高速加工数控技术及其在模具制造中的应用

1 引言

　　20世纪30年代，德国科学家Salomon 通过对不同材料进行切削试验，发现了一个有趣的现象：随着切削速度的增加，切削温度随之增加，单位切削力也随之增加，而当切削速度增加到一定临界值时，如再增加，切削温度和切削力反而急剧下降。由此，提出了高速加工的概念，所谓高速加工就是指切削速度高于临界速度的切削加工。对不同的切削材料和不同的切削方式来说，高速切削定义的切削速度的范围也不同，对于铣削铝、镁合金，切削速度大于1000MM/MIN可称为高速加工，而对于加工铸铁或钢，切削速度大于305/MIN就可以称为高速加工了。

　　随着数控技术的发展，高速加工的概念也在不断变化，一般而言，高速铣削除了具有高的切削速度和主轴转速外，还应具有高的进给速度。如一般精铣加工可达到5000～15000MM/MIN　快速进给可达到20000～60000MM/MIN。与常规切削加工相比，高速加工有如下一些优点，①由于采用高的切削速度和高的进给速度，高速加工能在单位时间内切除更多的金属材料，因而切削效率高;②在高速加工的时候，可以采用较少的步距，达到提高零件表面质量的目的，采用高速加工技术，可以使得零件表面达到磨削的效果;③由于高速加工时切削力大大降低、大部分切削热被切屑带走，因而工件的变形大大减少;④高的切削速度意味着高的主轴转速，机床运转激励的振动频率能大大高于工艺系统的固有频率，因而使机床和工艺系统的振动小，工作平稳，这也有利于提高被加工零件的精度和表量;⑤由于高速加工时，切削温度较低，单位切削力较小，因而刀具的耐用度能得到提高。由于这些优点，所以高速加工首先在航空航天制造领域得到应用。高速加工给航空航天带来的影响有：①传统非常难以加工薄壁零件、柔性材料零件的加工，可以利用高速加工的切削力小、切削温度低的优点，利用高速加工技术进行加工;②高速加工的切削力小、切削效率高，可以采用长径比很大的刀具进行加工，因而传统的必须设计为组合件的一些零件可以设计为整体件了。如蜂窝零件、飞机的整体框梁等。由于当时高速加工属于尖端的加工技术，并且主要应用于航空航天等国防制造领域，因而发达国家对高速加工机床的出口实行管制政策。随着技术的进步，高速加工数控技术 不断成熟，高速加工机床的成本也不断下降，使得高速加工技术已具有向民用制造业转移的可能性，高速加工技术在模具制造业有广阔的应用前景。根据高速加工数控技术 的特点，高速加工技术应用于模具制造业中主要有如下一些优点：①减少加工工序，粗加工后，直接精加工，不需要半精加工;②表面质量提高，减少或不需要打磨;③精度提高，减少试模工作量;④可以使用小刀具加工模具细节，减少电极制作和电加工工序;⑤可以在高精度、大进给的方式完成淬火钢的精加工，且达到很高的模具表面质量，因而可以减少传统加工因精加工后再淬火引起模具变形。速加工技术主要涉及机床、刀具、和高速加工数控编程3个方面。目前，高速加工机床和刀具技术已取得了相当进展，为高速加工技术得广泛应用奠定了基础。

2 高速加工机床

　　实施高速加工数控技术，首先应有高速加工机床。高速加工机床具有不同于传统数控机床的特点

　　(1)高速加工机床的主轴部件，要求采用耐高温、高速、能承受大的负荷的轴承，同时主轴动平衡性能好，有良好的热稳定性，能够传递足够的力距和功率且能承受高的离心力。主轴的刚性好、有恒定的力矩。带有检测过热装置和冷却装置。

　　(2)高速加工机床的进给系统一般采用直线电机驱动，能够实现高的进给速度，达到大的加速度。

　　(3)高速加工机床采用高性能的数控系统，克服传统数控机床的运算速度低和伺服滞后等缺陷，从而能实现高精密伺服控制、高速数控运算和全公差控制功能。

　　(4)高速加工的机床结构一般通过优化设计采用较轻的移动部件，从而能获得高的加速度特征。

　　(5)为了能获得高的静态和动态刚度，适应高速旋转的需要，高速加工机床对刀具有严格的要求，尤其是对主轴于刀柄的联结有特殊的要求，广泛使用的HSK刀具一般使用110的小锥度，而不使用传统的大锥度刀柄。

　　(6)高速加工具有数控代码预览功能，即高速加工机床的数控系统在进行切削加工的过程中，其读取的加工代码可以有一定量的超前，以便于机床调整进给速度以适应刀具轨迹变化的需要。