一、 概述
1． 目前模具制造的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)
        模具作為重要的工藝裝備，在消費(fèi)品、電器電子、汽車(chē)、飛機(jī)制造等工業(yè)部門(mén)中，占有舉足輕重的地位。模具作為重要的工藝裝備，在消費(fèi)品、電器電子、汽車(chē)、飛機(jī)制造等工業(yè)部門(mén)中，占有舉足輕重的地位。工業(yè)產(chǎn)品零件粗加工的75%，精加工的50%及塑料零件的90%將由模具完成。目前中國(guó)模具市場(chǎng)需求已達(dá) 500 億元之規(guī)模。汽車(chē)模具、特別是覆蓋件模具年增長(zhǎng)速度將超過(guò) 20 %；建材模具也迅速發(fā)展，各種異型材模具、墻面和地面模具成為模具的新增長(zhǎng)點(diǎn)，今后幾年塑料門(mén)窗和塑料排水管增長(zhǎng)將超過(guò) 30 %；家電模具年增長(zhǎng)速度將超過(guò) 10 %；IT 業(yè)年均增長(zhǎng)速度超過(guò) 20 % ，對(duì)模具的需求占模具市場(chǎng)的 20 %。2004 年中國(guó)機(jī)床工具工業(yè)產(chǎn)值將繼續(xù)增長(zhǎng)。我國(guó)模具制造市場(chǎng)潛力巨大。根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)，我國(guó)模具的年總產(chǎn)值達(dá)到30億美元，進(jìn)口超過(guò)10億美元，出口超過(guò)1億美元。增長(zhǎng)從1995年的25%增加到2005年的50%。國(guó)外專(zhuān)家預(yù)言：亞洲在全球模具制造中占據(jù)的份額，將從1995年的25%增加至2005年的50%。
        中國(guó)模具工業(yè)發(fā)展迅速，形成了華東和華南兩大基地，并且逐漸擴(kuò)大到其他省份。(山東,安徽,四川) 1996年～2002年，模具制造業(yè)產(chǎn)值年平均增長(zhǎng)14%，2003年增長(zhǎng)25%。2003年我國(guó)模具產(chǎn)值為450億人民幣�？偖a(chǎn)量位居世界第3，出口模具3.368億美元，比上年增長(zhǎng)33.5%。但是，我國(guó)技術(shù)含量低的模具已供過(guò)于求，精密、復(fù)雜的高檔模具很大部分依靠進(jìn)口。每年進(jìn)口模具超過(guò)10億美元。出口超過(guò)1億美元。
        精密模具精度要求在 2～3μm,大型模具需要滿(mǎn)足8000kN合模力注塑機(jī)的要求;小型模具需滿(mǎn)足直徑1mm塑料管的要求。目前，采用高速切削生產(chǎn)模具已經(jīng)成為模具制造的大趨勢(shì)，在國(guó)外一些模具生產(chǎn)廠(chǎng)家，高速機(jī)床大面積取代電火花機(jī)床，高速切削大大提高了模具生產(chǎn)效率。機(jī)床企業(yè)瞄準(zhǔn)模具生產(chǎn)企業(yè)，有的加工中心生產(chǎn)廠(chǎng)機(jī)床的60%以上賣(mài)給模具加工企業(yè)。高速切削逐漸取代電火花精加工模具在國(guó)外的模具制造企業(yè)已經(jīng)普遍采用，高速切削生產(chǎn)模具已經(jīng)成為逐漸模具制造的大趨勢(shì)，大大提高了模具生產(chǎn)效率和質(zhì)量。采用高速切削替代電火花生產(chǎn)模具，可以明顯提高效率、提高模具精度、使用壽命長(zhǎng)。
2． 高速加工在模具制造中的應(yīng)用
2．1高速切削的優(yōu)點(diǎn)：
1） 刀具的高轉(zhuǎn)速和機(jī)床的高進(jìn)給以及高加速度，大大提高金屬切除率；
2） 高速切削減小切削力；
3） 高速切削熱大部分由切屑帶走，工件發(fā)熱少；
4） 高速切削減少振動(dòng)，提高加工質(zhì)量；
2．2高速加工應(yīng)用于模具加工的效益
1） 快速粗加工和半精加工，提高加工效率；
2） 高速高精度精加工硬切削代替光整加工，表明質(zhì)量高，形狀精度提高，比EDM加工提高效率50%，減少手工修磨；
3） 硬切削加工最后成型表面，提高表面質(zhì)量、形狀精度，(不僅是表面粗糙度低，而且表面光亮度高)，用于復(fù)雜表面的加工更具優(yōu)勢(shì)；
4） 避免EDM加工產(chǎn)生的表面損傷，提高模具壽命20%；
