一、前言

　　在現代模具生產中，隨著對塑件的雅觀度及功效請求得越來越高，塑件內部結構設計得越來越復雜，模具的外形設計也日趨復雜，自由曲面所占比例不斷增加，相應的模具結構也設計得越來越復雜。這些都對模具加工技巧提出了更高請求，不僅應保證高的制作精度和表面質量，而且要尋求加工表面的雅觀。隨著對高速加工技巧研究的不斷深進，尤其在加工機床、數控系統、刀具系統、CAD/CAM軟件等相干技巧不斷發展的推動下，高速加工技巧已越來越多地利用于模具型腔的加工與制作中。
　　　數控高速切削加工作為模具制作中最為重要的一項先進制作技巧，是集高效、優質、低耗于一身的先進制作技巧。相對于傳統的切削加工，其切削速度、進給速度有了很大的提高，而且切削機理也不雷同。高速切削使切削加工產生了本質性的奔跑，其單位功率的金屬切除率提高了30%~40%，切削力下降了30%，刀具的切削壽命提高了70%，留于工件的切削熱大幅度下降，低階切削振動幾乎消散。隨著切削速度的提高，單位時間毛坯材料的往除率增加了，切削時間減少了，加工效率提高了，從而縮短了產品的制作周期，提高了產品的市場競爭力。同時，高速加工的小量快進使切削力減少了，切屑的高速排出減少了工件的切削力和熱應力變形，提高了剛性差和薄壁零件切削加工的可能性。由于切削力的下降，轉速的提高使切削系統的工作頻率闊別機床的低階固有頻率，而工件的表面粗糙度對低階頻率最為敏感，由此下降了表面粗糙度。在模具的高淬硬鋼件（HRC45~HRC65）的加工過程中，采用高速切削可以代替電加工和磨削拋光的工序，從而避免了電極的制作和費時的電加工，大幅度減少了鉗工的打磨與拋光量。對于一些市場上越來越需要的薄壁模具工件，高速銑削也可順利完成，而且在高速銑削CNC加工中心上，模具一次裝夾可完成多工步加工。
　　 高速加工技巧對模具加工工藝產生了宏大影響，轉變了傳統模具加工采用的“退火→銑削加工→熱處理→磨削”或“電火花加工→手工打磨、拋光”等復雜冗長的工藝流程，甚至可用高速切削加工調換本來的全部工序。高速加工技巧除可利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電極加工、快速樣件制作等方面也得到了廣泛利用。大批生產實踐表明，利用高速切削技巧可節儉模具后續加工中約80%的手工研磨時間，節儉加工本錢用度近30%，模具表面加工精度可達1 m，刀具切削效率可提高1倍。

