高速切削（highspeedcutting，HSC）是实现高效制造的核心技术，工序集中化和设备通用性使之具有很高的生产效率。数控机床是高速切削技术应用的最好平台，其加工质量、加工效率可以明显提升模具的生产效率、模具零件的制造精度及模具使用寿命，正在逐渐取代电火花加工(electrode manufacturing，EDM))，成为模具制造的趋势。

一、高速切削技术在模具制造中的应用

高速切削刀具材料的基本性能

1机床利用率高，加工效率高，高切削速度，单位时间内金属去除率高。可实现模具零件粗精一体化加工，减少了模具零件更换的时间，为单件自动化生产提供了发展。

2切削力小，高速切削范围内，随着切削速度的提高，切削力下降，适用于零件刚性差和薄壁零件的加工，如整体离心叶轮、航空测力试验模型、石墨电极加工等。模具零件的筋采用石墨电极加工，石墨筋位电极去除火花位壁厚最小只有0.15~0.3mm，易崩角、折断，非高速切削很难加工，筋位深度大于15mm采用石墨电极加工。

3加工的零件精度高，表面质量好，高速加工时铁屑以很高的速度排出，95%以上的热量被铁屑带走，减少零件加工内应力和热变形量，高速切削在精密和超大型零件加工上的应用，解决了模具质量依赖于手工作业，依赖于钳工研配技术，达到了模具只装配少修模的效果，模具精度高，质量可控，使用寿命长。

4简化机加工工艺流程，高速切削高金属去除率，小切削力，高转速让小直径刀具ϕ0.5~ϕ1mm得到成功应用，结合五轴加工应用技术，减少EDM加工，实现节能减排、绿色制造，降低了模具生产制造成本。

传统模具制造系统

模具制造业的特点：单件异型生产，材料硬度区间大，硬度高，自由异型曲面多、复杂，制造周期短，加工精度高。传统模具零件的加工主要根据设计图纸，采用普通数控仿形加工、电火花加工以及钳工抛光研配等方法来制造模具零件，制造周期长，模具生产的零件精度差，存在以下问题。

1模具的质量取决于钳工的水平，精细化差，返修多，整体模具零件质量控制困难，模具质量只能靠研配试模来验证，模具稳定性差。

2传统模具制造EDM放电加工较多，加工效率低，被加工零件表面质量差，石墨粉尘和EDM污水污染较严重，加工成本高，自动化程度差，导致模具开发周期长，不能快速响应市场需求。

二、高速切削机床的选择

高速机床是实现高速切削加工的前提和关键，机床需满足高速加工的一系列功能要求。现结合德国Hermle C40U机床，意大利MECOF:DYNAMILL 3000/L机床（双主轴：机械轴和电主轴），介绍机床高速主轴系统、快速进给系统、高性能CNC控制系统、高性能刀具夹持系统技术。

高速切削对数控机床功能要求

1主轴转速高、功率大。目前使用于高速加工的数控机床，BT（日本国标）系列要求转速大于8000r/min，HSK刀柄系列要求转速大于12000r/min，主轴功率不小于15kW,并且具有高效、快速的冷却系统。C40U机床转速0~18000r/min，DYNAMILL 3000/L电主轴转速1000~30000r/min，采用滚动轴中角接触球轴承。

2快速进给系统和快速移动速度。机床结构上常采用直线电机、滚珠丝杠以及无间隙直线滚动导轨，并减轻移动部件的质量，结构上实现无传动及进给部件的高速移动和快速准确定位。如HermleC40U线移动速度45~60m/min，MECOF快速移动速度1m/s。

3（海德汉（Heidenhain））

高性能的CNC控制系统。高速切削加工技术采用的CNC数控系统必须具备高的数据处理和运算速度，保证实现高速插补、程序快速处理和有效的超前处理能力，提高刀具的运动轨迹控制精度和最佳拐角减速度。DYNAMILL 3000/L控制系统为海德汉（Heidenhain）iTNC530/S840D，程序段处理速度：0.5m/s，以太网接口（以太网卡和NFS软件），高速加工时控制及驱动参数最优化以实现最佳功能。

4高性能刀具夹持系统，是指由刀柄、夹头和切削刀具所组成的完整的刀具体系。刀柄与机床主轴相连，切削刀具通过刀具夹头装入刀柄之中。要满足高速铣削较高的系统精度，系统精度包括系统定位夹持精度和刀具重复定位精度，前者指刀具与刀柄、刀柄与机床主轴的连接精度；后者指每次换刀后刀具系统精度的一致性。较高的刀具系统刚度，刀具系统的静、动刚度是影响加工精度及切削性能的重要因素。刀具系统刚度不足会导致刀具系统振动，从而降低加工精度，并加剧刀具的磨损，降低刀具的使用寿命。

