载荷。我们可以把中心铣削比做在马路中心开车。
铣刀刀片每一次进入切削时，切削刃都要承受冲击载荷，载荷大小取决于切屑的横截面、工件材料和切削类型。切入切出时，切削刃和工件之间是否能正确咬合是一个重要方向。
当铣刀轴心线完全位于工件宽度外侧时，在切入时的冲击力是由刀片最外侧的刀尖承受的，这将意味着最初的冲击载荷由刀具最敏感的部位承受。铣刀最后也是以刀尖离开工件，也就是说刀片从开始切削到离开，切削力一直作用在最外侧的刀尖上，直到冲击力卸荷为止。当铣刀的中心线正好位于工件边缘线上时，当切屑厚度达到最大时刀片脱离切削，在切入切出时冲击载荷达到最大。当铣刀轴心线位于工件宽度之内时，切入时的最初冲击载荷沿切削刃由距离最敏感刀尖较远的部位承受，而且在退刀时刀片比较平稳的退出切削。
对于每一个刀片来说，当要退出切削时切削刃离开工件的方式是重要的。接近退刀时剩余的材料可能使刀片间隙多少有所减少。当切屑脱离工件时沿刀片前刀面将产生一个瞬时拉伸力并且在工件上常常产生毛刺。这个拉伸力在危险情况下危及切屑刃安全。
当铣刀轴心线和工件边缘线重合或接近工件的边缘线时，情况将很严重。达到较好铣削的总结
①检查机床的功率和刚度，以保证所需要的铣刀直径能够在机床上使用。
②主轴上刀具的悬伸量尽可能达到最短，减小铣刀轴线与工件位置对冲击载荷的影响。
③采用适合于该工序的正确的铣刀齿距，以确保在切削时没有太多的刀片同时和工件啮合而引起振动，另一方面，在铣削狭窄工件或铣削型腔时要确保有足够的刀片和工件啮合。
④确保采用每刀片的进给量，以便在切屑足够厚时能获得正确的切削效果，从而减小刀具磨损。采用正前角槽形的可转位刀片，从而获得平稳的切削效果以及最低的功率。
⑤选用适合于工件宽度的铣刀直径。
⑥选用正确的主偏角。
⑦正确的放置铣刀。
⑧仅仅在必要时使用切削液。
⑨遵循刀具保养及维修的规则，并且监控刀具磨损。
(2)钻头
钻头是孔加工刀具中应用最广的刀具，尤其是钻削ф30mm以下的孔时，钻头从结构上分为整体式和可转位刀片钻头，由于汽车工业追求高的生产效率，台肩和倒角复合钻的应用也越来越广泛。
许多工件上都需要钻削一个孔或数个孔，而且如今这些孔大多数都是在数控机床和加工中心上加工。从原理上讲，有许多不同类型的孔，在这些孔之间最普遍的差异是配合间隙。这些孔包括螺纹孔、有极好配合要求的孔、管道孔以及为去除重量而加工出的孔等。这些孔是通孔或者是盲孔，对切削刀具和方法有不同的要求。
在钻削过程中，为了以有效的方法达到满意的效果，需要考虑4个主要因素。
①直径和孔深的比值;
②被加工孔需要的精度和表面粗糙度;
③工件材料类型、质量和硬度;
④机床，尤其是加工条件和主轴转速;
这些因素将影响钻头类型的选择和应用。在所有的加工过程中，工件、机床和工艺系统的稳定性是最重要的。在考虑什么类型的钻头适用于加工工序时，钻削工艺起着某些制约作用。最小的可转位刀片直径为12.7mm。
(3)镗刀
镗刀按结构分为整体式、装夹式和可调式，可调式又分为微调式和差动式。在汽车变速器壳体加工中常用的主要是单刃微调式镗刀和双刃粗镗刀。
粗镗刀利用轴向调节机构，使两刃高度完全一致，取得理想的平衡状态，防止振动。进给螺纹是精镗头的命脉，在一些厂家采用配对生产法，将螺丝与螺母间的齿隙限制在最小，获得最高的可靠性。在镗背面的孔时，往往需要将工件反装，或回转工作台，这样不仅浪费时间，而且很难保证同轴度，日本BIG公司生产的 EWN精镗头只需将刀片反装即可进行反镗加工，即保证精度有提高生产效率。对于有高精度要求的孔要求刀杆有高的动平衡效果，在BIG公司生产的高速小孔精镗头移动平衡环，内藏的平衡块既会移动，根据说明书中的相关数据，将平衡环转到相应的位置既可使镗头处于平衡状态。
(4)攻丝
在加工中心上有两种攻螺纹方式，高精度自动倒转攻螺纹器，最高转速达6000r/min，不需任何补偿作用的刚性攻。这两种攻螺纹的方式各有优劣，因此依照加工要求而选择，在大量生产中，因追求高效率，自动倒转攻螺纹器将有利于生产，但它机构复杂、附件繁多、维修不易、价格昂贵。目前，随着CNC加工中心使用数量的增加，刚性攻丝将日渐普及。
使用刚性攻螺纹时，由于加工中心的数控系统控制轴向进给，故丝锥本身不需负担控制任务，刚性攻螺纹时，丝锥的旋转速度与机械主轴轴向进给为100%同步，丝锥可夹持在固定刀柄中，不需任何浮动功能。
篇5：模具高速铣削加工技术概述
一、前言
在现代模具生产中，随着对塑件的美观度及功能要求得越来越高，塑件内部结构设计得越来越复杂，模具的外形设计也日趋复杂，自由曲面所占比例不断增加，相应的模具结构也设计得越来越复杂，这些都对模具加工技术提出了更高要求，不仅应保证高的制造精度和表面质量，而且要追求加工表面的美观。随着对高速加工技术研究的不断深入，尤其在加工机床、数控系统、刀具系统、CAD/CAM软件等相关技术不断发展的推动下，高速加工技术已越来越多地应用于模具型腔的加工与制造中。
数控高速切削加工作为模具制造中最为重要的一项先进制造技术，是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术。相对于传统的切削加工，其切削速度、进给速度有了很大的提高，而且切削机理也不相同。高速切削使切削加工发生了本质性的飞跃，其单位功率的金属切除率提高了30%~40%，切削力降低了30%，刀具的切削寿命提高了70%，留于工件的切削热大幅度降低，低阶切削振动几乎消失。随着切削速度的提高，单位时间毛坯材料的去除率增加了，切削时间减少了，加工效率提高了，从而缩短了产品的制造周期，提高了产品的市场竞争力。同时，高速加工的小量快进使切削力减少了，切屑的高速排出减少了工件的切削力和热应力变形，提高了刚性差和薄壁零件切削加工的可能性。由于切削力的降低，转速的提高使切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率，而工件的表面粗糙度对低阶频率最为敏感，由此降低了表面粗糙度。在模具的高淬硬钢件(HRC45~HRC65)的加工过程中，采用高速切削可以取代电加工和磨削抛光的工序，从而避免了电极的制造和费时的电加工，大幅度减少了钳工的打磨与抛光量。对于一些市场上越来越需要的薄壁模具工件，高速铣削也可顺利完成，而且在高速铣削CNC加工中心上，模具一次装夹可完成多工步加工。
高速加工技术对模具加工工艺产生了巨大影响，改变了传统模具加工采用的“退火→铣削加工→热处理→磨削”或“电火花加工→手工打磨、抛光”等复杂冗长的工艺流程，甚至可用高速切削加工替代原来的全部工序。高速加工技术除可应用于淬硬模具型腔的直接加工(尤其是半精加工和精加工)外，在EDM电极加工、快速样件制造等方面也得到了广泛应用。大量生产实践表明，应用高速切削技术可节省模具后续加工中约80%的手工研磨时间，节约加工成本费用近30%，模具表面加工精度可达1 m，刀具切削效率可提高1倍。
二、高速铣削加工机床
高速切削技术是切削加工技术的主要发展方向之一，它随着CNC技术、微电子技术、新材料和新结构等基础技术的发展而迈上更高的台阶。由于模具加工的特殊性以及高速加工技术的自身特点，对模具高速加工的相关技术及工艺系统(加工机床、数控系统、刀具等)提出了比传统模具加工更高的要求。
1. 高稳定性的机床支撑部件
高速切削机床的床身等支撑部件应具有很好的动、静刚度，热刚度和最佳的阻尼特性。大部分机床都采用高质量、高刚性和高抗张性的灰铸铁作为支撑部件材料，有的机床公司还在底座中添加高阻尼特性的聚合物混凝土，以增加其抗振性和热稳定性，这不但可保证机床精度稳定，也可防止切削时刀具振颤。采用封闭式床身设计，整体铸造床身，对称床身结构并配有密布的加强筋等也是提高机床稳定性的重要措施。一些机床公司的研发部门在设计过程中，还采用模态分析和有限元结构计算等，优化了结构，使机床支撑部件更加稳定可靠。
2. 机床主轴