5） 結(jié)合CAD/CAM技術(shù)快速加工電極，特別是形狀復(fù)雜、薄壁類(lèi)電極。
3． 采用高速切削加工模具需要解決的問(wèn)題
        在國(guó)內(nèi)，由于資金、技術(shù)等方面的原因，應(yīng)用高速切削生產(chǎn)模具還處于初期階段。還存在機(jī)床、刀具、工藝以及其他方面的一些問(wèn)題需要逐步解決。
　　缺點(diǎn)是加工成本高，對(duì)刀具的使用有較高的要求，不能使用過(guò)大的刀具，要有復(fù)雜的計(jì)算機(jī)編程技術(shù)做支持，設(shè)備運(yùn)行成本高。
1） 高速加工模具的機(jī)床
2） 選擇切削刀具
3） 合理的加工工藝
4） 編程和刀具軌跡
5） 根據(jù)生產(chǎn)條件大量的工藝實(shí)驗(yàn)
二、加工模具的高速加工機(jī)床
       模具精加工和硬切削加工需要數(shù)控高速機(jī)床,模板、模架加工需要精密、高效數(shù)控機(jī)床等。許多機(jī)床企業(yè)瞄準(zhǔn)模具生產(chǎn)，有的加工中心生產(chǎn)廠(chǎng)機(jī)床的60%以上賣(mài)給模具企業(yè)。模具行業(yè)今后幾年年均有50億元的固定資產(chǎn)投入，其中80%是購(gòu)買(mǎi)模具加工設(shè)備，也就是說(shuō)每年有40億元人民幣要購(gòu)買(mǎi)金切機(jī)床。
目前我國(guó)數(shù)控機(jī)床的平均利用率大約20%，高速機(jī)床的利用率3～5%。模具企業(yè)也有相當(dāng)?shù)膯挝毁?gòu)買(mǎi)高速機(jī)床，從6000～40000rmp的都有。
1． 高速機(jī)床的技術(shù)參數(shù)要求
1） 加工中心主軸大功率、高轉(zhuǎn)速，滿(mǎn)足粗精加工；精加工模具要用小直徑刀具，機(jī)床一般要達(dá)到15000～20000rmp。通常主軸轉(zhuǎn)速在10000rpm以下的機(jī)床可以進(jìn)行粗加工和半精加工，達(dá)不到精加工的精度；無(wú)法達(dá)到400m/min以上的切削速度。
2） 快速進(jìn)給的一般要求和汽車(chē)、飛機(jī)企業(yè)的區(qū)別；快速進(jìn)給30～60m/min。
3） 根據(jù)模具生產(chǎn)種類(lèi)選擇立、臥式加工中心或龍門(mén)式加工中心；
4） 具有好的高速控制系統(tǒng)：高精度插補(bǔ)、輪廓前瞻控制、高加速度、高精度位置控制等；
因此，選擇高速加工模具的機(jī)床必須考慮具體的生產(chǎn)情況。
2． 五軸機(jī)床的應(yīng)用增加趨勢(shì)
1）加工路線(xiàn)靈活，表面形狀復(fù)雜；
2）加工范圍大，適合多種類(lèi)型模具加工；
3）切削條件好，減少刀具磨損，提高刀具壽命；
4）針對(duì)模具類(lèi)型，選擇工作臺(tái)式或銑頭式五軸機(jī)床。
5）多頭機(jī)床和多電主軸頭可以更好的擴(kuò)大加工范圍。
3． 購(gòu)買(mǎi)CAD/CAM軟件和高速機(jī)床配套
據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年有幾十億美元用于進(jìn)口機(jī)床，大部分電加工機(jī)床和高速機(jī)床需要進(jìn)口。
三、 高速切削模具的刀具技術(shù)
　　高速切削加工還需配備適宜高速切削的刀具。高速加工刀具材料的進(jìn)展促使了高速加工的發(fā)展。硬質(zhì)合金涂層刀具、聚晶增強(qiáng)陶瓷刀具使得兼顧高硬度的刀刃部和高韌性的基體成為可能。聚晶立方氮化硼(PCBN)刀片,其硬度可達(dá)3500～4500HV。聚晶金剛石(PCD)其硬度可達(dá)6000～10000HV。近年來(lái)德國(guó)SCS、日本三菱(神鋼)及住友、瑞士山特維克、美國(guó)肯納飛碩等國(guó)外著名刀具公司都先后推出了各自的高速切削刀具，不僅有高速切削普通結(jié)構(gòu)鋼的刀具,還有能直接高速切削淬硬鋼的陶瓷刀具等超硬刀具,尤其是涂層刀具異軍突起,在淬硬鋼的半精加工和精加工中發(fā)揮著巨大作用。新刀具材料和刀具技術(shù)的出現(xiàn)已經(jīng)使高速加工上的瓶頸問(wèn)題不再會(huì)出現(xiàn)在刀具上。
　　但是，進(jìn)口刀具的昂貴價(jià)格也阻礙高速切削模具的重要因素。
