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提出了比傳統加工更高的要求。構建實用可行的基于高速切削技術的現代模具制造系統，研究好模具制造中應用高速切削技術的一些關鍵技術，如用于模具制造的高速加工機床的正確選用、CAD／CAM系統的合適選擇及編程方法、刀頭系統和刀具的合理選用等工藝技術是模具制造企業充分發揮高速切削技術特點、加快模具開發速度、提高模具制造品質、降低模具制造成本的關鍵所在。

1 基于高速加工技術的現代模具制造系統　　傳統的模具制造技術主要是根據設計圖樣，采用普通數控銑削、仿形加工、成形磨削、電火花加工以及鉗工拋光、修配等方法來制造模具。　　

現代模具制造能夠利用CAD／CAE／CAPP／CAM技術對整個設計制造過程進行有效預測和評估，迅速獲得樣品，同時節省大量的模具試制材料費用，減少模具返修率，縮短生產周期，大大降低了模具制造成本。高速切削技術因其具有高效率、高精度和良好的經濟效益的特點在現代模具制造系統中占有極其重要的地位。在這樣的背景下，基于高速切削的模具制造系統應運而生(圖1)。

2 高速切削加工模具的機床選擇　　

a)高速加工模具對機床的要求：模具加工機床在高速切削中占據著最重要的地位。相比于普通切削，高速切削對于使用的機床要求機床主軸轉速高、功率大；機床剛度好；極高的主軸轉動和工作臺運動加速度；較好的高速控制系統。　　

b)高速切削機床選用的一般原則：模具制造企業選購高速切削機床應根據加工對象的工藝要求、企業的經濟環境和設備的使用環境等諸因素來進行具體的分析，從工藝的適應性、性能價格比、規避風險性等幾方面來考慮。　　

1)工藝適應性原則：主要是指所選購的機床功能應能適用被加工零件的形狀尺寸、尺寸精度和生產節拍等要求；　　2)性能價格比原則：模具加工主要是以單件小批量生產為特征，其加工特點不是以追求高移動速度為主要目的，所以模具制造業通常選擇HSM型高速加工中心，因為它比加工能力相當的HVM型高速加工中心價格便宜了許多，但機床并不是越便宜越好，還要注意性能價格比；　　

3)風險規避原則：購買機床前要做好市場調研工作，綜合考慮，將風險降到最小，使物有所值，調研方法除傳統的用戶調研、廠家交流和考察外，特別要留意在我國舉辦的權威性國際機床展覽會--CIMT的相關信息。

3模具高速加工數控編程及策略　　

a)高速切削對CAD／CAM系統的要求：為了保證高速加工編程的效率，CAD／CAM系統須滿足以下條件：　　

1)高效的電腦配置：CAM處理程序計算量非常大，需要足夠容量和強勁功能的計算機硬件來支持，要求硬件具有以下特性：處理器速度足夠快；足夠的內存；具有足夠顯存和支持Open-GL功能的3D視頻顯示卡。　　

2)合適的CAM編程系統：現有的高速切削數控編程CAM軟件，如PowerMlLL，MasterCAM，UnigraphicsNX，CATIA，Cimatron E等，都提供了相關功能的高速數控銑削刀具軌跡策略。高速數控加工工藝要求嚴格，過切保護更加重要，一般需對編程指令進行仿真檢驗，高速加工編程時間比一般加工編程時間要長得多。　　

3)具有輸入各種不同格式檔案文件的能力：某些加工車間可能面對各種不同的客戶，而它們所使用的CAD系統也各不相同。在這種情況下，就需要定義一種文件轉換格式，從而將幾何數據從客戶的CAD系統轉入CAM系統。為避免耗時的曲面修復工作，如修復曲面錯位、重疊、或幾何數據的丟失等，選擇合適的檔案格式來進行數據轉換是至關重要的。　　

4)具有豐富的仿真模擬能力：為驗證所產生的刀具路徑的正確性，需要有不同的仿真模擬模式供用戶選擇，通常有3種模擬模式，即線架構模式、實體模式和在實體模型上模擬材料的去除過程。　　

b)高速切削數控編程策略：高速切削數控編程首先要注意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的光滑平穩，這會直接影響加工品質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。應用高速切削數控編程CAM軟件生成刀具軌跡時，要注意以下幾個問題：　　