二、高速銑削加工機床

　　 高速切削技巧是切削加工技巧的重要發展方向之一，它隨著CNC技巧、微電子技巧、新材料和新結構等基礎技巧的發展而邁上更高的臺階。由于模具加工的特別性以及高速加工技巧的自身特點，對模具高速加工的相干技巧及工藝系統（加工機床、數控系統、刀具等）提出了比傳統模具加工更高的請求。
　1. 高穩固性的機床支撐部件
　　高速切削機床的床身等支撐部件應具有很好的動、靜剛度，熱剛度和最佳的阻尼特征。大部分機床都采用高質量、高剛性和高抗張性的灰鑄鐵作為支撐部件材料，有的機床公司還在底座中添加高阻尼特征的聚合物混凝土，以增加其抗振性和熱穩固性，這不但可保證機床精度穩固，也可防止切削時刀具振顫。采用封閉式床身設計，整體鑄造床身，對稱床身結構并配有密布的加強筋等也是提高機床穩固性的重要措施。一些機床公司的研發部分在設計過程中，還采用模態分析和有限元結構盤算等，優化了結構，使機床支撐部件更加穩固可靠。
　2. 機床主軸
　　 高速機床的主軸性能是實現高速切削加工的重要條件。高速切削機床主軸的轉速范疇為10000~100000m/min，主軸功率大于15kW。通過主軸壓縮空氣或冷卻系統把持刀柄和主軸間的軸向間隙不大于0.005mm。還請求主軸具有快速升速、在指定地位快速準停的性能（即具有極高的角加減速度），因此高速主軸常采用液體靜壓軸承式、空氣靜壓軸承式、熱壓氮化硅（Si3N4）陶瓷軸承磁懸浮軸承式等結構情勢。潤滑多采用油氣潤滑、噴射潤滑等技巧。主軸冷卻一般采用主軸內部水冷或氣冷。
　3. 機床驅動系統
　　為滿足模具高速加工的需要，高速加工機床的驅動系統應具有下列特征：
　　 （1） 高的進給速度。研究表明，對于小直徑刀具，提高轉速和每齒進給量有利于下降刀具磨損。目前常用的進給速度范疇為20~30m/min，如采用大導程滾珠絲杠傳動，進給速度可達60m/min；采用直線電機則可使進給速度達到120m/min。
　　 （2）高的加速度。對三維復雜曲面廓形的高速加工請求驅動系統具有良好的加速度特征，請求供給高速進給的驅動器（快進速度約40m/min，3D輪廓加工速度為10m/min），能夠供給0.4m/s2到10m/s2的加速度和減速度。
　　 機床制作商大多采用全閉環地位伺服把持的小導程、大尺寸、高質量的滾珠絲杠或大導程多頭絲杠。隨著電機技巧的發展，先進的直線電動機已經問世，并成功利用于CNC機床。先進的直線電動機驅動使CNC機床不再有質量慣性、超前、滯后和振動等標題，加快了伺服響應速度，提高了伺服把持精度和機床加工精度。
　4. 數控系統
　　先進的數控系統是保證模具復雜曲面高速加工質量和效率的關鍵因素，模具高速切削加工對數控系統的基礎請求為：
　 　 （1） 高速的數字把持回路（Digital control loop），包含：32位或64位并行處理器及1.5Gb以上的硬盤；極短的直線電機采樣時間
　 　 （2）速度和加速度的前饋把持（Feed forward control）；數字驅動系統的爬行把持（Jerk control）。
　 　 （3） 先進的插補方法（ 基于NURBS的樣條插補），以獲得良好的表面質量、準確的尺寸和高的幾何精度。
　　　（4）預處理（Look-ahead）功效。請求具有大容量緩沖存放器，可預先瀏覽和檢查多個程序段（如DMG機床可多達500個程序段，Simens系統可達1000~2000個程序段），以便在被加工表面外形（曲率）產生變更時可及時采用轉變進給速度等措施以避免過切等。
　　　（5）誤差補償功效，包含因直線電機、主軸等發熱導致的熱誤差補償、象限誤差補償、丈量系統誤差補償等功效。 此外，模具高速切削加工對數據傳輸速度的請求也很高。
　 　 （6） 傳統的數據接口， 如RS232串行口的傳輸速度為19.2kb，而很多先進的加工中心均已采用以太局域網（Ethernet）進行數據傳輸，速度可達200kb。
　5. 冷卻潤滑
　　高速加工采用帶涂層的硬質合金刀具，在高速、高溫的情況下不用切削液，切削效率更高。這是由于：銑削主軸高速旋轉，切削液若要達到切削區，首先要克服極大的離心力；即使它克服了離心力進進切削區，也可能由于切削區的高溫而立即蒸發，冷卻后果很小甚至沒有；同時切削液會使刀具刃部的溫度激烈變更，輕易導致裂紋的產生，所以要采用油/氣冷卻潤滑的干式切削方法。這種方法可以用高壓氣體敏捷吹走切削區產生的切削，從而將大批的切削熱帶走，同時經霧化的潤滑油可以在刀具刃部和工件表面形成一層極薄的微觀保護膜，可有效地延伸刀具壽命并提高零件的表面質量。

