模具制造中的高速切削和电火花加工技术

■ 山西航天清华装备有限责任公司 （长治 046000） 李晓波

模具是一种专用工具，用于各种金属或非金属材料零件的成型加工，是工业生产中的基础装备，是实现少切削和无切削不可缺少的工具。

传统的模具制造方法由于存在加工周期长、质量稳定性差及成本高等缺点，已经不能适应现代工业发展的需求。随着计算机技术和自动化技术的高速发展，不断涌现出很多新设备、新技术和新工艺，逐渐代替传统的模具制造工艺，应用到现代模具的制造中。

1. 高速切削技术

高速切削技术是近几年兴起的一种先进加工技术。高速切削技术的原理建立在高速切削理论上。高速切削理论认为，对于每一种工件材料，在常规的加工速度范围内，切削温度随着切削速度的增加而增加，如果用远远超过常规切削速度范围的速度来加工的话，切削温度反而会降低，同时切削力也大幅下降，这个理论使得高速切削成为可能。高速切削技术主要包括高速切削机床、高速切削刀具和高速切削工艺等几方面的技术，高速切削机床是实现高速切削加工的基础。

能实现高速切削的机床必需具备的条件如下。

（1）高速主轴。高速切削的首要条件就是高的主轴转速，高速切削要求主轴转速达到10 000r/m i n以上，甚至达到40 000r/min。高速切削机床的主轴都采用电动机与主轴合为一体的电主轴，电主轴内装有温度传感器，来控制冷却系统，使其在高速旋转时保持恒温。同时还使用油雾润滑和陶瓷轴承等新技术，使其高精度、免维护及长寿命。

（2）精准稳定的伺服系统。高速切削不仅需要高的主轴转速，还需要高精度的伺服系统。伺服系统是维持高速切削的必要条件，高速切削机床的伺服系统要能够精准、灵敏地执行来自数控装置的指令，保持稳定的工作状态和迅速的动态响应。

（3）高精度的快速进给系统。高速切削要求更大的进给速度，一般达20 000mm/min甚至更高。高速切削机床的进给系统使用先进的直线电动机驱动，具有很好的加速和减速特性，进给速度为传统进给系统的4～5倍。

（4）高性能的控制系统。控制系统相当于高速机床的大脑，它必须准确迅速地将各种指令传达给各个执行机构，同时还要对各传感器反馈回来的信息进行快速的分析并及时做出反应，实时地监控主轴转速和进给系统的运动轨迹，相对于普通数控机床，高速机床的控制系统要具备短时间处理大量数据的能力，一般的高速机床控制系统程序段处理时间为0.5ms，有些控制系统的程序段处理时间缩短到0.2～0.4ms。

（5）快速的辅助装置和可靠的安全防护装置。高速机床还需要配备快速移动、快速的换刀装置等辅助装置，才能体现其优越性。另外，由于主轴的旋转速度很高，如果发生意外，将是致命的事故，所以必须有可靠的安全防护装置。

高速切削在提高生产效率的同时，还给加工过程带来了许多优良特性。高速切削可以直接加工淬硬钢等难加工材料，高速切削加工的零件可以获得很高的尺寸精度和形位精度，难得的是高速切削加工出的表面可以获得极低的表面粗糙度值，甚至可以达到镜面效果，这可以省去后续的磨削和抛光工序，将极大地提高模具的生产效率。

使用高速切削加工模具的特点：①加工效率高。高速切削由于具有很高的主轴旋转速度，因此允许有较大的进给速度，比普通加工切削速度提高5～10倍，大大缩短了模具的生产周期。②切削力小。高速切削的切削力比常规切削减少30%，使其能加工硬度较高的材料，例如硬度60HRC左右的淬硬钢等材料；较小的切削力还可以避免或减少加工变形，因此可以加工一些刚性较差的薄壁类零件。③切削热少。高速切削的切削过程非常迅速，90%以上的热量由切屑带走，留在工件上的热量极少，所以工件不会因切削热而产生变形。同时，极低的切削热使其能加工一些低熔点的材料。④加工精度高。高速旋转切削时的激振频率远高于工艺系统的受激振动频率，因此高速切削能保持较好的加工状态，同时较小的切削力、极低的切削热使工件具有很高的加工精度和表面质量，高速切削能加工出表面粗糙度值Ra≤0.6μm甚至Ra=0.4μm的表面，达到镜面效果。⑤高速切削可以简化加工工序。由于高速切削可以达到很高的加工精度和很低的表面粗糙度值，所以经高速切削加工的零件不需要后续的手工抛光和修配等工序。高速切削可以部分取代电火花加工，而不必像电火花加工那样准备电极，即使必须用电火花加工的，也可以由高速切削加工电极，缩短加工周期，省去这些工序不仅提高了效率，还节省了不少成本。

纵然高速切削有诸多优点，但它并不是十全十美的，也存在一些缺点。因为受刀具长度和直径等条件限制，高速切削加工型腔底部圆角的最小半径是0.3mm，在加工一些尖角、窄槽、小深孔和一些过于复杂的型腔时就有些力不从心了，在这些方面，高速切削还不能完全代替电火花加工。

2. 电火花加工技术

电火花加工作为模具制造技术的一种重要手段，如今也取得了长足的发展。现代的电火花加工技术正向着精密化、自动化、智能化和高效化发展。

在电火花加工中，加工工艺起着重要作用，精密电火花加工中应用的新工艺主要有：

（1）标准化夹具快速精密定位。采用快速标准化夹具，可以保证极高的重复定位精度，保证加工效率。

（2）混粉加工方法。混粉加工是在放电加工液内加入粉末添加剂，使加工表面获得很低的表面粗糙度值的方法。这种方法可以使零件表面达到镜面效果，从而省去后续的手工抛光工序。

（3）摇动加工方法。为了保证高效率下放电间隙的一致性，维持加工稳定性，在加工过程中采用电极不断摇动的方法。这样在加工复杂型腔时，可以保证侧面和底面粗糙度的均匀性，并且更容易控制加工尺寸。

（4）多轴联动加工。利用多轴联动可以实现传统电火花机床难以加工的复杂型腔和微小结构零件的加工。

借助于这些先进的加工工艺，目前高精密电火花加工机床已经可以加工出表面粗糙度值Ra=0.08μm的表面，同时还可以进行精密的复杂型腔加工和清角加工。

3. 结语

高速切削技术和精密电火花加工技术凭借着各自的优势，在模具制造中各领风骚，两者在模具加工中相辅相成、互补长短，成为现代模具高精度、高效率的加工手段，再加上高精度的智能测量系统和自动化的柔性制造系统，构成了现代模具的先进制造体系。

[1] 苏君. 现代模具制造技术[M]. 北京：机械工业出版社，2015.

[2] 单岩. 模具数控加工[M]. 北京：机械工业出版社，2005.

[3] 许发樾. 实用模具设计与制造手册[M]. 北京：机械工业出版社，2000.