工艺实用性原则

模具制造中铣削占整个加工时间90%以上，如何选择高速切削机床，应根据加工零件的工艺性要求，并满足经济适用性原则。

1机床的稳定性原则。选择在技术上成熟的机床（包括主机、控制系统配套件），有一定生产批量，且已在用户中正常使用。

2工艺实用性原则就是要使选购的数控机床最终能最大程度地完成预加工目标，防止由于冗余功能而付出昂贵的代价，根据加工零件类型和零件尺寸选择合适的机床行程。

3可操作性强。选择设备需要考虑方便操作、编程、保养和设备维修，否则后期使用、维护、保养、修理等方面带来困难，造成设备的浪费。

4配置必要的附件和刀具。为了充分发挥数控机床的作用，增强机床加工能力，配置必要的附件，安全防护罩、可换工作台、刀库及刀位数量，在机检测装备和BLUM测刀仪，以便推进无人值守和自动加工。

经济适用型原则

1根据模具零件定位，合理确定数控机床功能，不应片面求大而全，过分追求数控机床坐标轴数多工作台面大和超高加工精度。系统越复杂，购置费用和维修费用也会越高，造成加工成本高和设备资源浪费。

2数控系统的选择。尽可能选本单位熟悉的数控系统，同一类型的设备，便于日后管理、维保和维修。

3合理确定设备精度要求，根据模具零件加工形位精度要求，有针对性选择机床，不需要追求超高精度设备。并做到货比三家，充分利用展销会选择物美价廉的产品。

重视数控机床的安装、调试及验收

数控机床的安装、调试及验收对以后的操作、维修、管理都十分重要。包括机床几何精度、定位精度、切削精度、机床性能等全方面验收。对配套资料、使用手册、维修手册、机床说明书、软件安装光盘等资料仔细核对并妥善保管。

三、高速切削数控编程技术

高速编程的软件较多，如UG、Catia、WorkNC、PowerMILL、Cimatron等，软件只是工具，如何借助工具提供适用于HSC的NC代码，是HSC加工实施的关键技术之一。

（Cimatron）

数控程序能与CAD实现无缝对接

高速切削进给速度是普通切削5~10倍，程序错误（如过切、干涉、碰撞等）都会造成严重的事故。而高速加工无法靠操作工人急停来预防，任何意外事故都会给企业造成巨大损失。这就要求CAM系统必须具备全自动的防过切、防碰撞等功能，保证NC代码的绝对安全。如PowerMILL基于图形，全程防过切、防碰撞的智能化CAM系统，UG基于实体加工软件，并利用Vericut仿真验证等。

高速加工数控编程注意事项

1避免高速加工中机床运动部件的惯性。尽可能采用恒定的进给速度，高速加工突然改变方向就像在高速路上紧急刹车，会造成巨大安全隐患，甚至损坏机床。模具零件加工中刀具路径轨迹需要时刻改变方向，这就要求在改变进给方向之前采用圆角减速降低切削速度，或者编程时全部采用圆弧过渡，螺旋线进刀，以使刀具转向变得尽量平稳可靠。

2粗加工编程。HSC加工技术实用与推广，使零件粗、精一体化加工成功应用，为单件小批量自动化生产提供了应用空间。

高速粗加工采用工艺方案是高切削速度，高进给率，小切削深度和小切削宽度的组合，并采用螺旋进刀，螺旋角度不大于0.5°的进刀方式。

粗加工优先选用偏置加工策略，较少采用平行加工。由于径向余量大于轴向余量，根据刀具直径和刀具精度不同，余量设置也不相同，对于预硬模具钢，如碳素钢宝钢P20，用ϕ50R3三角刀片粗加工，径向余量设置为0.5mm，轴向余量为0.35mm，用ϕ22R2长方形刀片粗加工，径向余量设置为0.3mm，轴向为0.2mm，采用顺铣加工。

粗加工刀具选择多用牛鼻刀，刀片形式为圆形或长方形，如ϕ22R5、ϕ22R2等，对于切削时刃口不过零件中心的刀具，特别注意刀具切削盲区（盲区是相对于刀具而言，刀具中心没有切削刃的部分叫做刀具盲区），高速切削加工盲区最小为2倍刀具直径。补焊或铸件加工，需定义合适毛坯，毛坯可以适当大于实际零件坯料，防止切削过程中预留材料造成刀具折断、机床受损。

3半精加工和精加工。半精加工为了保证精加工时余量均匀，选择粗加工时生成的残留毛坯作为加工素材，进行局部再粗铣。精加工为了获得优良的零件表面质量和加工精度，使用最优化的切削速度和高进给率。