三、高速切削加工的刀柄和刀具

　　　由于高速切削加工時離心力和振動的影響，請求刀具具有很高的幾何精度和裝夾重復定位精度以及很高的剛度和高速動平衡的安全可靠性。由于高速切削加工時較大的離心力和振動等特點，傳統的7:24錐度刀柄系統在進行高速切削時表現出明顯的剛性不足、重復定位精度不高、軸向尺寸不穩固等缺點，主軸的膨脹引起刀具及夾緊機構質心的偏離，影響刀具的動平衡才能。目前利用較多的是HSK高速刀柄和國外現今風行的熱脹冷縮緊固式刀柄。熱脹冷縮緊固式刀柄有加熱系統，刀柄一般都采用錐部與主軸端面同時接觸，其剛性較好，但是刀具可換性較差，一個刀柄只能安裝一種連接直徑的刀具。由于此類加熱系統比擬昂貴，在初期時采用 HSK類的刀柄系統即可。當企業的高速機床數目超過3臺以上時，采用熱脹冷縮緊固式刀柄比擬合適。
　 　 刀具是高速切削加工中最活潑重要的因素之一，它直接影響著加工效率、制作本錢和產品的加工精度。刀具在高速加工過程中要蒙受高溫、高壓、摩擦、沖擊和振動等載荷，高速切削刀具應具有良好的機械性能和熱穩固性，即具有良好的抗沖擊、耐磨損和抗熱疲憊的特征。高速切削加工的刀具技巧發展速度很快，利用較多的如金剛石（PCD）、立方氮化硼（CBN）、陶瓷刀具、涂層硬質合金、（碳）氮化鈦硬質合金TIC（N）等。
　　　在加工鑄鐵和合金鋼的切削刀具中，硬質合金是最常用的刀具材料。硬質合金刀具耐磨性好，但硬度比立方氮化硼和陶瓷低。為提高硬度和表面光潔度，采用刀具涂層技巧，涂層材料為氮化鈦（TiN）、氮化鋁鈦（TiALN）等。涂層技巧使涂層由單一涂層發展為多層、多種涂層材料的涂層，已成為提高高速切削才能的關鍵技巧之一。直徑在10~40mm范疇內，且有碳氮化鈦涂層的硬質合金刀片能夠加工洛氏硬度小于42的材料，而氮化鈦鋁涂層的刀具能夠加工洛氏硬度為42 甚至更高的材料。高速切削鋼材時，刀具材料應選用熱硬性和疲憊強度高的P類硬質合金、涂層硬質合金、立方氮化硼（CBN）與CBN復合刀具材料（WBN）等。切削鑄鐵，應選用細晶粒的K類硬質合金進行粗加工，選用復合氮化硅陶瓷或聚晶立方氮化硼（PCNB）復合刀具進行精加工。精密加工有色金屬或非金屬材料時，應選用聚晶金剛石PCD或CVD金剛石涂層刀具。選擇切削參數時，針對圓刀片和球頭銑刀，應留心有效直徑的概念。高速銑削刀具應按動平衡設計制作。刀具的前角比慣例刀具的前角要小，后角略大。主副切削刃連接處應修圓或導角，來增大刀尖角，防止刀尖處熱磨損。應加大刀尖四周的切削刃長度和刀具材料體積，提高刀具剛性。在保證安全和滿足加工請求的條件下，刀具懸伸盡可能短，刀體中心韌性要好。刀柄要比刀具直徑粗壯，連接柄呈倒錐狀，以增加其剛性。盡量在刀具及刀具系統中心留有冷卻液孔。球頭立銑刀要考慮有效切削長度，刃口要盡量短，兩螺旋槽球頭立銑刀通常用于粗銑復雜曲面，四螺旋槽球頭立銑刀通常用于精銑復雜曲面。

