本文簡要地介紹了高速切削技術和目前應用在模具制造中的鑄鐵和合金鋼高性能加工方面的進展。文章內容主要包括：(1)在高硬度材料高速銑削過程中，u刀具/u崩刃和u刀具/u壽命的理論及試驗研究；(2)在加工雕塑曲面時，通過改變主軸轉速和進給速率優化數控程序，來保持幾乎恒定的切屑負載；(3)預測切削刀具上的切屑流、應力和溫度及加工曲面層的殘余應力。
一、前言隨著機床、刀具和高速旋轉的端銑刀技術的進步，“高速加工(HSM)”已經成為一種高效的加工過程，能夠完成高精度和高表面質量零件的加工。直到最近，航空工業中才把高速銑削應用于復雜的鋁合金零件的加工。隨著機床、主軸和數控系統或控制單元的顯著改進，高速加工已被成功地利用。近來，隨著切削刀具技術的進步，高速加工已應用于加工合金鋼(HRCgt;30)，廣泛地應用在汽車和電子元件產品中的沖壓模，還有塑料模具零件等。高速加工的定義依賴于被加工的工件材料的類型。圖1為高速加工不同材料時普遍采用的切削速度。例如，高速加工合金鋼采用的切削速度為500m/min，而這一速度在加工鋁合金時常采用順銑。
高速加工的主要優點有：材料去除率高，研制周期短，切削力低，切屑移除帶走的熱量使工件的變形小。然而，同高速加工的應用相關的問題主要依賴工件材料和所需的產品幾何形狀。高速加工的缺點為：過多的刀具磨損，需要特別昂貴的機床，并且這些機床必須有良好的主軸、u控制器/u單元和夾具，具有動平衡的刀柄，最重要的是要有先進的u刀具材料/u和涂層材料。
圖1高速切削中不同材料的速度范圍
隨著高速加工應用范圍的擴大，對新型刀具材料的研究、刀具設計結構的改進、數控刀具路徑新策略的產生和切削條件的改善也有所提高。而且，切削過程的計算機輔助模擬也出現了，這項技術對預測刀具溫度和應力，延長刀具使用壽命很有意義。鑄造、沖模和鑄模加工的應用代表了鑄鐵、鑄鋼和合金鋼的高速切削應用范圍的擴大。工業領先的國家在沖模和鑄模制造方面，研制時間大部分耗費在機械加工和拋光加工工序上。如圖2表明，沖模或鑄模的機械加工和拋光加工約占整個加工費用的2/3，而高速銑正好用來縮短研制周期和加工費用。
圖2模具制造周期對比
二、主要理論概述
1.高速切削中的加工工藝技術
采用先進的機床和切削刀具加工合金鋼(HRCgt;30)是一項節約成本的技術。而且，高速切削硬的合金鋼有如下優點：減少了精加工的時間，熱處理后精加工零件變形消失，材料去除率高，加工費用低和表面質量高。在工具鋼的沖模和鑄模的加工方面，硬材料的高速加工取代了緩慢的放電加工過程，而硬鋼件的高速切削會在工件和刀具接觸表面產生高的溫度和應力。所以，高速加工的應用，需要從根本上理解切削用量、刀具壽命和加工表面質量之間的關系。這就必須掌握在高速切削中產生的溫度和應力是如何影響刀具磨損的，刀具過早崩刃和加工表面出現殘余應力。
試驗數據表明：當加工硬鋼件時，工件材料的微觀結構和熱性能影響切削流。一般來說，硬度高的工件產生的切削力也大，而不同熱性能的刀具材料可以降低切削力。為了更好地掌握切削過程和提高切削刀具的性能，變形理論和數字技術的應用產生了。
在加工高硬度材料方面，切削速度從低到高和合適的進給速率時，可以發現連續的切屑變形，如圖3a所示。圖3b為較高的進給速率產生的鋸齒形切屑。鋸齒形切屑形成的形式在切削力和沖出力間不斷的變化，同時產生高頻振動，進而影響刀具壽命和崩刃。
對斷續切削的微觀圖進行研究后表明：鋸齒形切屑形成的原因為刀具前刀面周期性的斷裂變形，如圖3b所示。工件表面的折斷傳至切屑內部，直至變為高的應力狀態區域。
在硬度零件加工中，連續切屑為薄的未變形切屑，鋸齒切屑為厚的未變形切屑。根據最近的觀察，產生鋸齒形切屑的頻率很高，切屑刃承受高頻力振動。人們還未能較好地理解切屑形成對刀具磨損和表面質量的影響，但是，切屑形成肯定影響切削力。
圖3硬度鋼加工中切屑形成圖例
2.高速切削中的機床系統
(1)機床和控制器
