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作者： 来源： 发布时间：2006/6/6 21:59:06  点击数：8579

本世纪20年代德国人Saloman最早提出超高速加工(High Speed Cutting, 简称HSC)的概念，并于1931年申请了专利 [1] ，其特性如图1所示。50年代末及60年代初，美国和日本开始涉足此领域，在此期间德国已针对不同的超高速切削加工过程及有效的机械结构进行了许多基础性研究工作。随着超高速加工主轴技术的发展，使得刀具切削速度得到很大提高，70年代诞生了第一台HSC机床。真正将HSC技术应用于实践是在80年代初期，因飞机制造业为降低加工时间以及对一些小型特殊零件的薄壁加工而提出了快速铣削的要求。80年代中期机床制造商开始将HSC技术应用于机床制造中。根据1996年德国对HSC机床市场需求的预测，其年增长率将为200% - 300%[2]。如此高的增长率是缘于超高速加工使得产品的加工时间缩短、成本降低，并且加工质量得到很大提高，从而增加了产品的竞争力。

一、模具及成型制造采用HSC技术的优势
在当今的模具及成型制造中，不仅追求制造的精密性，而且出于视觉美学及流派等方面的考虑，形面设计日趋复杂，即自由形面所占比例不断增加，这对加工过程提出了更高的要求。随着HSC技术研究的不断深入，特别是高速旋转主轴性能的提高及耐磨刀具的发展，在模具及成型制造中HSC技术的应用越来越广泛。其应用范围主要有以下几个方面:
● 工具钢及铸铁模具的直接加工，特别是半精加工及精加工
● 铜电极、石墨电极的高速加工
● 产品样件及铝制工件的高速加工
图2所示模具及成型制造的成本结构中[3]，单件生产或小批量生产的机械加工占据了时间及总成本的大部分。而机械加工中，半精加工及精加工约占成本的50%左右。HSC技术的引进，使切削速度和进给速度大幅提高，不仅可以缩短模具机加工的时间，而且通过合理选择半精加工及精加工参数，可使表面加工质量及刀具寿命都有较大提高。实验结果表明，应用HSC技术后可使后续加工中手工研磨时间节约近80%，成本费用节约近30%(见图3)，加工表面精度可达1微米，刀具切削效率提高100%[4]。
1996年汉诺威大学IFW研究所对300个美国、日本、德国的企业进行了一次国际性调研，结果显示未来模具及成型制造技术发展趋势主要体现在两个方向: CAM系统中数控编程技术、高速加工技术。
二、HSC加工的基本工艺要求
为缩短加工时间、延长刀具使用寿命和提高加工质量，在半精加工及精加工中应尽可能满足如下要求:
1. 采取(3+2)轴加工方式，刀具与加工表面法向夹角为10o-30o，顺向拉铣[3]。
在这种方式下，切削过程的工艺性稳定，且能获得较长的刀具寿命。特别是用长刀杆刀具加工深槽时，满足这一要求尤其重要。
2.　 高速切削时每齿进给量尽可能保持稳定。
半精加工及精加工，常采用球头铣刀。对半精加工而言，通过优化了的加密的行间距，尽可能为精加工提供均匀的加工余量 [5]，这对精加工是十分重要的。精加工中为提高表面加工质量，应在刀具使用寿命允许的前提下，尽量遵循不换刀的原则。由于不同型面过渡区域的圆弧半径通常较小，要求使用的球头铣刀直径等于或小于过渡圆弧半径，这对主轴转速提出了更高的要求 [3]。
三、HSC加工策略
经过多年的研究和实践，目前流行的CAD/CAM系统中( Euclid、Unigraphics等)，已经开发出适合HSC技术的加工模块和信息模块，并且还在不断的完善中。通过工艺参数的合理选择和加工策略的优化，极大地改善了切削条件并提高了产品的质量，从而越来越突显出HSC加工的优势。
●粗加工
　从经济效益角度出发，粗加工的目标是追求单位时间的最大切削量，最终产生接近半精加工的几何轮廓。使用刀具为端面铣刀和平头铣刀以及采用21/2轴加工方式，加工时充分利用主轴的加工功率。
●半精加工
　半精加工的目的是使粗加工后的棱状轮廓尽量平整化，从而使表面的精加工余量接近均匀，特别是对工具钢模具的加工十分重要。原则上，半精加工应延着粗加工后的棱状轮廓进行铣削，以使切入过程稳定，并减少切削力脉动对刀具磨损的不利影响。另一方面，半精加工时刀具的切削应尽量连续，避免频繁进刀、退刀加剧对刀具的磨损。

在目前的CAD/CAM系统中，对加工零件的几何描述是不连续的。粗加工是基于体模型(即毛胚)，精加工是基于面模型(即加工表面)。CAD/CAM系统没有中间结果，即没有粗加工后、精加工前型面描述的中间信息。编程人员常常根据粗加工后的刀具轨迹，估计实际存在的剩余加工余量。在实际应用中，为避免阶梯型面上未知处的最大剩余加工余量对刀具的破坏，通常给出较大的理论加工余量，这使得其加工效率降低很多。因此有必要优化半精加工策略，得到加工表面存在的最大剩余加工余量，以及剩余加工余量的分布信息(图4及图5) [6]，特别要计算凹槽过渡面的剩余加工余量。此区域的过渡半径较小，因粗加工采用较大直径的铣刀而在此区域的剩余加工余量大大高于其他区域，大的加工余量会导致精加工时包绕角的增大，从而产生较大的切削力、破坏了加工过程的稳定性并加剧了刀具磨损。
对剩余加工余量大于最大允许加工余量的型面按其值大小分区
●　 精加工
　　精加工表面接近均匀的加工余量，能使刀刃的切入过程保持一致，加工表面与理论几何型面的误差减小，同时可获得最好的表面加工质量。精加工中除需对工艺参数进行优化外，还建议采用下面的加工顺序:
*外轮廓加工
*凸起规范几何体的加工
*自由型面的加工
*阶梯层面加工
*平面加工
*凹陷规范几何体的加工
四、加工工艺参数推荐
实际加工中，切削速度、进给速度及切削深度的选择与加工过程、加工材料和切削材料密不可分。针对模具及成型制造中常用材料.
综上所述，超高速加工以其高效优质的加工特性在模具及成型制造业中获得了越来越广泛的应用。本文从基本工艺要求、加工策略的制定方面对模具及成型制造中应用超高速加工技术进行了阐述，并给出了常用材料的超高速加工工艺参数。

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