　　一般來(lái)說(shuō),刀具以及刀夾的加速度達(dá)到3g以上，刀具的徑向跳動(dòng)要小于0.015mm，而刀的長(zhǎng)度不能大于4倍的刀具直徑。根據(jù)SANDVIK公司的實(shí)際統(tǒng)計(jì)，在使用碳氮化鈦(TICN)涂層的整體硬質(zhì)合金立銑刀(58HRC)進(jìn)行高速銑削時(shí),粗加工刀具線(xiàn)速度約為100m/min,而精加工和超精加工時(shí),其線(xiàn)速度超過(guò)了280m/min。這樣對(duì)刀具的材料(包括硬度、韌性、紅硬性(高溫狀態(tài)下保持切削性能))、刀具的形狀(包括排屑性能、表面精度、動(dòng)平衡性等)以及刀具壽命都有很高的要求。
　　 根據(jù)國(guó)內(nèi)模具高速精加工的經(jīng)驗(yàn)，采用小直徑球頭銑刀進(jìn)行模具精加工時(shí)，線(xiàn)速度超過(guò)了400～800m/min。選擇足夠高速度的機(jī)床硬切削模具精加工。
　　Delcam 采用0.8mm直徑的刀具加工窄槽，轉(zhuǎn)速40000rpm，0.1mm深度，進(jìn)給速度30m/min。.
1． 根據(jù)不同的加工對(duì)象合理選擇刀具：硬質(zhì)合金涂層刀具、CBN和金剛石燒結(jié)層刀具。采用小直徑球頭銑刀進(jìn)行模具表面精加工；根據(jù)Millstar公司的介紹TiAIN（鋁氮化鈦）超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金涂層刀具由于潤(rùn)滑條件好，比(TiCN) 硬質(zhì)合金涂層刀具抗磨損性能更好。切削模具鋼。
2． 選擇刀具參數(shù)，如負(fù)前角刀具等。刀具要求比普通加工要求抗沖擊韌性更高，還要求抗熱沖擊能力強(qiáng)；
3． 采取多種方法提高刀具壽命，降低刀具成本。
4． 采用高速刀柄，目前應(yīng)用最多的是HSK刀柄，熱壓裝夾刀具。注意刀具裝夾后的整體動(dòng)平衡；
5． 當(dāng)前的刀具企業(yè)在解決高速切削刀具技術(shù)方面已經(jīng)做了很多工作，面向加工的刀具服務(wù)會(huì)幫助解決很多問(wèn)題，刀具生產(chǎn)廠(chǎng)家成為主體，參考刀具生產(chǎn)廠(chǎng)家提供的技術(shù)參數(shù)。
四、 提高高速切削模具效率的工藝技術(shù)
1． 刀具直徑和長(zhǎng)度的選擇
2． HSM和EDM的選擇
3． 干切削和潤(rùn)滑冷卻
4． 進(jìn)給選擇：通常進(jìn)給量<銑刀直徑10%，進(jìn)給寬度<銑刀直徑40%。
根據(jù)材料情況合理選擇加工工藝參數(shù)
　　國(guó)外高速銑削加工零件材料質(zhì)量較好，材料質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)相同,加工性能比較穩(wěn)定；而國(guó)外公司生產(chǎn)的刀具也是以他們的材料標(biāo)準(zhǔn)做試驗(yàn)；推薦的加工參數(shù)一般比較適合他們的標(biāo)準(zhǔn)，如果使用他們的刀具，與國(guó)內(nèi)的零件材質(zhì)有一定的區(qū)別,在高速銑削時(shí),這種差別表現(xiàn)得較為明顯，有些參數(shù)可以直接應(yīng)用，但有些效果就比較差。而國(guó)內(nèi)企業(yè)一般選用零件材質(zhì)有一定的標(biāo)準(zhǔn),所使用的零件材料，特別是能用高速加工的零件材質(zhì)，一般會(huì)局限在某些零件材料范圍內(nèi),這對(duì)我們應(yīng)用高速加工技術(shù)也提供了有利的條件，會(huì)在較少的加工材料范圍內(nèi)應(yīng)用。這里要強(qiáng)調(diào)的是，一定要在這些材料上選取優(yōu)化出一套適合本企業(yè)的加工工藝參數(shù)，并且納入企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
　　選用國(guó)產(chǎn)刀具,很少有推薦高速銑削的技術(shù)參數(shù)的,有必要做試驗(yàn),取得比較滿(mǎn)意的參數(shù),最好選用固定的刀具生產(chǎn)廠(chǎng)家,減少試驗(yàn)的次數(shù),形成加工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),這樣可以提高設(shè)備有效利用率,降低生產(chǎn)成本,可以取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。