高速机床的主轴性能是实现高速切削加工的重要条件。高速切削机床主轴的转速范围为10000~100000m/min，主轴功率大于15kW。通过主轴压缩空气或冷却系统控制刀柄和主轴间的轴向间隙不大于0.005mm。还要求主轴具有快速升速、在指定位置快速准停的性能(即具有极高的角加减速度)，因此高速主轴常采用液体静压轴承式、空气静压轴承式、热压氮化硅(Si3N4)陶瓷轴承磁悬浮轴承式等结构形式。润滑多采用油气润滑、喷射润滑等技术。主轴冷却一般采用主轴内部水冷或气冷。
3. 机床驱动系统
为满足模具高速加工的需要，高速加工机床的驱动系统应具有下列特性：
(1) 高的进给速度。研究表明，对于小直径刀具，提高转速和每齿进给量有利于降低刀具磨损。目前常用的进给速度范围为20~30m/min，如采用大导程滚珠丝杠传动，进给速度可达60m/min;采用直线电机则可使进给速度达到120m/min。
(2)高的加速度。对三维复杂曲面廓形的高速加工要求驱动系统具有良好的加速度特性，要求提供高速进给的驱动器(快进速度约40m/min，3D轮廓加工速度为10m/min)，能够提供0.4m/s2到10m/s2的加速度和减速度。
机床制造商大多采用全闭环位置伺服控制的小导程、大尺寸、高质量的滚珠丝杠或大导程多头丝杠。随着电机技术的发展，先进的直线电动机已经问世，并成功应用于CNC机床。先进的直线电动机驱动使CNC机床不再有质量惯性、超前、滞后和振动等问题，加快了伺服响应速度，提高了伺服控制精度和机床加工精度。
4. 数控系统
先进的数控系统是保证模具复杂曲面高速加工质量和效率的关键因素，模具高速切削加工对数控系统的基本要求为：
(1) 高速的数字控制回路(Digital control loop)，包括：32位或64位并行处理器及1.5Gb以上的硬盘;极短的直线电机采样时间
(2)速度和加速度的前馈控制(Feed forward control);数字驱动系统的爬行控制(Jerk control)。
(3) 先进的插补方法( 基于NURBS的样条插补)，以获得良好的表面质量、精确的尺寸和高的几何精度。
(4)预处理(Look-ahead)功能。要求具有大容量缓冲寄存器，可预先阅读和检查多个程序段(如DMG机床可多达500个程序段，Simens系统可达1000~个程序段)，以便在被加工表面形状(曲率)发生变化时可及时采取改变进给速度等措施以避免过切等。
(5)误差补偿功能，包括因直线电机、主轴等发热导致的热误差补偿、象限误差补偿、测量系统误差补偿等功能。 此外，模具高速切削加工对数据传输速度的要求也很高。
(6) 传统的数据接口， 如RS232串行口的传输速度为19.2kb，而许多先进的加工中心均已采用以太局域网(Ethernet)进行数据传输，速度可达200kb。
5. 冷却润滑
高速加工采用带涂层的硬质合金刀具，在高速、高温的情况下不用切削液，切削效率更高。这是因为：铣削主轴高速旋转，切削液若要达到切削区，首先要克服极大的离心力;即使它克服了离心力进入切削区，也可能由于切削区的高温而立即蒸发，冷却效果很小甚至没有;同时切削液会使刀具刃部的温度激烈变化，容易导致裂纹的产生，所以要采用油/气冷却润滑的干式切削方式。这种方式可以用高压气体迅速吹走切削区产生的切削，从而将大量的切削热带走，同时经雾化的润滑油可以在刀具刃部和工件表面形成一层极薄的微观保护膜，可有效地延长刀具寿命并提高零件的表面质量。
三、高速切削加工的刀柄和刀具
由于高速切削加工时离心力和振动的影响，要求刀具具有很高的几何精度和装夹重复定位精度以及很高的刚度和高速动平衡的安全可靠性。由于高速切削加工时较大的离心力和振动等特点，传统的7:24锥度刀柄系统在进行高速切削时表现出明显的刚性不足、重复定位精度不高、轴向尺寸不稳定等缺陷，主轴的膨胀引起刀具及夹紧机构质心的偏离，影响刀具的动平衡能力。目前应用较多的是HSK高速刀柄和国外现今流行的热胀冷缩紧固式刀柄。热胀冷缩紧固式刀柄有加热系统，刀柄一般都采用锥部与主轴端面同时接触，其刚性较好，但是刀具可换性较差，一个刀柄只能安装一种连接直径的刀具。由于此类加热系统比较昂贵，在初期时采用 HSK类的刀柄系统即可。当企业的高速机床数量超过3台以上时，采用热胀冷缩紧固式刀柄比较合适。
刀具是高速切削加工中最活跃重要的因素之一，它直接影响着加工效率、制造成本和产品的加工精度。刀具在高速加工过程中要承受高温、高压、摩擦、冲击和振动等载荷，高速切削刀具应具有良好的机械性能和热稳定性，即具有良好的抗冲击、耐磨损和抗热疲劳的特性。高速切削加工的刀具技术发展速度很快，应用较多的如金刚石(PCD)、立方氮化硼(CBN)、陶瓷刀具、涂层硬质合金、(碳)氮化钛硬质合金TIC(N)等。
在加工铸铁和合金钢的切削刀具中，硬质合金是最常用的刀具材料。硬质合金刀具耐磨性好，但硬度比立方氮化硼和陶瓷低。为提高硬度和表面光洁度，采用刀具涂层技术，涂层材料为氮化钛(TiN)、氮化铝钛(TiALN)等。涂层技术使涂层由单一涂层发展为多层、多种涂层材料的涂层，已成为提高高速切削能力的关键技术之一，
直径在10~40mm范围内，且有碳氮化钛涂层的硬质合金刀片能够加工洛氏硬度小于42的材料，而氮化钛铝涂层的刀具能够加工洛氏硬度为42 甚至更高的材料。高速切削钢材时，刀具材料应选用热硬性和疲劳强度高的P类硬质合金、涂层硬质合金、立方氮化硼(CBN)与CBN复合刀具材料(WBN)等。切削铸铁，应选用细晶粒的K类硬质合金进行粗加工，选用复合氮化硅陶瓷或聚晶立方氮化硼(PCNB)复合刀具进行精加工。精密加工有色金属或非金属材料时，应选用聚晶金刚石PCD或CVD金刚石涂层刀具。选择切削参数时，针对圆刀片和球头铣刀，应注意有效直径的概念。高速铣削刀具应按动平衡设计制造。刀具的前角比常规刀具的前角要小，后角略大。主副切削刃连接处应修圆或导角，来增大刀尖角，防止刀尖处热磨损。应加大刀尖附近的切削刃长度和刀具材料体积，提高刀具刚性。在保证安全和满足加工要求的条件下，刀具悬伸尽可能短，刀体中央韧性要好。刀柄要比刀具直径粗壮，连接柄呈倒锥状，以增加其刚性。尽量在刀具及刀具系统中央留有冷却液孔。球头立铣刀要考虑有效切削长度，刃口要尽量短，两螺旋槽球头立铣刀通常用于粗铣复杂曲面，四螺旋槽球头立铣刀通常用于精铣复杂曲面。
四、模具高速加工工艺及策略
高速加工包括以去除余量为目的的粗加工、残留粗加工，以及以获取高质量的加工表面及细微结构为目的的半精加工、精加工和镜面加工等。
1. 粗加工
模具粗加工的主要目标是追求单位时间内的材料去除率，并为半精加工准备工件的几何轮廓。高速加工中的粗加工所应采取的工艺方案是高切削速度、高进给率和小切削用量的组合。等高加工方式是众多CAM软件普遍采用的一种加工方式。应用较多的是螺旋等高和等Z轴等高两种方式，也就是在加工区域仅一次进刀，在不抬刀的情况下生成连续光滑的刀具路径，进、退刀方式采用圆弧切入、切出。螺旋等高方式的特点是，没有等高层之间的刀路移动，可避免频繁抬刀、进刀对零件表面质量的影响及机械设备不必要的耗损。对陡峭和平坦区域分别处理，计算适合等高及适合使用类似3D偏置的区域，并且可以使用螺旋方式，在很少抬刀的情况下生成优化的刀具路径，获得更好的表面质量。在高速加工中，一定要采取圆弧切入、切出连接方式，以及拐角处圆弧过渡，避免突然改变刀具进给方向，禁止使用直接下刀的连接方式，避免将刀具埋入工件。加工模具型腔时，应避免刀具垂直插入工件，而应采用倾斜下刀方式(常用倾斜角为20°~30°)，最好采用螺旋式下刀以降低刀具载荷。加工模具型芯时，应尽量先从工件外部下刀然后水平切入工件。刀具切入、切出工件时应尽可能采用倾斜式(或圆弧式)切入、切出，避免垂直切入、切出。采用攀爬式切削可降低切削热，减小刀具受力和加工硬化程度，提高加工质量。
2. 半精加工
模具半精加工的主要目标是使工件轮廓形状平整，表面精加工余量均匀，这对于工具钢模具尤为重要，因为它将影响精加工时刀具切削层面积的变化及刀具载荷的变化，从而影响切削过程的稳定性及精加工表面质量。
