本文简要地介绍了高速切削技术和目前应用在模具制造中的铸铁和合金钢高性能加工方面的进展。文章内容主要包括：(1)在高硬度材料高速铣削过程中，u刀具/u崩刃和u刀具/u寿命的理论及试验研究；(2)在加工雕塑曲面时，通过改变主轴转速和进给速率优化数控程序，来保持几乎恒定的切屑负载；(3)预测切削刀具上的切屑流、应力和温度及加工曲面层的残余应力。
一、前言随着机床、刀具和高速旋转的端铣刀技术的进步，“高速加工(HSM)”已经成为一种高效的加工过程，能够完成高精度和高表面质量零件的加工。直到最近，航空工业中才把高速铣削应用于复杂的铝合金零件的加工。随着机床、主轴和数控系统或控制单元的显著改进，高速加工已被成功地利用。近来，随着切削刀具技术的进步，高速加工已应用于加工合金钢(HRCgt;30)，广泛地应用在汽车和电子元件产品中的冲压模，还有塑料模具零件等。高速加工的定义依赖于被加工的工件材料的类型。图1为高速加工不同材料时普遍采用的切削速度。例如，高速加工合金钢采用的切削速度为500m/min，而这一速度在加工铝合金时常采用顺铣。
高速加工的主要优点有：材料去除率高，研制周期短，切削力低，切屑移除带走的热量使工件的变形小。然而，同高速加工的应用相关的问题主要依赖工件材料和所需的产品几何形状。高速加工的缺点为：过多的刀具磨损，需要特别昂贵的机床，并且这些机床必须有良好的主轴、u控制器/u单元和夹具，具有动平衡的刀柄，最重要的是要有先进的u刀具材料/u和涂层材料。
图1高速切削中不同材料的速度范围
随着高速加工应用范围的扩大，对新型刀具材料的研究、刀具设计结构的改进、数控刀具路径新策略的产生和切削条件的改善也有所提高。而且，切削过程的计算机辅助模拟也出现了，这项技术对预测刀具温度和应力，延长刀具使用寿命很有意义。铸造、冲模和铸模加工的应用代表了铸铁、铸钢和合金钢的高速切削应用范围的扩大。工业领先的国家在冲模和铸模制造方面，研制时间大部分耗费在机械加工和抛光加工工序上。如图2表明，冲模或铸模的机械加工和抛光加工约占整个加工费用的2/3，而高速铣正好用来缩短研制周期和加工费用。
图2模具制造周期对比
二、主要理论概述
1.高速切削中的加工工艺技术
采用先进的机床和切削刀具加工合金钢(HRCgt;30)是一项节约成本的技术。而且，高速切削硬的合金钢有如下优点：减少了精加工的时间，热处理后精加工零件变形消失，材料去除率高，加工费用低和表面质量高。在工具钢的冲模和铸模的加工方面，硬材料的高速加工取代了缓慢的放电加工过程，而硬钢件的高速切削会在工件和刀具接触表面产生高的温度和应力。所以，高速加工的应用，需要从根本上理解切削用量、刀具寿命和加工表面质量之间的关系。这就必须掌握在高速切削中产生的温度和应力是如何影响刀具磨损的，刀具过早崩刃和加工表面出现残余应力。
试验数据表明：当加工硬钢件时，工件材料的微观结构和热性能影响切削流。一般来说，硬度高的工件产生的切削力也大，而不同热性能的刀具材料可以降低切削力。为了更好地掌握切削过程和提高切削刀具的性能，变形理论和数字技术的应用产生了。
在加工高硬度材料方面，切削速度从低到高和合适的进给速率时，可以发现连续的切屑变形，如图3a所示。图3b为较高的进给速率产生的锯齿形切屑。锯齿形切屑形成的形式在切削力和冲出力间不断的变化，同时产生高频振动，进而影响刀具寿命和崩刃。
对断续切削的微观图进行研究后表明：锯齿形切屑形成的原因为刀具前刀面周期性的断裂变形，如图3b所示。工件表面的折断传至切屑内部，直至变为高的应力状态区域。
在硬度零件加工中，连续切屑为薄的未变形切屑，锯齿切屑为厚的未变形切屑。根据最近的观察，产生锯齿形切屑的频率很高，切屑刃承受高频力振动。人们还未能较好地理解切屑形成对刀具磨损和表面质量的影响，但是，切屑形成肯定影响切削力。
图3硬度钢加工中切屑形成图例
2.高速切削中的机床系统
(1)机床和控制器