四、模具高速加工工藝及策略

　　高速加工包含以往除余量為目標的粗加工、殘留粗加工，以及以獲取高質量的加工表面及細微結構為目標的半精加工、精加工和鏡面加工等。
　　1. 粗加工
　　模具粗加工的重要目標是尋求單位時間內的材料往除率，并為半精加工準備工件的幾何輪廓。高速加工中的粗加工所應采用的工藝計劃是高切削速度、高進給率和小切削用量的組合。等高加工方法是眾多CAM軟件廣泛采用的一種加工方法。利用較多的是螺旋等高和等Z軸等高兩種方法，也就是在加工區域僅一次進刀，在不抬刀的情況下天生持續光滑的刀具路徑，進、退刀方法采用圓弧切進、切出。螺旋等高方法的特點是，沒有等高層之間的刀路移動，可避免頻繁抬刀、進刀對零件表面質量的影響及機械設備不必要的耗費。對陡峭和平坦區域分辨處理，盤算合適等高及合適應用類似3D偏置的區域，并且可以應用螺旋方法，在很少抬刀的情況下天生優化的刀具路徑，獲得更好的表面質量。在高速加工中，必定要采用圓弧切進、切出連接方法，以及拐角處圓弧過渡，避免忽然轉變刀具進給方向，禁止應用直接下刀的連接方法，避免將刀具埋進工件。加工模具型腔時，應避免刀具垂直插進工件，而應采用傾斜下刀方法（常用傾斜角為20°~30°），最好采用螺旋式下刀以下降刀具載荷。加工模具型芯時，應盡量先從工件外部下刀然后程度切進工件。刀具切進、切出工件時應盡可能采用傾斜式（或圓弧式）切進、切出，避免垂直切進、切出。采用攀爬式切削可下降切削熱，減小刀具受力和加工硬化程度，提高加工質量。
　　2. 半精加工
　　模具半精加工的重要目標是使工件輪廓外形平整，表面精加工余量均勻，這對于工具鋼模具尤為重要，由于它將影響精加工時刀具切削層面積的變更及刀具載荷的變更，從而影響切削過程的穩固性及精加工表面質量。
　　粗加工是基于體積模型，精加工則是基于面模型。以前開發的CAD/CAM系統對零件的幾何描寫是不持續的，由于沒有描寫粗加工后、精加工前加工模型的中間信息，故粗加工表面的剩余加工余量散布及最大剩余加工余量均是未知的。因此應對半精加工策略進行優化以保證半精加工后工件表面具有均勻的剩余加工余量。優化過程包含：粗加工后輪廓的盤算、最大剩余加工余量的盤算、最大答應加工余量的斷定、對剩余加工余量大于最大答應加工余量的型面分區（如凹槽、拐角等過渡半徑小于粗加工刀具半徑的區域）以及半精加工時刀心軌跡的盤算等。
　　現有的模具高速加工C A D /CAM軟件大都具備剩余加工余量分析功效，并能根據剩余加工余量的大小及散布情況采用公平的半精加工策略。如MasterCAM軟件供給了束狀銑削 （Pencil milling）和剩余銑削（Rest milling）等方法來清除粗加工后剩余加工余量較大的角落以保證后續工序均勻的加工余量。
　　3. 精加工
　　模具的高速精加工策略取決于刀具與工件的接觸點，而刀具與工件的接觸點隨著加工表面的曲面斜率和刀具有效半徑的變更而變更。對于由多個曲面組合而成的復雜曲面加工，應盡可能在一個工序中進行持續加工，而不是對各個曲面分辨進行加工，以減少抬刀、下刀的次數。然而，由于加工中表面斜率的變更，假如只定義加工的側吃刀量（Step over），就可能造成在斜率不同的表面上實際步距不均勻，從而影響加工質量。
　　一般情況下，精加工曲面的曲率半徑應大于刀具半徑的1.5倍，以避免進給方向的忽然轉變。在模具的高速精加工中，在每次切進、切出工件時，進給方向的轉變應盡量采用圓弧或曲線轉接，避免采用直線轉接，以保持切削過程的安穩性。
　　高速精加工策略包含三維偏置、等高精加工和最佳等高精加工、螺旋等高精加工等策略。這些策略可保證切削過程光順、穩固，確保能快速切除工件上的材料，得到高精度、光滑的切削表面。精加工的基礎請求是要獲得很高的精度、光滑的零件表面質量，輕松實現精致區域的加工，如小的圓角、溝槽等。對很多外形來說，精加工最有效的策略是應用三維螺旋策略。應用這種策略可避免應用平行策略和偏置精加工策略中會呈現的頻繁的方向轉變，從而提高加工速度，減少刀具磨損。這個策略可以在很少抬刀的情況下天生持續光滑的刀具路徑。這種加工技巧綜合了螺旋加工和等高加工策略的長處，刀具負荷更穩固，提刀次數更少，可縮短加工時間，減小刀具損壞機率。它還可以改良加工表面質量，最大限地減小精加工后手工打磨的需要。在很多場合需要將陡峭區域的等高精加工和平坦區域三維等距精加工方法聯合起來應用。
　　數控編程也要考慮幾何設計和工藝安排，在應用CAM系統進行高速加工數控編程時，除刀具和加工參數根據具體情況選擇外，加工方法的選擇和采用的編程策略就成為了關鍵。一名出色的應用CAD/CAM工作站的編程工程師應當同時也是一名合格的設計與工藝師，他應對零件的幾何結構有一個準確的懂得，具備對于幻想工序安排以及公平刀具軌跡設計的知識和概念。