粗加工是基于体积模型，精加工则是基于面模型。以前开发的CAD/CAM系统对零件的几何描述是不连续的，由于没有描述粗加工后、精加工前加工模型的中间信息，故粗加工表面的剩余加工余量分布及最大剩余加工余量均是未知的。因此应对半精加工策略进行优化以保证半精加工后工件表面具有均匀的剩余加工余量。优化过程包括：粗加工后轮廓的计算、最大剩余加工余量的计算、最大允许加工余量的确定、对剩余加工余量大于最大允许加工余量的型面分区(如凹槽、拐角等过渡半径小于粗加工刀具半径的区域)以及半精加工时刀心轨迹的计算等。
现有的模具高速加工C A D /CAM软件大都具备剩余加工余量分析功能，并能根据剩余加工余量的大小及分布情况采用合理的半精加工策略。如MasterCAM软件提供了束状铣削 (Pencil milling)和剩余铣削(Rest milling)等方法来清除粗加工后剩余加工余量较大的角落以保证后续工序均匀的加工余量。
3. 精加工
模具的高速精加工策略取决于刀具与工件的接触点，而刀具与工件的接触点随着加工表面的曲面斜率和刀具有效半径的变化而变化。对于由多个曲面组合而成的复杂曲面加工，应尽可能在一个工序中进行连续加工，而不是对各个曲面分别进行加工，以减少抬刀、下刀的次数。然而，由于加工中表面斜率的变化，如果只定义加工的侧吃刀量(Step over)，就可能造成在斜率不同的表面上实际步距不均匀，从而影响加工质量。
一般情况下，精加工曲面的曲率半径应大于刀具半径的1.5倍，以避免进给方向的突然转变。在模具的高速精加工中，在每次切入、切出工件时，进给方向的改变应尽量采用圆弧或曲线转接，避免采用直线转接，以保持切削过程的平稳性。
高速精加工策略包括三维偏置、等高精加工和最佳等高精加工、螺旋等高精加工等策略。这些策略可保证切削过程光顺、稳定，确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获得很高的精度、光滑的零件表面质量，轻松实现精细区域的加工，如小的圆角、沟槽等。对许多形状来说，精加工最有效的策略是使用三维螺旋策略。使用这种策略可避免使用平行策略和偏置精加工策略中会出现的频繁的方向改变，从而提高加工速度，减少刀具磨损。这个策略可以在很少抬刀的情况下生成连续光滑的刀具路径。这种加工技术综合了螺旋加工和等高加工策略的优点，刀具负荷更稳定，提刀次数更少，可缩短加工时间，减小刀具损坏机率。它还可以改善加工表面质量，最大限地减小精加工后手工打磨的需要。在许多场合需要将陡峭区域的等高精加工和平坦区域三维等距精加工方法结合起来使用。
数控编程也要考虑几何设计和工艺安排，在使用CAM系统进行高速加工数控编程时，除刀具和加工参数根据具体情况选择外，加工方法的选择和采用的编程策略就成为了关键。一名出色的使用CAD/CAM工作站的编程工程师应该同时也是一名合格的设计与工艺师，他应对零件的几何结构有一个正确的理解，具备对于理想工序安排以及合理刀具轨迹设计的知识和概念。
五、高速切削数控编程
高速铣削加工对数控编程系统的要求越来越高，价格昂贵的高速加工设备对软件提出了更高的安全性和有效性要求。高速切削有着比传统切削特殊的工艺要求，除了要有高速切削机床和高速切削刀具外，具有合适的CAM编程软件也是至关重要的。数控加工的数控指令包含了所有的工艺过程，一个优秀的高速加工 CAM编程系统应具有很高的计算速度、较强的插补功能、全程自动过切检查及处理能力、自动刀柄与夹具干涉检查、进给率优化处理功能、待加工轨迹监控功能、刀具轨迹编辑优化功能和加工残余分析功能等。高速切削编程首先要注意加工方法的安全性和有效性;其次，要尽一切可能保证刀具轨迹光滑平稳，这会直接影响加工质量和机床主轴等零件的寿命;最后，要尽量使刀具载荷均匀，这会直接影响刀具的寿命。
1. CAM系统应具有很高的计算编程速度
高速加工中采用非常小的进给量与切深，其NC程序比对传统数控加工程序要大得多，因而要求软件计算速度要快，以节省刀具轨迹编辑和优化编程的时间。
2. 全程自动防过切处理能力及自动刀柄干涉检查能力
高速加工以传统加工近10倍的切削速度进行加工，一旦发生过切对机床、产品和刀具将产生灾难性的后果，所以要求其CAM系统必须具有全程自动防过切处理的能力及自动刀柄与夹具干涉检查、绕避功能。系统能够自动提示最短夹持刀具长度，并自动进行刀具干涉检查。
3. 丰富的高速切削刀具轨迹策略
高速加工对加工工艺走刀方式比传统方式有着特殊要求，为了能够确保最大的切削效率，又保证在高速切削时加工的安全性，CAM系统应能根据加工瞬时余量的大小自动对进给率进行优化处理，能自动进行刀具轨迹编辑优化、加工残余分析并对待加工轨迹监控，以确保高速加工刀具受力状态的平稳性，提高刀具的使用寿命。
采用高速加工设备之后，对编程人员的需求量将会增加，因高速加工工艺要求严格，过切保护更加重要，故需花多的时间对NC指令进行仿真检验。一般情况下，高速加工编程时间比一般加工编程时间要长得多。为了保证高速加工设备足够的使用率，需配置更多的CAM人员。现有的CAM软件，如PowerMILL、 MasterCAM、UnigraphicsNX、Cimatron等都提供了相关功能的高速铣削刀具轨迹策略。
六、结束语
高速切削技术是切削加工技术的主要发展方向之一，目前主要应用于汽车工业和模具行业，尤其是在加工复杂曲面的领域、工件本身或刀具系统刚性要求较高的加工领域等，是多种先进加工技术的集成，其高效、高质量为人们所推崇。它不仅涉及到高速加工工艺，而且还包括高速加工机床、数控系统、高速切削刀具及 CAD/CAM技术等。模具高速加工技术目前已在发达国家的模具制造业中普遍应用，而在我国的应用范围及应用水平仍有待提高，由于其具有传统加工无可比拟的优势，仍将是今后加工技术必然的发展方向。
篇6：试论数控高速加工技术综述
试论数控高速加工技术综述
论文关键词：数控技术 数控高速加工 数控加工技术
论文摘要：高速切削技术是机械制造业发展的必然趋势,其应用将大幅度地提高加工效率和加工质量。高速切削技术不仅涉及到高速切削加工工艺及高速切削机理,而且包括高速切削所用的刀具、机床等诸多因素。本文着重介绍了高速切削各相关技术的研究动态,并对高速切削技术的应用前景进行了展望。
一、 高速加工的技术优势
高速加工在切削原理上是对传统切削认识的突破。据资料介绍,在国外的高速加工试验中已经证实,当切削速度超过一定值(V=600m/min)后,切削速度再增高,切削温度反而降低,在切削过程中产生的热量进入切削并从工件处被带走。试验条件下的测试证明了在大多数应用情况下,切削时工件温度的上升不会超过3℃。相应地,在已给定的金属切除率下,当切削速度超过某一数值之后,实际切削力会近似保持不变。
经过理想的高速加工后,切屑变形及其收缩加工的实现与应用对航空制造业有着重要的意义。高速加工自身必须是一个各相关要素相互协调的系统,是多项先进技术的综合应用,为此机床厂商应进行大力的开发研制,推出与高速加工相关的新技术设备。
二、 数控高速加工的发展现状
实用的高速加工技术跟随引进的先进数控自动生产线、刀具(工具)、数控机床(设备),在机械制造业得到广泛应用,相应的管理模式、技术、理念随之融入企业。在我国航天、航空、汽轮机、模具等行业,程度不同地应用了高速加工技术,其间的差距在于国家对该行业投入资金、引进政策等支持的多少,以及企业家们对高速加工系统技术认识的深浅。相对于汽车制造业而言,这类机械制造行业基本上是属于工艺离散型制造业。其高速加工技术主要表征在对高速数控机床与刀具技术的应用上。目前国内已引进的加工中心、数控镗、铣床主轴转速一般≤8 000r/min(极少有12 000r/min),快进速度≤40m/min。对铸铝、锻铝合金体、高强度铸铁和结构钢件,多采用超细硬质合金、涂层硬质合金刀具材料和标准结构的各类刀具加工。超硬刀具材料及专用结构刀具应用还较少,加之机床主轴转速偏低,一般不能进入高速切削领域。以铣削加工为例,这些行业加工铝合金工件:切削速度1 000m/min,进给速度15m/min,每齿进刀量0.35mm。车削:切削速度700m/min。铣削铸铁、结构钢(含不锈钢)工件:切削速度500m/min,进给速度10m/min,每齿进刀量0.3mm。上述行业中,数控设备利用率仅为25%左右。预计“十五”期间,上述行业将会在应用高速加工技术方面发生跳跃式的进步与发展。