高速铣削加工机床有多种不同的配置，三轴立式和卧式加工中心是最常用的配置。尽管立式加工中心有去除切屑方面的缺点，它们仍是较经济的选择，且比卧式加工中心应用广泛。在高速加工的调研中发现，人们多数采用的是卧式加工中心。四轴加工中心能够倾斜铣刀来改善切削条件；五轴机床带有可交换的主轴单元，可以实现粗加工、半精加工和精加工。
市场上有多种高性能的加工中心(主轴转速：1000～50000r/min，主轴功率：7.5～40kW，进给速率：10～60m/min)。高速加工要求有高稳定性、具有微小振动的刚性主轴，用热配合平衡刀柄。伺服系统和控制单元必须是先进的，能够支持预先计算和快速反应，具有传输容量大的程序能力，且不会出现数据丢失现象。计算机制造系统和预先计算系统必须允许机床最有效地加速和减速来实现刀补，目前的机床技术渐渐采用高速线性马达驱动，3-D轮廓进给速率约为12m/min，加减速率接近9.8m/s2。图4为在高速加工试验室采用的四轴卧式加工中心(MakinoA55Delta)。
图4高速加工中心MakinoA55Delta
Palign=left(2)切削刀具
在加工铸铁和合金钢的切削刀具中，硬质合金是最常用的刀具材料。硬质合金刀具耐磨性好，但硬度比立方氮化硼和陶瓷低。为提高硬度，硬质合金刀具采用硬的涂层材料进行涂层，如氮化钛、氮化钛铝和碳氮化钛等，最近也采用双层软基涂层材料，如MOVIC等。加工中采用的其他刀具材料有陶瓷、金属陶瓷和聚晶金刚石。
总的来说，直径在0.5英寸到1.5英寸范围内，且有碳氮化钛涂层的硬质合金刀片能够加工洛氏硬度小于42的材料；而氮化钛铝涂层的刀具能够加工洛氏硬度为42甚至更高的材料。可根据使用要求，选用不同的刀具材料和涂层材料。表1给出了切削刀具材料的性能特点。应用于高速切削的刀具和涂层材料可分为：立方氮化硼和氮化硅加工铸铁，氮化钛和碳氮化钛涂层的合金刀具加工洛氏硬度达42的合金钢，氮化钛铝和铝氮化钛涂层合金刀具加工洛氏硬度为42甚至更高的合金钢。在特殊方面的应用上，尤其是高硬度的车刀(HRC60-65)和具有合适切削刃的聚晶立方氮化硼刀片也得到了成功的应用。
表1先进切削刀具材料和涂层的特性3.模具的高速切削加工
在注射模、铸模、锻模和覆盖件冲压模中，模具是由功能组件和支撑组件组成的。通常凸模和凹模是从模具钢加工出来的。但是，大型冲压模经常铸造成接近最终尺寸，保留加工余量。支撑部件都是标准件，以保证工装组件的总体功能，如定位、零件注射、加热或冷却。通过应用标准的模具组件，可减少加工模具的时间，机械加工主要生产凸模和凹模等部件。
(1)模具材料根据最近的调查，50%的模具制造商加工注射模。在美国，最常用的模具材料为3Cr2Mo模具钢(HRC30)，锻模和铸模常用材料为4Cr5MoV1Si钢，HRC45～HRC60的锻模和HRC46～HRC50的铸模。表2列出了最常用的模具材料。
表2美国应用最广泛的模具材料(2)表面质量
精加工需要最大份额地占有研制周期，对于注射模、铸模和锻模约为整个研制周期的25%～30%。对大型冲压模，精加工占用了整个制造时间的大部分，同时对钳工(磨和抛光)加工时间也有影响，铸模和注射模约为15%，钣金成型模约为20%。采用小的刀间距加工，残留高度将减小，同时钳工加工时间也将减少。
注射模的表面精度要求比锻模和冲模高。表3为各类模具尺寸误差和形位误差的平均值。在模具制造中，高速铣的主要目的是减少或消除手工抛光，同时减少精加工时间。采用如下两种方式可获得低的表面粗糙度：增加精加工路径或采用大直径的铣刀。步距ae和刀具直径D决定理论表面粗糙度Rth；
表3模具的公差要求因最大的刀具直径常被零件几何形状限制，理论表面粗糙度值只能通过减小刀间距来减小。如果刀间距减小50%，刀具路径将自动增加100%，这意味着精加工时间将增加二倍。为补偿增加的时间，高的进给速率是必须的。高的进给速率要求高的主轴转速来保证恒定的切屑的厚度，同时也需要高的切削速度，相应地温度和刀具磨损将无法避免。
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