从工艺特性比较电加工和高速切削制造模具

　　随着科学技术和生产力的发展，市场对产品的要求日趋精密、复杂，而且改型频繁，而在制造业中，用量大、影响广的工具产品就是模具。

　　衡量一个国家技术水平的高低的一个重要标志之一，就是看她的模具水平的高低。要有高质量的产品，就必须有高水平的模具。目前模具完成了工业产品零件粗加工的75%，精加工的50%及塑料零件的90%。

　　目前，人类社会正从钢铁时代向聚合物时代过渡。

　　工业产品及日常生活中使用工程塑料和橡胶制品远远超过了钢铁制品。聚合物必须用模具成形。因此，模具的应用量正在不断的扩大。另一方面，随着产品更新换代的速度加快，模具制作就成为新产品开发的关键。20世纪90年代初大型复杂的模具交货期为24个月，到了90年代中期同类模具的交货期已改为12个月。目前，已缩短为半年左右。这对传统的模具加工工艺和方法提出了严峻的挑战。

　　（1）传统加工模式是用机械加工为主要手段来加工出模具的各个部分，一般在加工中心上完成。在加工过程中，大部分时间都用在半精加工和精加工上、且采用的都是高硬度、耐磨损的模具材料，使得加工难度增大，用时过长，加工精度和表面质量也难以保证。对于加工精度和表面质量要求较高的工件，还要用大量的时间通过人工慢慢地修正磨光。在碰到小孔、薄壁、窄槽以及各种复杂异壁面的零部件加工时更加难以应付。

　　（2）广泛地采用电火花加工成形技术后，根据电加工的工艺特性克服了传统机械加工中的一些不足，即电加工首先是可以加工任何导电材料，并且不受其机械强度和硬度的影响；其次加工时无“切削力”有利于加工小孔、薄壁、窄槽以及各种复杂异壁面的零部件加工；再者可将脉冲参数即电规准任意调节，在同一台机床设备上可连续完成粗加工、半精加工和精加工即“一次过”，大大减小了多次装夹所造成的误差，有利于提高加工精度和表面质量。虽然传统的模具加工状况得到了一定的改善，但在电火花加工中，常受到电火花加工工艺特性的制约，即：在电加工中要想提高工件的加工精度和表面质量，就必须调整相应的电规准，从而降低加工速度。特别是精加工时减小一级表面粗糙度值，加工速度就要降低十几倍，是造成模具加工效率降低的主要原因。

　　（3）高速切削技术的应用，给模具生产加工注入了新的活力。高速切削技术是以比常规度高10倍左右的切削速度对工件进行切削的一种先进技术，称为高速切削。它将车床的主轴转速从原来常用的800～1 000r/min提高到8 000～12 000r/min，铣床的主轴转速从原来常用的1 000～4 000r/min提高到12000～50 000r/min。工作台的进给速度也由原来的10～20m/min提高到48～240m/min，启动速度也由原来的0.5g 提高到1.5～2g 最高可达15g 。就连更换刀具的时间都已普遍控制在1s以内。直线电动机在机床上广泛应用，主轴上大量采用内装式主轴电动机。

　　为了配合高速化的需求，数控机床的定位精度也由一般的0.01～0.02mm提高至0.008mm左右，亚微米级机床达到了0.000 5mm左右，纳米级机床已达到0.005～0.01μm，最小的分辨率为1μm。数控系统中的两轴的上插补技术也大大的提高。纳米级插补使两轴联动出的圆弧已达到1μm的圆度，而且插补前多程序预读大大提高了插补质量。

　　由于高速切削时，切削力变化中幅度小，主轴的激振频率远远高于切削的高阶频率，切削振动几乎消失。高速切削的切削热95%～98%已被切屑带走，传入工件的切削热几乎为零。有助于获得低损伤的表面结构，大大提高了工件被加工的表面质量，即加工后的表面粗糙度值为Ra=0.6μm（最新资料显示，Ra=0.03μm已不是神话），且能保持良好的表面物理性能及力学性能。如电火花加工后的模具型腔内表面（由于是瞬间高温腐蚀形成的）是处于拉应力状态，而高速铣削加工后的相应表面（由于是在常温下，挤压形成的）是处于压应力状态。

　　若将进给速度与切削速度的比值保持不变，切削时间将随着切削速度的提高而成倍减少。单位功率所切削的材料体积显着增加，根据有关资料，高速铣削时当主轴转速从4 000r/min提高到20 000r/min时，切削力降低了30%，而材料的切除率却增加了3倍，大大缩短了工件的加工时间。

　　实践证明，当切削速度提高到常规切削速度的10倍时，进给速度提高到常规进给速度的20倍，远远超过传统的切削“禁区”时，切削的机理发生了根本的变化，使得单位工件的金属切除率提高了30%～40%，切削力降低了30%以上，径向力减小。高速切削时，传给工件的切削热大幅下降，工件保持在常温状态下，刀具寿命提高了70%，切削振动几乎消失，切削加工发生了本质的飞跃，在常规切削加工中常受困扰的切削径向力大，切削温度高，工件易变形等问题得到了很好的解决，为模具生产适应市场的需求提供了可靠的加工手段。

　　综上所述，高速铣削因受其加工工艺特性和刀刃具的制约，目前还无法取代电加工对脆性材料、小孔、薄壁、窄槽等和要求无“切削力”的复杂异形壁面的零部件加工，加上电加工设备与高速切削设备的费用差。所以在当今模具的生产加工中只能相互补充，逐步取代。

　　但随着科技发展和市场需求的增长，高速铣削将会得到广泛的应用，在模具加工中取代（大部分）电火花成形加工。

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