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高速加工技术及其在模具制造中的应用

浙江省机电设备招标局（浙江杭州310000）童红峰
浙江大学生产工程研究所李江雄吴福中巫新海

【摘要】在介绍高速加工的基本概念的基础上，分析了高速加工技术在模具制造中的应用前景。总结了面
向高速加工的数控编程基本原则和高速加工技术对数控编程系统的要求。介绍了现有数控编程软件中采用
的面向高速加工的工艺措施。
关键词高速加工模具制造数控编程

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１０００ｍ／ｍｉｎ可称为高速加工，而对于加工铸铁或钢，
切削速度大于３０５ｍ／ｍｉｎ就可以称为高速加工了。随着技术的发展，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面质量；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行业有广阔的应用前景。根
据高速加工技术的特点，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。
高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。

３面向高速加工的数控编程基本原则
高速加工对加工工艺走刀方式