1)避免刀具軌跡中走刀方向的突然變化，以免因局部過切而造成刀具或設備的損壞，保持刀具軌跡的平穩，避免突然加速或減速。　　

2)下刀或行間過渡部分最好采用斜式下刀或圓弧下刀，避免垂直下刀直接接近工件材料，行切端點采用圓弧連接，避免直線連接。　　

3)殘余量加工或清根加工是提高加工效率的重要手段，一般應采用多次加工或采用系列刀具從大到小分次加工，直至達到模具所需的尺寸，不應用小刀一次加工完成，同時應避免全刀寬切削。　　

4)盡可能地保持穩定的切削參數，包括保持切削厚度、進給量和切削線速度的一致性。此外，當遇到某處切削深度有可能增加時，應降低進給速度。　　

5)采用優秀的可視化仿真加工模擬與過切檢查軟件，可以很好地檢測干涉，保證刀具有正確的軌跡路徑。

4 模具高速切削制造工藝技術

　　模具高速切削制造工藝技術主要包括切削方式、走刀、加工階段、切削參數選擇等。　　

a)切削方式的選擇：在模具高速數控銑削加工中，應盡量選用順銑加工，因為在順銑時，刀具剛切人工件產生的切屑厚度為最大，隨后逐漸減小。在逆銑時，刀具剛切人工件產生的切屑厚度為最小，隨后逐漸增厚，這樣增加了刀具與工件的摩擦，在刀刃上產生大量熱量，所以在逆銑中產生的熱量比在順銑時多很多，徑向力也大大增加。同時在順銑中，刀刃主要受壓應力，而在逆銑中刀刃受拉應力，受力狀態較惡劣，降低了刀具的使用壽命，順銑和逆銑時刀。高速切削加工適于淺切深，切削深度不應超過0．2咖，這是為避免刀具的位置偏差，確保加工模具的幾何精度，保持恒定的金屬去除率，保證加在工件上的切削載荷是恒定的，以獲得較好的加工效果。　　

b)走刀方式的選擇：對于帶有敞口模具型腔的區域，盡量從材料的外走刀，以實時分析材料的切削狀況。而對于沒有型腔的封閉區域，采用螺旋進刀方式，在局部區域切入。　　

高速切削加工中，由于機床加速的局限性，容易造成時間的浪費，急停或急動則會破壞模具表面精度，且有可能因為過切而產生拉刀或在外拐角處咬邊。故應盡量減少刀具的急速換向，選擇單一路徑切削模式進行順銑，不中斷切削過程和刀具路徑。盡量減少刀具的切入切出次數，以獲得相對穩定的切削過程。　

c)加工階段及策略：高速切削加工階段包括以去除余量為目的的粗加工、殘留粗加工，以及以獲取高品質的加工表面及細微結構為目的的半精加工、精加工和鏡面加工階段等。　　

1)粗加工階段：粗加工階段所應采取的工藝策略是高切削速度、高進給率和小切削量的組合。等高加工方式是眾多CAM軟件普遍采用的一種加工方式。應用較多的是螺旋等高和z軸等高兩種方式。對陡峭和平坦區域分別處理，計算適合等高及適合使用類似3D偏置的區域，并且同時可以使用螺旋方式，在很少抬刀情況下生成優化的刀具路徑，獲得更好的表面品質。在高速加工中一定要采取圓弧切入、切出連接方式，以及拐角處圓弧過渡。禁止使用直接下刀的連接方式來生成高速數控加工的程序。　　

2)半精加工階段：半精加工階段的策略是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。優化過程包括：粗加工階段輪廓的計算、最大剩余加工余量的計算、最大允許加工余量的確定、對剩余加工余量大于最大允許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計算等。模具高速加工CAM軟件大都具備剩余加工余量分析功能，并能根據剩余加工余量的大小及分布情況采用合理的半精加工策略。　　

3)精加工階段：高速切削精加工階段的策略包括三維偏置、等高精加工和最佳等高精加工、螺旋等高精加工等策略。對許多形狀來說，精加工階段最有效的策略是使用三維螺旋策略，使用這種策略可避免使用平行策略和偏置精加工策略中會出現的頻繁的方向改變，從而提高加工速度，減少刀具磨損。在許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結合起來使用。　　

d)切削參數的選擇：　　

1)刀柄和刀具：不同加工階段對刀桿的要求有側重。粗加工階段：可能產生明顯的機械壓力；刀頭要求減弱擺動和震動。半精加工階段：在所有加工表面上產生均衡的預留量；可能需要纖細的刀頭來加工深部及細小部份。精加工階段：此工序目的在于精度及平面光亮度；要求最小的圓跳動、高精度和高強度；可能會要求纖細刀桿和直徑小的刀具來加工深部或細小部分。　　