五、高速切削數控編程

　　高速銑削加工對數控編程系統的請求越來越高，價格昂貴的高速加工設備對軟件提出了更高的安全性和有效性請求。高速切削有著比傳統切削特別的工藝請求，除了要有高速切削機床和高速切削刀具外，具有合適的CAM編程軟件也是至關重要的。數控加工的數控指令包含了所有的工藝過程，一個優良的高速加工CAM編程系統應具有很高的盤算速度、較強的插補功效、全程主動過切檢查及處理才能、主動刀柄與夾具干涉檢查、進給率優化處理功效、待加工軌跡監控功效、刀具軌跡編纂優化功效和加工殘余分析功效等。高速切削編程首先要留心加工方法的安全性和有效性；其次，要盡一切可能保證刀具軌跡光滑安穩，這會直接影響加工質量和機床主軸等零件的壽命；最后，要盡量使刀具載荷均勻，這會直接影響刀具的壽命。
　　1. CAM系統應具有很高的盤算編程速度
　　 高速加工中采用非常小的進給量與切深，其NC程序比對傳統數控加工程序要大得多，因而請求軟件盤算速度要快，以節儉刀具軌跡編纂和優化編程的時間。
　　2. 全程主動防過切處理才能及主動刀柄干涉檢查才能
　　高速加工以傳統加工近10倍的切削速度進行加工，一旦產生過切對機床、產品和刀具將產生災害性的成果，所以請求其CAM系統必需具有全程主動防過切處理的才能及主動刀柄與夾具干涉檢查、繞避功效。系統能夠主動提示最短夾持刀具長度，并主動進行刀具干涉檢查。
　　3. 豐富的高速切削刀具軌跡策略
　　　高速加工對加工工藝走刀方法比傳統方法有著特別請求，為了能夠確保最大的切削效率，又保證在高速切削時加工的安全性，CAM系統應能根據加工瞬時余量的大小主動對進給率進行優化處理，能主動進行刀具軌跡編纂優化、加工殘余分析并看待加工軌跡監控，以確保高速加工刀具受力狀態的安穩性，提高刀具的應用壽命。
　　　采用高速加工設備之后，對編程職員的需求量將會增加，因高速加工工藝請求嚴格，過切保護更加重要，故需花多的時間對NC指令進行仿真檢驗。一般情況下，高速加工編程時間比一般加工編程時間要長得多。為了保證高速加工設備足夠的應用率，需配置更多的CAM職員。現有的CAM軟件，如PowerMILL、 MasterCAM、UnigraphicsNX、Cimatron等都供給了相干功效的高速銑削刀具軌跡策略。

六、結束語

　　高速切削技巧是切削加工技巧的重要發展方向之一，目前重要利用于汽車產業和模具行業，尤其是在加工復雜曲面的范疇、工件本身或刀具系統剛性請求較高的加工范疇等，是多種先進加工技巧的集成，其高效、高質量為人們所推重。它不僅涉及到高速加工工藝，而且還包含高速加工機床、數控系統、高速切削刀具及 CAD/CAM技巧等。模具高速加工技巧目前已在發達國家的模具制作業中廣泛利用，而在我國的利用范疇及利用程度仍有待提高，由于其具有傳統加工無可相比的上風，仍將是今后加工技巧必定的發展方向。