球形刀具加工避免刀尖切削，刀尖线速度为0，容易拉毛零件表面，刀具磨损快，加工精度差。进刀方式采用垂直圆弧进刀和切削刀路连接保持相切，刀具冲击力较小，能有效保护刀具。

刀具切削参数根据加工零件的材料，选择合适的刀具材料，并参考厂家推荐数据，现场进行试切验证，并把参数固定化。

四、刀具技术

高速切削技术是实现高速切削加工的关键技术之一，刀具的切削性能很大程度上制约高速切削技术的推广和应用。提高刀具使用寿命和减小刀具磨损量对提高零件加工精度和效率非常重要。以下从高速切削对切削刀具材料的选择来论述高速切削刀具。

高速切削刀具材料的基本性能

刀具材料的迅速发展是高速切削加工得以实施的重要工艺基础，高速切削时刀具承受高压、高温、冲击、振动和摩擦力等作用，因此刀具应具备以下基本性能：

1 硬度和耐磨性

刀具材料的硬度必须高于零件材料的硬度，刀具材料的硬度越高、耐磨性就越好，但高硬度材料抗冲击性相对较差。

2 强度和韧性

刀具材料应具备良好的力学性能，具有高的强度和韧性，防止刀具承受切削力、冲击和振动，刀具脆性断裂和崩刃。

3 红硬性和热韧性

刀具材料的耐热性能好，能承受高温，具备较强的抗氧化性能。

4 动平衡性能

刀具系统（刀具、索套、刀柄）的动平衡性能好坏，不仅影响加工精度和零件表面质量，还会影响机床主轴轴承和刀具不规则磨损，迅速降低其使用寿命。不平衡量U在数值上=旋转体质量M×偏心距e，不平衡量U可以在动平衡机上测得。用G参数作为平衡等级指标，G后面数字量越小平衡质量等级越高。G6.3为一般精度，G2.5为高精度，G1.0为超精度等级，高速切削要求平衡等级小于G1.0。

5 刀具安全性能

高速切削时，刀具系统要承受巨大的离心力，如果大直径刀具发生刀体破碎，会造成重大人身、设备事故。另高速切削排出的铁屑可能会四处飞溅，割伤或烫伤操作人员，因此机床必须安装防护装置，佩戴防护镜，确保在安全的环境下作业。

刀具材料选择

目前适合高速切削加工的主要有TiC（N）硬质合金、涂层刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼(CBN)和金刚石刀具，其中突出的是聚金刚石(polycrystalline diamond，PCD)刀具，以上刀具材料各有特点。常见PCBN、涂层硬质合金刀具适合于黑色金属加工，PCD刀具适合于有色及其合金和非金属材料的高速加工，石墨电极加工选用人造合成单晶金刚石刀具。

1有色金属及其合金高速切削刀具材料的选用

吸附、发泡模具的材料主要是铝及其合金，选用的刀具材料主要是PCD，涂层硬质合金铣刀，刀片要求锋利，PCD刀具是高速加工高硅铝合金的理想材料，不但能获得良好的加工质量，而且刀具使用寿命长，切削时切削速度达到1000~40000m/min。

2碳素钢和合金结构钢高速切削刀具材料选择

注射模零件材料常采用预硬钢，刀具材料选择用PCBN刀具、TiC（N），加工速度达到300~800m/min。淬硬钢（45~55HRC）高速切削时，刀具材料选择PCBN刀具和陶瓷，加工速度达到150~300m/min。零件材料硬度越高越能体现出高速切削的优越性，并实现以铣代磨，大幅度提高加工效率和加工精度，减少人工抛光工作量和钳工研配作业时间。

3非金属高速切削刀具材料的选用

非金属材料较多，石墨在注射模型腔加工中应用非常广泛，主要用于电火花加工使用的电极加工，其表面质量和加工精度对模具零件质量影响较大，用高速加工方式提高石墨电极表面质量和精度，加工时可以选择刀具具有金刚石涂层刀具PCD、PCBN或TiN涂层硬质合金刀具。

4不锈钢高速切削时选择刀具

不锈钢中加入较多的金属元素（Cr和Ni），此材料特点是力学强度好，硬度适中（28~32HRC）,切削塑性好，不易断屑，所以要提高刀具切削刃的粗糙度以减少切削形成卷曲时的阻力。刀具材料选择YG类硬质合金，如加工Mirrax ESR奥氏体不锈钢，粗铣切削速度160~240m/min，精铣切削速度240~280m/min，应避免选用YT类硬质合金，因不锈钢中的Ti和YT类硬质合金中的Ti易产生亲合作用，加工刀具易磨损。