2002年（第十届）全国机床专业学术会议超高速加工及其在模具制造中的应用*张伯霖黄晓明范梦吾广东工业大学机电学院广州市东风东路729号，510090摘要:本文分析了传统电加工工艺在模具制造中存在的主要问题，介绍了超高速加工技术的主要特点，论述了超高速加工用于模具制造的关键技术，列举了一些应用实例和使用效果，指出了超高速加工技术在模具制造中广阔的应用和发展前景。关键词:超高速加工模具电加工机床刀具CAD/CAM中图分类号：TH161文献标识码：A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。据国外权威专家的最新统计分析，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[1]。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。用于制造模具的材料通常是一类难加工材料，模具型腔一般都采用电火花加工（EDM）成型。但电加工的生产效率很低，不论在模具的开发速度方面还是模具质量方面，都不能满足现代批量生产高速发展的要求。超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，尽可能用超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。1模具制造主流工艺的发展与变化为了提高模具的加工性能和使用寿命，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），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后硬度很高，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采用特种加工。在我国，模具的型腔加工至今仍然是电火花加工（EDM）的一统天下，电火花加工（包括成形加工和线切割）在难加工材料的加工方面一直起着十分重要的作用。随着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。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，因而经过电加工后的零件一般还要进行费时的手工研磨和*国家自然科学基金（No.59575063）和智能制造技术教育部重点实验室（No.200215）资助项目12002年（第十届）全国机床专业学术会议抛光，因此这种加工工艺的生产效率很低。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超高速切削(HSC)方法进行型腔的加工，并且取得了很好的效果。和EDM相比，超高速加工的主要优点是[2]：（1）产品质量好——超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，毛坯材料的余量还来不及充分变形、在瞬间就被切离工件，工件表面的残余应力非常小；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（10,000—80,000rpm）运转，激振频率远离“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Ra0.6μm以上。经过高速铣削的型腔，表面质量能达到磨削的水平，故可省去后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加工，此即所谓的“一次过”技术（OnePassMachining）[3]，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（详见后述第3节）。另外，它既不要做电极，常常也不需要后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[4]，高速切削时，切削力大为减少，切削过程变得比较轻松。超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（HardMachining）和干[5]切削(DryMachining)。尤其可贵的是，在超高速加工中，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，其厚度甚至可以做