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2002年（第十届）全国机床专业学术会议
超高速加工及其在模具制造中的应用*

张伯霖黄晓明范梦吾

广东工业大学机电学院
广州市东风东路729号，510090

摘要:本文分析了传统电加工工艺在模具制造中存在的主要问题，介绍了超高速加工技
术的主要特点，论述了超高速加工用于模具制造的关键技术，列举了一些应用实例和使用效
果，指出了超高速加工技术在模具制造中广阔的应用和发展前景。
关键词:超高速加工模具电加工机床刀具CAD/CAM
中图分类号：TH161文献标识码：A

模具是制造业中使用量大、影响面广的工具产品。没有型腔模、压铸模、铸模、深拉模
和冲压模，就无法生产出被广泛应用和具有竞争价格的塑料件、合金压铸件、钢板件和锻件。
在现代批量生产中，没有高水平的模具，就没有高质量的产品，它对企业提高生产效率、降
低生产成本也有重要的作用。据国外权威专家的最新统计分析，金属零件粗加工的75%、
精加工的50%和塑料零件的90%是用模具加工完成的[1]。因此，模具工业也被称为“皇冠工
业”。如今，模具制造已成为先进制造技术的一个重要组成部分。
用于制造模具的材料通常是一类难加工材料，模具型腔一般都采用电火花加工（EDM）
成型。但电加工的生产效率很低，不论在模具的开发速度方面还是模具质量方面，都不能满
足现代批量生产高速发展的要求。
超高速加工技术的出现，为模具制造技术开辟了一条崭新的道路，尽可能用超高速加工
来代替电加工，是加快模具开发速度、提高模具制造质量的必然趋势。

1模具制造主流工艺的发展与变化

为了提高模具的加工性能和使用寿命，不论是冲压模具还是塑料模具（包括注射模、挤
压模、吹塑模等），构成模具型腔的有关零件一般都用高强度的耐磨材料制造（如各种牌号
的合金结构钢、合金工具钢和不锈钢等），这些材料经过热处理后硬度很高，很难用常规的
机械加工方法进行加工。几十年来，对付这类难加工材料的最好办法就是采用特种加工。在
我国，模具的型腔加工至今仍然是电火花加工（EDM）的一统天下，电火花加工（包括成
形加工和线切割）在难加工材料的加工方面一直起着十分重要的作用。
随着生产的发展和产品更新换代速度的加快，对模具的生产效率和制造质量提出了越来
越高的要求，于是电火花加工存在的问题就逐渐暴露出来。电火花加工是一种靠放电烧蚀的
“微切削”工艺，加工过程非常之缓慢；在电火花对工件表面进行局部高温放电烧蚀过程中，
工件材料表面的物理—机械性能会受到一定程度的损伤，常常会在型腔表面产生微细裂纹，
表面粗糙度也达不到模具的要求，因而经过电加工后的零件一般还要进行费时的手工研磨和

*国家自然科学基金（No.59575063）和智能制造技术教育部重点实验室（No.200215）资助项目

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2002年（第十届）全国机床专业学术会议

抛光，因此这种加工工艺的生产效率很低。在许多场合，模具已成为影响新产品开发速度的
一个关键因素。
20世纪90年代以来，在国外模具工业中开始逐渐应用超高速切削(HSC)方法进行型腔
的加工，并且取得了很好的效果。和EDM相比，超高速加工的主要优点是[2]：
（1）产品质量好——超高速切削以高于常规切速10倍左右的切削速度对零件进行高速
加工，毛坯材料的余量还来不及充分变形、在瞬间就被切离工件，工件表面的残余应力非常
小；切削过程中产生的绝大多数热量（95%以上）被切屑迅速带走，工件的热变形小；高速
加工过程中，机床主轴以极高的转速（10,000—80,000rpm）运转，激振频率远离“机床—
刀具—工件”系统的固有频率范围，零件加工过程平稳无冲击。因此零件的加工精度高，表
面质量好，粗糙度可达Ra0.6μm以上。经过高速铣削的型腔，表面质量能达到磨削的水平，
故可省去后续的许多精加工工序。
（2）生产效率高——用高速加工中心或高速铣床加工模具，可以在工件一次装夹中，
完成型腔的粗、精加工和模具零件其它部位的加工，此即所谓的“一次过”技术（OnePass
Machining）[3]，切削速度很高，加工过程本身的效率比电加工要高出好几倍（详见后述第3
节）。另外，它既不要做电极，常常也不需要后续的手工研磨与抛光，又容易实现加工过程
自动化，因此，高速加工技术的应用，使模具的开发速度大为提高。
（3）能加工形状复杂的硬质零件和薄壁零件——由高速切削机理可知[4]，高速切削时，
切削力大为减少，切削过程变得比较轻松。超高速切削可以加工淬火钢，材料硬度可高达
60HRC以上，加工过程甚至可以不用切削液，这就是所谓的硬切削（HardMachining）和干
[5]
切削(DryMachining)。尤其可贵的是，在超高速加工中，横向切削力（Py）很小，这就有
利于加工复杂模具型腔中一些细筋和薄壁，其厚度甚至可以做