五、高速切削的加工刀具路徑和編程
1） 平面進(jìn)給路徑選擇
2） 輪廓加工路徑選擇
3） 保持切削載荷平穩(wěn)
4） 保持相對(duì)平穩(wěn)的進(jìn)給量和進(jìn)給速度
5） 在平面切削中保持園拐角
6） 合理選擇精加工余量
        HSC精加工對(duì)CAM的編程要求：1）盡量避免拐角的銑削運(yùn)動(dòng)；2）盡量避免工件外的進(jìn)刀與退刀運(yùn)動(dòng)，直接從輪廓進(jìn)入下一個(gè)深度。或者采用螺旋線(xiàn)或斜向進(jìn)給切入；3）恒定每刃進(jìn)給，提高質(zhì)量，延長(zhǎng)刀具壽命；4）輪廓加工保持在水平面上等。
高速切削CAM軟件：
        Delcam 公司幾年前就開(kāi)始了高速切削加工編程技術(shù)的研究，開(kāi)發(fā)了高速切削自動(dòng)編程軟件模塊；最近，MasterCAM公司也開(kāi)發(fā)了高速切削自動(dòng)編程軟件模塊；國(guó)內(nèi)北航海爾也在開(kāi)發(fā)高速切削自動(dòng)編程軟件模塊；
六、 高速機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)
1） 高速數(shù)據(jù)處理
2） 拐角預(yù)測(cè)處理
3） NURBS非有理樣條插補(bǔ)曲線(xiàn)加工
七、 高速切削模具的安全問(wèn)題
1） 刀具磨損和破壞的監(jiān)測(cè)；
2） 刀片連接的強(qiáng)度；
3） 和普通機(jī)床加工不同，安全防護(hù)和開(kāi)機(jī)前對(duì)機(jī)床和刀具的嚴(yán)格檢查非常重要。
八、 目前我國(guó)在采用高速加工模具技術(shù)中存在的問(wèn)題
1．機(jī)床：
1） 國(guó)產(chǎn)高速機(jī)床整體性能尚有差距，功能部件性能還不能滿(mǎn)足要求。包括電主軸的功率和轉(zhuǎn)速，進(jìn)口機(jī)床價(jià)格高；
2） 機(jī)床的高速下動(dòng)態(tài)特性研究還不夠，因而影響整機(jī)的性能；
3） 五軸機(jī)床還不夠成熟，進(jìn)口機(jī)床價(jià)格太高；
4） 配套技術(shù)和設(shè)備還不完全。
2． 刀具：
1） 國(guó)產(chǎn)刀具還不能夠適應(yīng)高速切削的應(yīng)用，特別是高速硬切削光整加工。進(jìn)口刀具價(jià)格高。刀具技術(shù)是影響高速切削加工模具的一個(gè)重要因素。
2） 配套技術(shù)還不夠，包括刀柄、成套在線(xiàn)動(dòng)平衡等。
3． 高速模具加工工藝技術(shù)及實(shí)驗(yàn)
1） 由于高速加工模具的歷史比較短，缺乏應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)積累；
2） 對(duì)高速切削工藝研究比較少，投入不夠，立項(xiàng)比較困難；
3） 缺少高速切削數(shù)據(jù)庫(kù)或手冊(cè)，目前還是空白；
4） 模具生產(chǎn)廠(chǎng)家對(duì)高速切削的認(rèn)識(shí)不夠，缺乏長(zhǎng)期效益的分析對(duì)比；
4． 缺乏高速切削自動(dòng)編程軟件；
5． 缺乏五軸聯(lián)動(dòng)高速切削自動(dòng)編程CAM軟件。
結(jié)束語(yǔ)
        模具市場(chǎng)對(duì)高速加工有強(qiáng)烈需求，但是技術(shù)跟不上。起步晚，基礎(chǔ)較差，整體技術(shù)水平不高，發(fā)展緩慢。需要各個(gè)方面協(xié)調(diào)發(fā)展，產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，加大投入，綜合利用各個(gè)方面力量推動(dòng)高速切削在模具制造中的應(yīng)用。我們希望，通過(guò)各方面的努力，在市場(chǎng)需求的推動(dòng)下，通過(guò)技術(shù)進(jìn)步，像汽車(chē)、機(jī)床、家電一樣，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，我國(guó)不但要成為模具生產(chǎn)大國(guó)，而且要成為模具生產(chǎn)強(qiáng)國(guó)。