三、 数控高速加工机床的关键技术
高速机床是实现高速切削加工的前提和关键。具有高精度的高转速主轴,具有控制精度高的高轴向进给速度和进给加速度的轴向进给系统,又是高速机床的关键所在。分述如下:
1. 高速主轴
高速主轴是高速切削最关键零件之一。目前主轴转速在10 000～20 000 r/ min的加工中心越来越普及,转速高达100 000 r/ min、200 000 r/ min、250 000 r/ min的实用高速主轴也正在研制开发中。高速主轴转速极高,主轴零件在离心力作用下产生振动和变形,高速运转摩擦和大功率内装电机产生的热会引起高温和变形,所以必须严格控制。为此对高速主轴提出如下性能要求:(1)高转速和高转速范围;(2)足够的刚性和较高的回转精度;(3)良好的热稳定性;(4)大功率;(5)先进的润滑和冷却系统;(6)可靠的主轴监测系统。
2. 快速进给系统
高速切削时,为了保持刀具每齿进给量基本不变,随着主轴转速的提高,进给速度也必须大幅度地提高。目前高速切削进给速度已高达50m/min～120m/min,要实现并准确控制这样的进给速度对机床导轨、滚珠丝杠、伺服系统、工作台结构等提出了新的要求。而且,由于机床上直线运动行程一般较短,高速加工机床必须实现较高的进给加减速才有意义。为了适应进给运动高速化的要求,在高速加工机床上主要采用如下措施:(1)采用新型直线滚动导轨,直线滚动导轨中球轴承与钢导轨之间接触面积很小,其摩擦系数仅为槽式导轨的1/ 20左右,而且使用直线滚动导轨后,“爬行”现象可大大减少;(2)高速进给机构采用小螺距大尺寸高质量滚珠丝杠或粗螺距多头滚珠丝杠,其目的是在不降低精度的前提下获得较高的进给速度和进给加减速度;(3)高速进给伺服系统已发展为数字化、智能化和软件化,高速切削机床己开始采用全数字交流伺服电机和控制技术;(4)为了尽量减少工作台重量但又不损失刚度,高速进给机构通常采用碳纤维增强复合材料;(5)为提高进给速度,更先进、更高速的直线电机己经发展起来。直线电机消除了机械传动系统的间隙、弹性变形等问题,减少了传动摩擦力,几乎没有反向间隙。直线电机具有高加、减速特性,加速度可达2g,为传统驱动装置的10～20倍,进给速度为传统的4～5倍,采用直线电机驱动,具有单位面积推力大、易产生高速运动、机械结构不需要维护等明显优点。
篇7：高速切削加工技术的应用分析
高速切削技术,是以比常规高10倍左右对零件进行切削加工的一项先进制造技术，实践证明,当切削速度提高10 倍,进给速度提高20倍,远远超越传统的切削“禁区”后,切削机理发生了根本的变化。其结果是:单位功率的金属切除率提高了30%-40%,切削力降低了 30%,刀具的切削寿命提高了70%,留于工件的切削热大幅度降低,切削振动几乎消失;切削加工发生了本质性的飞跃。在常规切削加工中备受困惑的一系列问题亦得到了解决,真可谓是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术,是切削加工新的里程碑。
1 高速切削将成为切削加工的新工艺
以高速切削为代表的硬切削、干切削等新型切削工艺已经显示出很多的优点和强大的生命力,这是制造技术为提高加工效率和质量、降低成本、缩短开发周期对切削加工提出的要求。因此,发展高速切削等新型切削工艺,促进制造技术的发展是现代切削技术发展最显著的特点。当代的高速切削不只是切削速度的提高,而是需要在制造技术全面进步和进一步创新上(包括数控机床、刀具材料、涂层、刀具结构等技术的重大进步),达到切削速度和进给速度的成倍提高,并带动传统切削工艺的变革和创新,使制造业整体切削加工效率有显著的提高。硬切削是高速切削技术的一个应用领域,即用单刃或多刃刀具加工淬硬零件,它与传统的磨削加工相比,具有效率高、柔性好、工艺简单、投资少等优点,已在一些应用领域产生较好的效果。在汽车行业,用高速切削技术加工20CrMo5淬硬齿轮 (60RHC)内孔,代替磨削,已成为国内外汽车行业推广的新工艺。在模具行业用高速切削技术高速精铣淬硬钢模具,采取小的走刀步距,中间不接刀,完成型面的精加工,大大减少了抛光的工作量,显著缩短了模具的开发周期,已成为模具制造业的一项新工艺。在机床行业用CBN旋风铣精加工滚珠丝杠代替螺纹磨削, 用硬质合金滚刀加工淬硬齿轮等都显现出很强的生命力。
高速切削派生的另一项新工艺是干切削。切削加工中的切削液对环境的污染、对操作者健康的伤害,成为当前治理的重点,但是对切削液所造成危害的治理增加了制造的成本,导致干切削新技术的开发,并出现了微量润滑切削、冷风切削等准干切削新工艺。当前倡导的干切削并不是简单地把原有工艺中的切削液去掉,降低切削效率,而是进行传统切削工艺的重大变革,为新世纪提供一种清洁、安全、高效的新工艺,这是对切削技术包括刀具材料、涂层、结构的全面挑战。而节省刀具材料的贵重金属资源消耗,开发刀具重磨、回收等新技术也成为切削加工对人类文明和社会进步应尽的责任。
2 加快关键技术的开发应用
2.1 涂层成为提高刀具性能的关键技术
刀具的涂层技术在现代切削加工和刀具的发展中起着十分重要的作用,自从问世以来发展非常迅速,尤其是近几年取得了重大的进展。化学涂层(CVD)仍然是可转位刀片的主要涂层工艺,开发了中温CVD、厚膜三氧化二铝、过渡层等新工艺,在基体材料改善的基础上,使CVD涂层的耐磨性和韧性都得到提高;CVD金刚石涂层也取得了进展,提高了涂层表面光洁度,进入了实用的阶段。目前,国外硬质合金可转位刀片的涂层比例已达70%以上。在此期间,物理涂层(PVD)的进展尤为引人注目,在炉子结构、工艺过程、自动控制等方面都取得了重大进展,不仅开发了适应高速切削、干切削、硬切削的耐热性更好的涂层, 如超级TiAlN,及综合性能更好的TiAlCN 通用涂层和DLC、W/C减摩涂层,而且通过对涂层结构的创新,开发了纳米、多层结构,大幅度提高了涂层硬度和韧性。
PVD涂层技术的新进展,向我们展示了涂层技术对提高刀具性能的巨大潜力和独特的优势:可以通过对涂层工艺参数控制和靶材、反应气体的调整不断开发出新的涂层,以满足加工多样性的需要,是提高和改善刀具性能一项又快又好的技术,有着十分广阔的应用前景。
2.2 刀具结构的创新改变了传统标准刀具千篇 一律的面貌和单一的功能
随着制造业的高速发展,汽车工业、航空航天工业以及模具行业等重点产业部门对切削加工不断提出更高的要求,推动着可转位刀具持续的发展。为汽车工业流水线开发的专用的成套的刀具,突破了传统按需供刀、“闭门造刀”的做法,而成为革新加工工艺、提高加工效率、节省投资的重要工艺因素,发挥新的作用。
为满足航空航天工业高效加工大型铝合金构件的需要,开发了结构新颖的铝合金高速加工面铣刀等刀具。
模具工业的特点是高效、单件、小批生产、模具材料的硬度高加工难度大、形状复杂、金属切除量大、交货周期短,成为推动可转位刀具结构创新的强大动力, 如多功能面铣刀、各种球头铣刀、模块式立铣刀系统、插铣刀、大进给铣刀等等。回顾上世纪90年代以来切削加工的发展,模具工业还是今天高速切削、硬切削、干切削新工艺的发源地。
与此同时,也出现了各种可转位刀片的新结构,如形状复杂的带前角的铣刀刀片、球头立铣刀刀片、防甩飞的高速铣刀刀片等等，
2.3 快速发展的配套技术
切削加工的配套技术是随着切削加工技术的进步而逐渐发展起来的,是现代切削技术不可缺少的组成部分,并与切削技术和刀具保持着快速同步的发展,包括刀柄与机床主轴之间的连接方式、刀具在刀柄里的夹紧方式、刀具系统平衡及刀具管理。