高速銑削加工機床有多種不同的配置，三軸立式和臥式加工中心是最常用的配置。盡管立式加工中心有去除切屑方面的缺點，它們仍是較經濟的選擇，且比臥式加工中心應用廣泛。在高速加工的調研中發現，人們多數采用的是臥式加工中心。四軸加工中心能夠傾斜銑刀來改善切削條件；五軸機床帶有可交換的主軸單元，可以實現粗加工、半精加工和精加工。
市場上有多種高性能的加工中心(主軸轉速：1000～50000r/min，主軸功率：7.5～40kW，進給速率：10～60m/min)。高速加工要求有高穩定性、具有微小振動的剛性主軸，用熱配合平衡刀柄。伺服系統和控制單元必須是先進的，能夠支持預先計算和快速反應，具有傳輸容量大的程序能力，且不會出現數據丟失現象。計算機制造系統和預先計算系統必須允許機床最有效地加速和減速來實現刀補，目前的機床技術漸漸采用高速線性馬達驅動，3-D輪廓進給速率約為12m/min，加減速率接近9.8m/s2。圖4為在高速加工試驗室采用的四軸臥式加工中心(MakinoA55Delta)。
圖4高速加工中心MakinoA55Delta
Palign=left(2)切削刀具
在加工鑄鐵和合金鋼的切削刀具中，硬質合金是最常用的刀具材料。硬質合金刀具耐磨性好，但硬度比立方氮化硼和陶瓷低。為提高硬度，硬質合金刀具采用硬的涂層材料進行涂層，如氮化鈦、氮化鈦鋁和碳氮化鈦等，最近也采用雙層軟基涂層材料，如MOVIC等。加工中采用的其他刀具材料有陶瓷、金屬陶瓷和聚晶金剛石。
總的來說，直徑在0.5英寸到1.5英寸范圍內，且有碳氮化鈦涂層的硬質合金刀片能夠加工洛氏硬度小于42的材料；而氮化鈦鋁涂層的刀具能夠加工洛氏硬度為42甚至更高的材料。可根據使用要求，選用不同的刀具材料和涂層材料。表1給出了切削刀具材料的性能特點。應用于高速切削的刀具和涂層材料可分為：立方氮化硼和氮化硅加工鑄鐵，氮化鈦和碳氮化鈦涂層的合金刀具加工洛氏硬度達42的合金鋼，氮化鈦鋁和鋁氮化鈦涂層合金刀具加工洛氏硬度為42甚至更高的合金鋼。在特殊方面的應用上，尤其是高硬度的車刀(HRC60-65)和具有合適切削刃的聚晶立方氮化硼刀片也得到了成功的應用。
表1先進切削刀具材料和涂層的特性3.模具的高速切削加工
在注射模、鑄模、鍛模和覆蓋件沖壓模中，模具是由功能組件和支撐組件組成的。通常凸模和凹模是從模具鋼加工出來的。但是，大型沖壓模經常鑄造成接近最終尺寸，保留加工余量。支撐部件都是標準件，以保證工裝組件的總體功能，如定位、零件注射、加熱或冷卻。通過應用標準的模具組件，可減少加工模具的時間，機械加工主要生產凸模和凹模等部件。
(1)模具材料根據最近的調查，50%的模具制造商加工注射模。在美國，最常用的模具材料為3Cr2Mo模具鋼(HRC30)，鍛模和鑄模常用材料為4Cr5MoV1Si鋼，HRC45～HRC60的鍛模和HRC46～HRC50的鑄模。表2列出了最常用的模具材料。
表2美國應用最廣泛的模具材料(2)表面質量
精加工需要最大份額地占有研制周期，對于注射模、鑄模和鍛模約為整個研制周期的25%～30%。對大型沖壓模，精加工占用了整個制造時間的大部分，同時對鉗工(磨和拋光)加工時間也有影響，鑄模和注射模約為15%，鈑金成型模約為20%。采用小的刀間距加工，殘留高度將減小，同時鉗工加工時間也將減少。
注射模的表面精度要求比鍛模和沖模高。表3為各類模具尺寸誤差和形位誤差的平均值。在模具制造中，高速銑的主要目的是減少或消除手工拋光，同時減少精加工時間。采用如下兩種方式可獲得低的表面粗糙度：增加精加工路徑或采用大直徑的銑刀。步距ae和刀具直徑D決定理論表面粗糙度Rth；
表3模具的公差要求因最大的刀具直徑常被零件幾何形狀限制，理論表面粗糙度值只能通過減小刀間距來減小。如果刀間距減小50%，刀具路徑將自動增加100%，這意味著精加工時間將增加二倍。為補償增加的時間，高的進給速率是必須的。高的進給速率要求高的主軸轉速來保證恒定的切屑的厚度，同時也需要高的切削速度，相應地溫度和刀具磨損將無法避免。
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