刀具在高速加工中要承受高溫、高壓、摩擦、沖擊和振動等載荷，不同材料的工件高速切削時，刀具的選用要注意其與工件材料相匹配。高速切削加工的刀具材料有金剛石(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。其中涂層硬質合金在高速加工中應用最為廣泛，可用于耐熱合金、鈦合金、高溫合金、鑄鐵、純鋼、鋁合金及復合材料的高速切削。　　

2)刀具的選擇：刀具選擇的原則是：安裝調整方便、剛性好、耐用度和精度高。在滿足加工要求的前提下，盡量選擇較短的刀柄，以提高刀具加工的剛性。選取刀具時，要使刀具的尺寸與被件的表面尺寸相適應。生產中，模具零件周邊輪廓的平面加工，常采用立銑刀；銑削平面時，應選硬質合金刀片銑刀；加工凸臺、凹槽時，選高速鋼立銑刀；加工毛坯表面或粗加工孔時。可選取鑲硬質合金刀片的玉米銑刀；對一些立體型面和變斜角輪廓外形的加工，常采用球頭銑刀、環形銑刀、錐形銑刀和盤形銑刀。在進行模具自由曲面加工時，由于球頭刀具的端部切削速度為零，為保證加工精度，切削行距一般采用頂端密距，球頭刀具常用于曲面的精加工。而平頭刀具在表面加工品質和切削效率方面都優于球頭刀，只要在保證不過切的前提下，無論是曲面的粗加工還是精加工，都應優先選擇平頭刀。　　

3)切削用量的確定：選擇切削用量的原則是：粗加工時，一般以提高生產率為主，但也應考慮經濟性和加工成本；半精加工和精加工時，應在保證加工品質的前提下，兼顧切削效率、經濟性和加工成本。具體數值應根據機床說明書、切削用量手冊，并結合經驗而定。

考慮以下幾個因素：切削深度t(軸向進給量)：在機床、工件和刀具剛度允許的情況下，t就等于加工余量，這是提高生產率的一個有效措施，為保證模具零件的加工精度和表面品質，一般應留一定的余量進行精加工；　　切削寬度L：一般與刀具直徑d成正比，與切削深度成反比；　　切削速度vc：提高vc也是提高生產率的一個措施，但vc與刀具耐用度的關系比較密切，隨著vc的增大，刀具耐用度急劇下降，故vc的選擇主要取決于刀具耐用度，切削速度與加工材料也有很大關系，具體的確定方法通常采用下列3種方法：由刀具供應商提供；參考已有的實驗數據；通過大量切削實驗建立自己的數據庫。　　

4)主軸轉速n(r／min)：主軸轉速一般根據切削速度來選定。計算公式為：vc=πdn／1000。數控機床的控制面板上一般備有主軸轉速修調(倍率)開關，可在加工過程中對主軸轉速進行整倍數調整。　　5)進給速度vf(每齒進給量fx)：vf應根據零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具和工件材料來選擇。vf的增加也可以提高生產效率。加工表面粗糙度要求低時，vf可選擇得大些。在加工過程中，vf也可通過機床控制面板上的修調開關進行人工調整，但最大進給速度要受到設備剛度和進給系統性能等的限制。　　

由于每齒進給量．疋的設定正確與否，對刀具所受切削載荷的合理分布有著極其重要的影響，所以實際生產中的每齒進給量的確定可用類似于確定切削速度的方法來確定：由切削刀具供應商提供；參考別人研究所得的實驗數據；通過大量切削實驗獲得。　　

5 結語　　為保證高速加工在模具制造中的順利實施，首先要注意高速機床的正確選擇和安全使用；其次是要清楚高速加工對編程人員的要求與編程方式發生了改變，高速加工對CAD／CAM系統的要求以及高速加工模具的常用編程策略；重點討論了高速加工模具的工藝技術如切削方式的選擇、走刀方式的選擇、各加工階段的不同任務及相應的加工策略、刀頭系統和刀具的正確選用、切削用量的選擇等，并闡述了高速加工模具工藝制訂的內容和一般步驟。