双面接触的空心短锥刀柄(HSK)机床-刀具接口,由于可实现法兰端面和锥柄的同时接触,具有连接刚性好、定位精度高、且装卸时间短等优点,随着高速切削技术的推广,得到了越来越广泛的应用。这种刀柄的结构形式现已成为正式的国际标准,并且也已被众多的机床工具厂商所接受,纷纷推出带HSK主轴接口的高速加工中心和带HSK刀柄的工具系统或整体刀具,显示出这种新型刀柄的强大生命力和很好的使用前景。与此同时,一些公司还开发了与HSK类似的刀柄结构,如Sandvik公司的Capto刀柄,Kennametal公司的KM刀柄。近年来,还出现了双面接触甚至三处接触的7:24接口,以适应现有机床用于高速切削加工的需要。
在高速切削时,刀具的转速在10000~0r/min以上甚至更高,此时,刀体、刀片、及刀片的夹紧零件受到很大离心力的作用,当转速达到某一临界值时,足以使刀片甩出,或者夹紧螺钉断裂、甚至整个刀体破裂。一旦出现这些情况会造成设备或人身伤害事故,因此是应用高速切削技术必须加以防范的事情。为此,德国制定了高速旋转刀具的安全规范,对刀具的设计、检测、使用、平衡质量都作了严格的规定,这项规范已先后成为欧洲标准和国际标准。
3 机床技术
3.1 驱动和传动技术
高速切削机床的直线进给有:电机伺服系统和直线电机驱动系统两种。电机伺服直线进给系统通常由变频调速电机、机械传动环节、滚动导轨滑台和位置调节测量装置组成。它的几何定位精度可以达到5―1 0μm,运动的均匀性误差小于1μm,进给速度Vfj≥40―50m/min,(j=x、y、z),加速能力αj≥5―10m/s2,其他性能指标还有动态轨迹精度,机械传动件的动力学特性和热特性。
直线电机驱动的系统由原始级部件、滑台和位置测量装置构成,也是零传动。它的Vfj≥120 m/min,αj≥25m/s2,动态轨迹精度也高得多。
目前,高速切削机床的主轴多以高频变频调速电机直接驱动,即所谓“零传动”,并且朝着高转速、大功率、大扭矩的方向发展。例如:一种高频电主轴的最高转速n=24000r/min,最大功率p=23KW,最大扭矩M≥79nm。其关键零、部件是控制系统和传感器、电机、轴承。需要解决的技术关键问题有转子转速显示,通过监控电机温度和耗用电流来保护主轴、变频器、冷却剂的流动控制和循环冷却、刀具夹紧系统的动作控制、轴承震动的测量与监控、用阀调节润滑剂压力来调节预紧轴承、主轴密封等等。
3.2 控制和数控技术
高速切削机床部件运动速度高,在单位时间内CNC系统需要处理计算的数据大大增加,要求相应提高处理计算的速度和容量。通过采用功能强大的硬件配置, 如:奔腾芯片、64MB内存(或更高)、1―10G硬盘等,并应用数字化驱动调节和数字化总线技术,高速CNC执行程序块的速度以降低到0.5ms。通过配备空间螺旋线、抛物线、和样条插补功能,速度预控制功能,数字化自动平滑运动轨迹功能,加速和制动时的急动速度监控功能,使它的插补计算精度和容量也获得大幅度提高。此外,CNC通常具备刀具补偿、误差补偿、安全性监控等功能,并安装有高效的CNC专用模拟软件。
4 我国高速切削技术的发展现状和采取措施
我国高速切削技术目前处于起步阶段。就多数企业单位而言,由于缺乏全面认识了解和经验,或者因为资金有限,引进的高技术装备不配套,主要是没有适用的高速刀具和设备,其次缺少CAD/CAM软硬件系统。而且由于缺少优化的工艺技术数据作为参考,进口设备多数没有发挥潜力,经济效益不佳。
当前我国有科研机构和单位应该对与高速切削相关的技术进行研究,对高速切削的机理进行科学的分析和实验,夯实理论基础,做好基础理论的预研工作。国外工具公司面对我国制造业快速发展的大好形势和广阔前景,加快了在中国实现本地化生产或服务的步伐,以降低制造成本、提高服务能力、缩短交货周期,应该说, 外国刀具公司进军中国市场为我们应用先进刀具改造传统制造业提供了十分有利的条件。我们要抓住这个有利时机,积极采用先进刀具,为提高企业的加工技术和竞争实力服务,迎接经济全球化的挑战。先进的切削技术和刀具是我国发展汽车工业、航空航天工业、能源工业和配套的模具工业必备的前提条件。在这样的大好机遇面前,我们要充分利用先进的切削技术和刀具,为发展我国的制造业服务。
篇8：用于模具工业的高速加工技术
本文介绍高速加工技术的主要特点，论述用于模具工业的高速机床、高速刀具和高速CAD/CAM系统等关键技术，列举一些应用实例和使用效果，指出高速加工技术在模具工业中广阔的应用前景，
模具是制造业中使用量大、影响面广的工具产品。没有型腔模、压铸模、铸模、深拉模和冲压模，就无法生产出被广泛应用和具有竞争价格的塑料件、合金压铸件、钢板件和锻件。在现代批量生产中，没有高水平的模具，就没有高质量的产品，它对企业提高生产效率、降低生产成本也有重要的作用。据国外最新统计分析，金属零件粗加工的75%、精加工的50%和塑料零件的90%是用模具加工完成的。因此，模具工业也被称为“皇冠工业”。如今，模具制造已成为先进制造技术的一个重要组成部分。
制造模具的材料通常是一类难加工材料，目前国内模具型腔一般都用电火花加工(EDM)成型。但电加工的生产效率很低，不论在模具开发速度方面还是模具制造质量方面，都不能满足现代批量生产的要求。
高速加工技术的出现，为模具制造技术开辟了一条崭新的道路。尽可能用高速加工来代替电加工，是加快模具开发速度、提高模具制造质量的必然趋势。
模具高速加工的优越性
不论是冲压模具还是塑料模具(包括注射模、挤压模、吹塑模等)，为了提高其使用寿命，构成模具型腔的有关零件一般都用高强度的耐磨材料制造(如各种牌号的合金结构钢、合金工具钢和不锈钢等)，这些材料经过热处理後硬度很高，很难用常规的机械加工方法进行加工。几十年来，对付这类难加工材料的最好办法就是用特种加工。
在中国，模具的型腔加工至今仍然是电火花加工一统天下，电火花加工(包括成形加工和线切割)在模具制造中一直起着十分重要的作用。
生产的发展和产品更新换代速度的加快，对模具的生产效率和制造质量提出了越来越高的要求，于是电火花加工存在的问题就逐渐暴露出来。从物理本质上说，电火花加工是一种靠放电烧蚀的“微切削”工艺，加工过程非常之缓慢；在电火花对工件表面进行局部高温放电烧蚀过程中，工件材料表面的物理-机械性能会受到一定程度的损伤，常常会在型腔表面产生微细裂纹，表面粗糙度也达不到模具的要求，因而经过电加工後的型腔类零件一般还要进行费力、费时的手工研磨和抛光。因此，电火花加工的生产效率很低，制造质量不稳定，在许多场合，模具已成为影响新产品开发速度的一个关键因素。
20世纪90年代以来，在国外模具工业中开始逐渐应用高速切削(HSC)方法进行型腔的加工，并且取得了很好的效果。和电火花加工相比，高速加工的主要优点是：
(1)产品质量好—高速切削以高于常规切速10倍左右的切削速度对零件进行高速加工，毛坯材料的馀量还来不及充分变形就在瞬间被切离工件，工件表面的残馀应力非常小；切削过程中产生的绝大多数热量(95%以上)被切屑迅速带走，工件的热变形小；高速加工过程中，机床主轴以极高的转速(10000~80000 r/min)运转，激振频率远远离开了“机床—刀具—工件”系统的固有频率范围，零件加工过程平稳无冲击。因此零件的加工精度高，表面质量好，粗糙度可达Ra 0.6μm以上。经过高速铣削的型腔，表面质量能达到磨削的水平，故常常可省去後续的许多精加工工序。
(2)生产效率高—用高速加工中心或高速铣床加工模具，可以在工件一次装夹中，完成型腔的粗、精加工和模具零件其它部位的机械加工，即所谓“一次过”技术(One Pass Machining)，切削速度很高，加工过程本身的效率比电加工要高出好几倍。除此以外，它既不要做电极，常常也不需要後续的手工研磨与抛光，又容易实现加工过程自动化。因此，高速加工技术的应用，使模具的开发速度大为提高。
