一、前言
在現(xiàn)代模具生產中，隨著對塑件的美觀度及功能要求得越來越高，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術提出了更高要求，不僅應保證高的制造精度和表面質量，而且要追求加工表面的美觀。隨著對高速加工技術研究的不斷深入，尤其在加工機床、數控系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)、CAD/CAM軟件等相關技術不斷發(fā)展的推動下，高速加工技術已越來越多地應用于模具型腔的加工與制造中。
    數控高速切削加工作為模具制造中最為重要的一項先進制造技術，是集高效、優(yōu)質、低耗于一身的先進制造技術。相對于傳統(tǒng)的切削加工，其切削速度、進給速度有了很大的提高，而且切削機理也不相同。高速切削使切削加工發(fā)生了本質性的飛躍，其單位功率的金屬切除率提高了30%~40%，切削力降低了30%，刀具的切削壽命提高了70%，留于工件的切削熱大幅度降低，低階切削振動幾乎消失。隨著切削速度的提高，單位時間毛坯材料的去除率增加了，切削時間減少了，加工效率提高了，從而縮短了產品的制造周期，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。由于切削力的降低，轉速的提高使切削系統(tǒng)的工作頻率遠離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，由此降低了表面粗糙度。在模具的高淬硬鋼件(HRC45~HRC65)的加工過程中，采用高速切削可以取代電加工和磨削拋光的工序，從而避免了電極的制造和費時的電加工，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。
    高速加工技術對模具加工工藝產生了巨大影響，改變了傳統(tǒng)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替代原來的全部工序。高速加工技術除可應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、快速樣件制造等方面也得到了廣泛應用。大量生產實踐表明，應用高速切削技術可節(jié)省模具后續(xù)加工中約80%的手工研磨時間，節(jié)約加工成本費用近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
    高速切削技術是切削加工技術的主要發(fā)展方向之一，它隨著CNC技術、微電子技術、新材料和新結構等基礎技術的發(fā)展而邁上更高的臺階。由于模具加工的特殊性以及高速加工技術的自身特點，對模具高速加工的相關技術及工藝系統(tǒng)(加工機床、數控系統(tǒng)、刀具等)提出了比傳統(tǒng)模具加工更高的要求。
1. 高穩(wěn)定性的機床支撐部件
    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性。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性的聚合物混凝土，以增加其抗振性和熱穩(wěn)定性，這不但可保證機床精度穩(wěn)定，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(wěn)定性的重要措施。一些機床公司的研發(fā)部門在設計過程中，還采用模態(tài)分析和有限元結構計算等，優(yōu)化了結構，使機床支撐部件更加穩(wěn)定可靠。 
2. 機床主軸
    高速機床的主軸性能是實現(xiàn)高速切削加工的重要條件。高速切削機床主軸的轉速范圍為10000~100000m/min，主軸功率大于15kW。通過主軸壓縮空氣或冷卻系統(tǒng)控制刀柄和主軸間的軸向間隙不大于0.005mm。還要求主軸具有快速升速、在指定位置快速準停的性能(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形式。潤滑多采用油氣潤滑、噴射潤滑等技術。主軸冷卻一般采用主軸內部水冷或氣冷。
3. 機床驅動系統(tǒng)
    為滿足模具高速加工的需要，高速加工機床的驅動系統(tǒng)應具有下列特性：
(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降低刀具磨損。目前常用的進給速度范圍為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要求驅動系統(tǒng)具有良好的加速度特性，要求提供高速進給的驅動器(快進速度約40m/min，3D輪廓加工速度為10m/min)，能夠提供0.4m/s2到10m/s2的加速度和減速度。
    機床制造商大多采用全閉環(huán)位置伺服控制的小導程、大尺寸、高質量的滾珠絲杠或大導程多頭絲杠。隨著電機技術的發(fā)展，先進的直線電動機已經問世，并成功應用于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、滯后和振動等問題，加快了伺服響應速度，提高了伺服控制精度和機床加工精度。
4. 數控系統(tǒng)
先進的數控系統(tǒng)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(tǒng)的基本要求為：
(1) 高速的數字控制回路(Digital control loop)，包括：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控制(Feed forward control)；數字驅動系統(tǒng)的爬行控制(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、精確的尺寸和高的幾何精度。
(4)預處理(Look-ahead)功能。要求具有大容量緩沖寄存器，可預先閱讀和檢查多個程序段(如DMG機床可多達500個程序段，Simens系統(tǒng)可達1000~2000個程序段)，以便在被加工表面形狀(曲率)發(fā)生變化時可及時采取改變進給速度等措施以避免過切等。
(5)誤差補償功能，包括因直線電機、主軸等發(fā)熱導致的熱誤差補償、象限誤差補償、測量系統(tǒng)誤差補償等功能。 此外，模具高速切削加工對數據傳輸速度的要求也很高。
(6) 傳統(tǒng)的數據接口， 如RS232串行口的傳輸速度為19.2kb，而許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。這是因為：銑削主軸高速旋轉，切削液若要達到切削區(qū)，首先要克服極大的離心力；即使它克服了離心力進入切削區(qū)，也可能由于切削區(qū)的高溫而立即蒸發(fā)，冷卻效果很小甚至沒有；同時切削液會使刀具刃部的溫度激烈變化，容易導致裂紋的產生，所以要采用油/氣冷卻潤滑的干式切削方式。這種方式可以用高壓氣體迅速吹走切削區(qū)產生的切削，從而將大量的切削熱帶走，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，可有效地延長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，要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(tǒng)的7:24錐度刀柄系統(tǒng)在進行高速切削時表現(xiàn)出明顯的剛性不足、重復定位精度不高、軸向尺寸不穩(wěn)定等缺陷，主軸的膨脹引起刀具及夾緊機構質心的偏離，影響刀具的動平衡能力。目前應用較多的是HSK高速刀柄和國外現(xiàn)今流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(tǒng)，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(tǒng)比較昂貴，在初期時采用HSK類的刀柄系統(tǒng)即可。當企業(yè)的高速機床數量超過3臺以上時，采用熱脹冷縮緊固式刀柄比較合適。
    刀具是高速切削加工中最活躍重要的因素之一，它直接影響著加工效率、制造成本和產品的加工精度。刀具在高速加工過程中要承受高溫、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(wěn)定性，即具有良好的抗沖擊、耐磨損和抗熱疲勞的特性。高速切削加工的刀具技術發(fā)展速度很快，應用較多的如金剛石(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，采用刀具涂層技術，涂層材料為氮化鈦(TiN)、氮化鋁鈦(TiALN)等。涂層技術使涂層由單一涂層發(fā)展為多層、多種涂層材料的涂層，已成為提高高速切削能力的關鍵技術之一。直徑在10~40mm范圍內，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勞強度高的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，應注意有效直徑的概念。高速銑削刀具應按動平衡設計制造。刀具的前角比常規(guī)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。應加大刀尖附近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要求的條件下，刀具懸伸盡可能短，刀體中央韌性要好。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(tǒng)中央留有冷卻液孔。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。