(3)能加工形状复杂的硬质零件和薄壁零件—由高速切削机理可知，高速切削时，切削力大为减少，切削过程变得比较轻松。高速切削可以加工淬火钢，材料硬度可高达60HRC以上，加工过程甚至可以不用切削液，这就是所谓的硬切削(Hard Machining)和乾切削(Dry Machining)。尤其可贵的是，在高速加工中，横向切削力(Py)很小，这就有利于加工复杂模具型腔中一些细筋和薄壁，其壁厚甚至可以小于1mm。
高速加工制造薄壁零件
近几年来，高速加工技术在国外已广泛用于模具工业。在工业发达国家，据统计目前有85%左右的模具电火花成形加工工序已被高速加工所替代。高速加工在国际模具制造工艺中的主流地位已经确立。原来一些从事电加工设备制造的着名公司(如瑞士Agie公司)，已敏感地看到这一技术发展趋势，为了不被模具设备场淘汰出局，已取了与高速机床制造厂家(如瑞士Mikron)联手合并的措施。
模具工业中的高速机床
对模具工业中使用的高速机床主要有下列要求：
(1)主轴转速高、功率大—为了适应模具型腔曲面的高速加工，刀具的半径应小于型腔曲面的最小圆角半径，以免加工过程中刀具与工件发生“干涉”(实际上是过
(2)机床刚度好—模具材料的强度和硬度都很高，加上常常用伸长量较大的小直径端铣刀加工模具型腔，因此加工过程容易发生颤振，一般都用精度高、刚度大的高速电主轴。为了确保零件的加工精度和表面质量，用于模具制造的高速机床必须有很高的静、动刚度，以提高机床的定位精度、跟踪精度和抗振能力。
(3)主轴转动和工作台(溜板)直线运动都要有极高的加速度—主轴从启动加速到最高转速(一般高于10000 r/min)，通常只用1~2秒的时间。工作台的加、减速度也从常规数控机床的0.1g?0.2g提高到1~5g(g为重力加速度，g=9.81m/s2)，以便可靠地实现小圆角半径曲面的高速加工，并达到必要的型面几何精度。在模具制造中，对机床的进给速度则不要求太高，一般有30m/min即可。近年来，矢量控制的变频调速永磁式主轴电动机和大推力、大行程直线电动机在高速机床上的应用，为模具制造中广泛用高速加工技术提供了更加有利的条件。
对于一些复杂模具的制造，可以用五轴联动加工中心。这种机床除三个坐标的直线运动外，主轴头上的刀具还可实现两个旋转坐标的圆周进给运动。铣头和工作台可以实现多轴联动，特别适用于加工具有复杂型腔曲面的模具零件。对于大型复杂模具，还可用龙门式五轴加工中心。
瑞士Mikron公司的HSM600U型高速加工中心，机床加工范围800mm×600mm×5000mm，主轴可选用Step-Tec公司最高转速为30000r/min、36000r/min、42000r/min或60000r/min的高速电主轴，当用36000r/min电主轴时，功率为32KW(40%ED)/24KW(100%ED)。主轴用氮化硅(Si3N4)陶瓷球轴承，配以油-气润滑。进给速度40m/min，加速度1.7g，刀库容量为15~68把刀，立柱用龙门式框架结构，刚度高，特别适用于模具制造。
模具制造中的高速刀具
在高速切削应用于模具工业的历程中，刀具的地位举足轻重。高速切削时产生的切削热和对刀具的磨损比普通速度切削时要高得多，因此高速切削对刀具材料的性能有更高的要求。要求刀具材料：(1)硬度高、强度高、耐磨性好；(2)韧度高、抗冲击能力强；(3)热硬性和化学稳定性好，抗热冲击能力强。在工程实际中，同时满足这些要求的刀具材料至今还没有找到。目前，一般都在有较高抗冲击能力刀具材料的基体上，覆盖一层或多层具有高热硬性和高耐磨性的涂层，做成高速刀具。另外，也可将CBN或金刚石等超硬材料烧结在硬质合金或陶瓷材料的基体上，形成综合性能非常好的高速加工刀具。刀具材料主要根据工件材料、加工工序、加工精度与表面质量的要求来选择。
除了正确选择刀具材料以外，刀具结构与精度、切削刃的几何参数、排屑与断屑功能、刀具的动平衡等对高速切削的生产效率、表面质量、刀具寿命等也有很大的影响，必须精心设计或选择。至于刀具和机床的连接方式，目前在高速加工中已基本上不用传统的7：24长锥度刀柄，而广泛用锥部与主轴端面同时接触的HSK空心刀柄，其锥度为1：10，以确保高速运转刀具的安全和轴向加工精度。
型腔的粗加工、半精加工和精加工一般用球头铣刀，球头铣刀的直径一般从1mm到12mm。最终的精加工应尽可能用同一把球头铣刀连续完成整个型面的加工，其直径应小于模具型腔曲面的最小曲率半径。
用球头铣刀，既可避免和模具型腔几何曲面发生干涉，又可避免一般铣刀中心区的切削速度等于零造成的麻烦。模具零件平面的粗、精加工则可采用带转位刀片的端铣刀。
高速铣削是目前高速切削技术中应用最多的一种工艺技术，所用的刀具包括端铣刀、立铣刀和球头铣刀，这类刀具以瑞典Sandvik公司和美国Kennametal公司的产品最为有名，中国也开始生产这类刀具。以往有不少企业家只重视机床设备的投资，却忽视了与之配套的高速刀具的购置，结果使高速机床不能充分发挥作用，这是认识上的一个误区，应该予以纠正。
CAD/CAM在模具工业中的应用
模具制造业是最早应用计算机技术来提高设计、制造水平的机械行业之一。自从高速加工技术被引进模具工业以来，计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助测量(CAT)、反求工程(RE)、计算机辅助工程(CAE)、计算机辅助制造(CAM)和快速原型制造(RP)等在模具制造中获得了广泛而有效的应用。下面只简要介绍高速加工中CAD技术和CAM技术的应用情况。
计算机辅助设计(CAD)主要用来解决产品造型设计问题，可完成模具设计和产品可装配性检查等工作。常用的软件有UG，Pro/Engineer，Mastercam和Cimatron等，这些软件都具有模具设计开发功能。运用知识工程技术(KBE)，把模具设计的原理、经验、技能和规范等结合到系统中，设计人员只要输入工况参数、工程参数或应用要求，系统就能自动推理构造出符合要求的数字化几何模型
由于模具的型腔大多由复杂曲面构成，在高速数控机床上加工时，CAM的数控编程是一项繁重的工作，编程质量在很大程度上决定了模具的加工质量。影响模具零件编程质量的主要因素有：加工工艺路线、刀具类型、切削用量、转角清根的处理以及加工精度与过切的检查等。高速加工的工艺路线是影响模具制造质量的主要因素。以往加工工艺是否合理完全决定于编程人员的个人经验，一不小心，常会忽略一些技术细节，如：下刀点不正确、抬刀的安全高度不够、没有定义过切检查面等。如果复查不严，不及时纠正，轻者会降低模具制造质量，造成工件返工；重者造成工件报废，甚至发生人身设备事故。
在高级CAM软件的虚拟加工仿真环境下，这个问题可以得到很好的解决：在计算机上虚构出高速数控机床的加工环境，放上一个预先做好的“毛坯”，让“刀具”进行动态模拟仿真，其情形就像真实加工过程一样。但仿真过程可以随时暂停，仿真时间可以自由控制，以便编程人员进行检查。模拟仿真结束後，编程人员即可根据“刀具”运行的情况和“工件”加工後的形状来调整加工工艺路线。这种虚拟加工技术，既可减轻编程人员的精神负担，又可保证模具的制造质量。用高速切削技术(HSC)和CAD/CAM技术後，模具的生产周期可缩短约40%。
应用实效
生产实践表明，高速加工技术在模具制造中有加工精度高、表面质量好和生产效率高等特点。以下举几个典型的应用实例。
以用于制造插座的压铸模具为例，材料的硬度为54HRC。用传统加工时的工艺过程是：粗加工—线切割—淬火—EDM成形—抛光，加工总工时为55h。用高速加工时的工艺过程是：粗加工—淬火—HSC—抛光，加工总工时仅为14.5h。工效提高近4倍。高速加工後的模具表面质量极佳，还可大幅度降低生产成本。
另一个例子是连杆的锻模，材料硬度为60HRC，原来用电火花加工型腔需15h，电极制作需2h，共计17h。改用高速硬铣削後，表面粗糙度达Ra0.5~0.6μm，质量完全符合要求，整个锻模加工只需200min，工效提高5倍。
如表1所列，当用直径为3mm的球头铣刀对锻模型面进行精铣加工时，为了实现151m/min的切削速度，主轴转速应达到16000r/min。
以生产卡车外壳的大型模具为例，现在用高速加工方法制造，粗加工刀具为直径25.4mm的球头铣刀，主轴转速9000r/min，进给速度5000mm/min；精加工刀具为直径8mm的球头铣刀，主轴转速20000r/min，进给量2000mm/min，高速铣削後达到的表面粗糙度为1μm。因此不必再进行手工研磨，只用油石抛光。和原来用的电加工工艺相比，手工操作时间减少了40%。
在某注塑模的高速加工中，材料硬度为56~58HRC。原来用电加工，每个零件需时90min；用直径为12mm球头铣刀以主轴转速15000r/min、工作台进给1500mm/min进行超高速加工後，加工每个零件只需5min，工效提高18倍。
这些实例说明，高速切削技术在模具制造中的应用效果是很好的，必须尽快推广应用。
发展前景
高速加工的加工精度高、表面质量好，生产效率很高，在模具工业中的应用效果非常好，传统的电加工工艺无法与之匹敌，完全符合现代制造技术“高效率、高精度和高度自动化”的发展方向，有广阔的应用前景。
当然，电火花成形加工对一些尖角、窄槽、深小孔和过于复杂的型腔表面的精密加工还是有用的。高速加工还不能完全代替电火花成形加工，两者应该扬长避短，相辅相成。同时应该看到，高速加工的一次性设备投资比较大，并不是所有模具厂都能承受，而且中国目前还有大量的小型模具厂和电加工作坊存在，短期内高速加工对电加工还不会造成太大的威胁。但是应该看到，高速加工在发达国家模具制造工业中已处于主流地位，目前更以其巨大的优势，猛烈地冲击传统的电加工工艺，模具工业大规模设备更新的时代即将到来，有远见、有实力的企业家应该首选高速加工这个当今世界模具制造的主流技术，主动迎接新技术革命的挑战。
本文介绍高速加工技术的主要特点，论述用于模具工业的高速机床、高速刀具和高速CAD/CAM系统等关键技术，列举一些应用实例和使用效果，指出高速加工技术在模具工业中广阔的应用前景，
模具是制造业中使用量大、影响面广的工具产品。没有型腔模、压铸模、铸模、深拉模和冲压模，就无法生产出被广泛应用和具有竞争价格的塑料件、合金压铸件、钢板件和锻件。在现代批量生产中，没有高水平的模具，就没有高质量的产品，它对企业提高生产效率、降低生产成本也有重要的作用。据国外最新统计分析，金属零件粗加工的75%、精加工的50%和塑料零件的90%是用模具加工完成的。因此，模具工业也被称为“皇冠工业”。如今，模具制造已成为先进制造技术的一个重要组成部分。
制造模具的材料通常是一类难加工材料，目前国内模具型腔一般都用电火花加工(EDM)成型。但电加工的生产效率很低，不论在模具开发速度方面还是模具制造质量方面，都不能满足现代批量生产的要求。
高速加工技术的出现，为模具制造技术开辟了一条崭新的道路。尽可能用高速加工来代替电加工，是加快模具开发速度、提高模具制造质量的必然趋势。
模具高速加工的优越性
不论是冲压模具还是塑料模具(包括注射模、挤压模、吹塑模等)，为了提高其使用寿命，构成模具型腔的有关零件一般都用高强度的耐磨材料制造(如各种牌号的合金结构钢、合金工具钢和不锈钢等)，这些材料经过热处理後硬度很高，很难用常规的机械加工方法进行加工。几十年来，对付这类难加工材料的最好办法就是用特种加工。
在中国，模具的型腔加工至今仍然是电火花加工一统天下，电火花加工(包括成形加工和线切割)在模具制造中一直起着十分重要的作用。
生产的发展和产品更新换代速度的加快，对模具的生产效率和制造质量提出了越来越高的要求，于是电火花加工存在的问题就逐渐暴露出来。从物理本质上说，电火花加工是一种靠放电烧蚀的“微切削”工艺，加工过程非常之缓慢；在电火花对工件表面进行局部高温放电烧蚀过程中，工件材料表面的物理-机械性能会受到一定程度的损伤，常常会在型腔表面产生微细裂纹，表面粗糙度也达不到模具的要求，因而经过电加工後的型腔类零件一般还要进行费力、费时的手工研磨和抛光。因此，电火花加工的生产效率很低，制造质量不稳定，在许多场合，模具已成为影响新产品开发速度的一个关键因素。
20世纪90年代以来，在国外模具工业中开始逐渐应用高速切削(HSC)方法进行型腔的加工，并且取得了很好的效果。和电火花加工相比，高速加工的主要优点是：
(1)产品质量好—高速切削以高于常规切速10倍左右的切削速度对零件进行高速加工，毛坯材料的馀量还来不及充分变形就在瞬间被切离工件，工件表面的残馀应力非常小；切削过程中产生的绝大多数热量(95%以上)被切屑迅速带走，工件的热变形小；高速加工过程中，机床主轴以极高的转速(10000~80000 r/min)运转，激振频率远远离开了“机床—刀具—工件”系统的固有频率范围，零件加工过程平稳无冲击。因此零件的加工精度高，表面质量好，粗糙度可达Ra 0.6μm以上。经过高速铣削的型腔，表面质量能达到磨削的水平，故常常可省去後续的许多精加工工序。
(2)生产效率高—用高速加工中心或高速铣床加工模具，可以在工件一次装夹中，完成型腔的粗、精加工和模具零件其它部位的机械加工，即所谓“一次过”技术(One Pass Machining)，切削速度很高，加工过程本身的效率比电加工要高出好几倍。除此以外，它既不要做电极，常常也不需要後续的手工研磨与抛光，又容易实现加工过程自动化。因此，高速加工技术的应用，使模具的开发速度大为提高。
(3)能加工形状复杂的硬质零件和薄壁零件—由高速切削机理可知，高速切削时，切削力大为减少，切削过程变得比较轻松。高速切削可以加工淬火钢，材料硬度可高达60HRC以上，加工过程甚至可以不用切削液，这就是所谓的硬切削(Hard Machining)和乾切削(Dry Machining)。尤其可贵的是，在高速加工中，横向切削力(Py)很小，这就有利于加工复杂模具型腔中一些细筋和薄壁，其壁厚甚至可以小于1mm。
高速加工制造薄壁零件
近几年来，高速加工技术在国外已广泛用于模具工业。在工业发达国家，据统计目前有85%左右的模具电火花成形加工工序已被高速加工所替代。高速加工在国际模具制造工艺中的主流地位已经确立。原来一些从事电加工设备制造的着名公司(如瑞士Agie公司)，已敏感地看到这一技术发展趋势，为了不被模具设备场淘汰出局，已取了与高速机床制造厂家(如瑞士Mikron)联手合并的措施。
模具工业中的高速机床
对模具工业中使用的高速机床主要有下列要求：
(1)主轴转速高、功率大—为了适应模具型腔曲面的高速加工，刀具的半径应小于型腔曲面的最小圆角半径，以免加工过程中刀具与工件发生“干涉”(实际上是过
(2)机床刚度好—模具材料的强度和硬度都很高，加上常常用伸长量较大的小直径端铣刀加工模具型腔，因此加工过程容易发生颤振，一般都用精度高、刚度大的高速电主轴。为了确保零件的加工精度和表面质量，用于模具制造的高速机床必须有很高的静、动刚度，以提高机床的定位精度、跟踪精度和抗振能力。
(3)主轴转动和工作台(溜板)直线运动都要有极高的加速度—主轴从启动加速到最高转速(一般高于10000 r/min)，通常只用1~2秒的时间。工作台的加、减速度也从常规数控机床的0.1g?0.2g提高到1~5g(g为重力加速度，g=9.81m/s2)，以便可靠地实现小圆角半径曲面的高速加工，并达到必要的型面几何精度。在模具制造中，对机床的进给速度则不要求太高，一般有30m/min即可。近年来，矢量控制的变频调速永磁式主轴电动机和大推力、大行程直线电动机在高速机床上的应用，为模具制造中广泛用高速加工技术提供了更加有利的条件。
对于一些复杂模具的制造，可以用五轴联动加工中心。这种机床除三个坐标的直线运动外，主轴头上的刀具还可实现两个旋转坐标的圆周进给运动。铣头和工作台可以实现多轴联动，特别适用于加工具有复杂型腔曲面的模具零件。对于大型复杂模具，还可用龙门式五轴加工中心。
瑞士Mikron公司的HSM600U型高速加工中心，机床加工范围800mm×600mm×5000mm，主轴可选用Step-Tec公司最高转速为30000r/min、36000r/min、42000r/min或60000r/min的高速电主轴，当用36000r/min电主轴时，功率为32KW(40%ED)/24KW(100%ED)。主轴用氮化硅(Si3N4)陶瓷球轴承，配以油-气润滑。进给速度40m/min，加速度1.7g，刀库容量为15~68把刀，立柱用龙门式框架结构，刚度高，特别适用于模具制造。
模具制造中的高速刀具
在高速切削应用于模具工业的历程中，刀具的地位举足轻重。高速切削时产生的切削热和对刀具的磨损比普通速度切削时要高得多，因此高速切削对刀具材料的性能有更高的要求。要求刀具材料：(1)硬度高、强度高、耐磨性好；(2)韧度高、抗冲击能力强；(3)热硬性和化学稳定性好，抗热冲击能力强。在工程实际中，同时满足这些要求的刀具材料至今还没有找到。目前，一般都在有较高抗冲击能力刀具材料的基体上，覆盖一层或多层具有高热硬性和高耐磨性的涂层，做成高速刀具。另外，也可将CBN或金刚石等超硬材料烧结在硬质合金或陶瓷材料的基体上，形成综合性能非常好的高速加工刀具。刀具材料主要根据工件材料、加工工序、加工精度与表面质量的要求来选择。
除了正确选择刀具材料以外，刀具结构与精度、切削刃的几何参数、排屑与断屑功能、刀具的动平衡等对高速切削的生产效率、表面质量、刀具寿命等也有很大的影响，必须精心设计或选择。至于刀具和机床的连接方式，目前在高速加工中已基本上不用传统的7：24长锥度刀柄，而广泛用锥部与主轴端面同时接触的HSK空心刀柄，其锥度为1：10，以确保高速运转刀具的安全和轴向加工精度。
型腔的粗加工、半精加工和精加工一般用球头铣刀，球头铣刀的直径一般从1mm到12mm。最终的精加工应尽可能用同一把球头铣刀连续完成整个型面的加工，其直径应小于模具型腔曲面的最小曲率半径。
用球头铣刀，既可避免和模具型腔几何曲面发生干涉，又可避免一般铣刀中心区的切削速度等于零造成的麻烦。模具零件平面的粗、精加工则可采用带转位刀片的端铣刀。
高速铣削是目前高速切削技术中应用最多的一种工艺技术，所用的刀具包括端铣刀、立铣刀和球头铣刀，这类刀具以瑞典Sandvik公司和美国Kennametal公司的产品最为有名，中国也开始生产这类刀具。以往有不少企业家只重视机床设备的投资，却忽视了与之配套的高速刀具的购置，结果使高速机床不能充分发挥作用，这是认识上的一个误区，应该予以纠正。
CAD/CAM在模具工业中的应用
模具制造业是最早应用计算机技术来提高设计、制造水平的机械行业之一。自从高速加工技术被引进模具工业以来，计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助测量(CAT)、反求工程(RE)、计算机辅助工程(CAE)、计算机辅助制造(CAM)和快速原型制造(RP)等在模具制造中获得了广泛而有效的应用。下面只简要介绍高速加工中CAD技术和CAM技术的应用情况。
计算机辅助设计(CAD)主要用来解决产品造型设计问题，可完成模具设计和产品可装配性检查等工作。常用的软件有UG，Pro/Engineer，Mastercam和Cimatron等，这些软件都具有模具设计开发功能。运用知识工程技术(KBE)，把模具设计的原理、经验、技能和规范等结合到系统中，设计人员只要输入工况参数、工程参数或应用要求，系统就能自动推理构造出符合要求的数字化几何模型
由于模具的型腔大多由复杂曲面构成，在高速数控机床上加工时，CAM的数控编程是一项繁重的工作，编程质量在很大程度上决定了模具的加工质量。影响模具零件编程质量的主要因素有：加工工艺路线、刀具类型、切削用量、转角清根的处理以及加工精度与过切的检查等。高速加工的工艺路线是影响模具制造质量的主要因素。以往加工工艺是否合理完全决定于编程人员的个人经验，一不小心，常会忽略一些技术细节，如：下刀点不正确、抬刀的安全高度不够、没有定义过切检查面等。如果复查不严，不及时纠正，轻者会降低模具制造质量，造成工件返工；重者造成工件报废，甚至发生人身设备事故。
在高级CAM软件的虚拟加工仿真环境下，这个问题可以得到很好的解决：在计算机上虚构出高速数控机床的加工环境，放上一个预先做好的“毛坯”，让“刀具”进行动态模拟仿真，其情形就像真实加工过程一样。但仿真过程可以随时暂停，仿真时间可以自由控制，以便编程人员进行检查。模拟仿真结束後，编程人员即可根据“刀具”运行的情况和“工件”加工後的形状来调整加工工艺路线。这种虚拟加工技术，既可减轻编程人员的精神负担，又可保证模具的制造质量。用高速切削技术(HSC)和CAD/CAM技术後，模具的生产周期可缩短约40%。
应用实效
生产实践表明，高速加工技术在模具制造中有加工精度高、表面质量好和生产效率高等特点。以下举几个典型的应用实例。
以用于制造插座的压铸模具为例，材料的硬度为54HRC。用传统加工时的工艺过程是：粗加工—线切割—淬火—EDM成形—抛光，加工总工时为55h。用高速加工时的工艺过程是：粗加工—淬火—HSC—抛光，加工总工时仅为14.5h。工效提高近4倍。高速加工後的模具表面质量极佳，还可大幅度降低生产成本。
另一个例子是连杆的锻模，材料硬度为60HRC，原来用电火花加工型腔需15h，电极制作需2h，共计17h。改用高速硬铣削後，表面粗糙度达Ra0.5~0.6μm，质量完全符合要求，整个锻模加工只需200min，工效提高5倍。
如表1所列，当用直径为3mm的球头铣刀对锻模型面进行精铣加工时，为了实现151m/min的切削速度，主轴转速应达到16000r/min。
以生产卡车外壳的大型模具为例，现在用高速加工方法制造，粗加工刀具为直径25.4mm的球头铣刀，主轴转速9000r/min，进给速度5000mm/min；精加工刀具为直径8mm的球头铣刀，主轴转速20000r/min，进给量2000mm/min，高速铣削後达到的表面粗糙度为1μm。因此不必再进行手工研磨，只用油石抛光。和原来用的电加工工艺相比，手工操作时间减少了40%。
在某注塑模的高速加工中，材料硬度为56~58HRC。原来用电加工，每个零件需时90min；用直径为12mm球头铣刀以主轴转速15000r/min、工作台进给1500mm/min进行超高速加工後，加工每个零件只需5min，工效提高18倍。
这些实例说明，高速切削技术在模具制造中的应用效果是很好的，必须尽快推广应用。
发展前景
高速加工的加工精度高、表面质量好，生产效率很高，在模具工业中的应用效果非常好，传统的电加工工艺无法与之匹敌，完全符合现代制造技术“高效率、高精度和高度自动化”的发展方向，有广阔的应用前景。
当然，电火花成形加工对一些尖角、窄槽、深小孔和过于复杂的型腔表面的精密加工还是有用的。高速加工还不能完全代替电火花成形加工，两者应该扬长避短，相辅相成。同时应该看到，高速加工的一次性设备投资比较大，并不是所有模具厂都能承受，而且中国目前还有大量的小型模具厂和电加工作坊存在，短期内高速加工对电加工还不会造成太大的威胁。但是应该看到，高速加工在发达国家模具制造工业中已处于主流地位，目前更以其巨大的优势，猛烈地冲击传统的电加工工艺，模具工业大规模设备更新的时代即将到来，有远见、有实力的企业家应该首选高速加工这个当今世界模具制造的主流技术，主动迎接新技术革命的挑战。
。有的设计软件(如UG)还具有数据读入、零件建模、缩放控制、自动模型布局、分模等功能，通过使用过程模板和标准件库，把过程向导技术应用于模具的优化设计中，使只有最基础模具设计概念的初级设计人员也能设计出高质量的模具来，大大提高了模具设计工作的效率。切)，所以加工中常用小直径的球头铣刀。由于刀具直径小(1~12mm)，因此要求主轴的转速非常高，有的高达20000-80000 r/min，以便实现高速切削；型腔的粗、精加工常常在工件一次装夹中完成，故主轴功率要大，中等尺寸加工中心的主轴功率常为10KW到40KW，有的甚至更高。
★加工合同
文档为doc格式
