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浅析高速切削(HSC)工艺技术及其在汽车模具方面的应用王泽亮0801011231浅析高速切削(HSC)工艺技术及其在汽车模具方面的应用王泽亮0801011231摘要：高速切削工艺技术的概念，发展状况和优点，高速切削的CAM系统软件及高速切削在汽车模具制造研究的内容。关键词：高速切削 模具中图分类号：TG156Analysis of high-speed cutting (HSC) technology and its applications in the automotive moldsAbstract：High-speed cutting technology concepts, developments and advantages of CAM system software, high-speed cutting and high-speed cutting in the automotive mold content of the studyKey word：High-speed cutting Mold0 前言 1931年，德国切削物理学家萨洛蒙(Carl.J.Salomon)博士提出了一个假设，即同年申请了德国专利(Machine with high cutting speeds)的所罗门原理：被加工材料都有一个临界切削速度V0，在切削速度达到临界速度之前，切削温度和刀具磨损随着切削速度增大而增大，当切削速度达到普通切削速度的56倍时，切削刃口的温度开始随切削速度增大而降低，刀具磨损随切削速度增大而减小。 切削塑性材料时，传统的加工方式为“重切削”，每一刀切削的排屑量都很大，即吃刀大，但进给速度低，切削力大。实践证明随着切削速度的提高，切屑形态从带状、片状到碎屑状演化，所需单位切削力在初期呈上升趋势，而后急剧下降，这说明高速切削比常规切削轻快，两者的机理也不同。1 现代高速切削的概念 所罗门原理出发点是用传统刀具进行高速度切削，从而提高生产率。到目前为止，其原理仍未被现代科学研究所证实。但这一原理的成功应该不只局限于此。高速切削技术是切削技术的重要发展方向之一，从现代科学技术的角度去确切定义高速切削，目前还没有取得一致，因为它是一个相对概念，不同的加工方式，不同的切削材料有着不同的高速切削速度和加工参数。这里包含了高速软切削、高速硬切削、高速湿切削和高速干切削等等。事实上，高速切削技术是一个非常庞大而复杂的系统工程，它涵盖了机床材料的研究及选用技术，机床结构设计和制造技术，高性能CNC控制系统、通讯系统，高速、高效冷却、高精度和大功率主轴系统，高精度快速进给系统，高性能刀具夹持系统，高性能刀具材料、刀具结构设计和制造技术，高效高精度测试测量技术，高速切削机理，高速切削工艺，适合高速加工的编程软件与编程策略等等诸多相关的硬件和软件技术。只有在这些技术充分发展的基础上，建立起来的高速切削技术才具有真正的意义。所以要发挥出高速切削的优越性能，必须是CAD/CAM系统、CNC控制系统、数据通讯、机床、刀具和工艺等技术的完美组合。2 高速切削技术的发展现状与优点 自所罗门原理申请专利以来，高速切削技术的发展历经理论探索阶段，应用探索阶段，初步应用阶段和较成熟应用阶段。特别是20世纪70年代后，各工业发达国家相继投入大量的人力、物力、财力研究开发高速切削技术及相关技术，发展日新月异，德国、美国、瑞典、瑞士、英国和日本等制造强国走在了世界前列。近几年，随着科学技术的突飞猛进和经济发展的强大推动，高速切削机床、刀具技术和相关技术迅速进步，使高速切削(HSC-High Speed Cutting)技术以其高效率、高质量应用于航天、航空、汽车、模具和机床等行业中，各种切削方式、各种材料几乎无所不能，尤其是高速铣削和高速车削发展神速。该技术为“轻切削”方式，每一刀切削排屑量小，切削深度小，即ap与ae很小，但切削线速度大，为传统的35倍，进给加工时间短，效率高。高速切削的材料去除率通常是常规的35倍。刀具切削状况好，切削力小，主轴轴承、刀具和工件受力均小。由于切削速度高，吃刀量很小，剪切变形区窄，变形系数减小，切削力降低大概30%90%。同时，由于切削力小，让刀也小，提高了加工质量。刀具和工件受热影响小。切削产生的热量大部分被高速流出的切屑所带走，故工件和刀具热变形小，有效地提高了加工精度。工件表面质量好。首先ap与ae小，工件粗糙度好，其次切削线速度高，机床激振频率远高于工艺系统的固有频率，因而工艺系统振动很小，十分容易获得好的表面质量。高速切削刀具热硬性好，且切削热量大部分被高速流动的切屑所带走，可进行高速干切削，不用冷却液，减少了对环境的污染，能实现绿色加工。可完成高硬度材料和硬度高达HRC40-62淬硬钢的加工。如采用带有特殊涂层(TiAlN)的硬质合金刀具，在高速、大进给和小切削量的条件下，完成高硬度材料和淬硬钢的加工，不仅效率高出电加工(EDM)的36倍，而且获得十分高的表面质量(Ra0.4)，基本上不用钳工抛光。3 高速切削的CAM系统软件高速切削有着比传统切削特殊的工艺要求，除了要有高速切削机床和高速切削刀具，具有合适的CAM编程软件也是至关重要的。一个优秀的高速加工CAM编程系统应具有很高的计算速度，较强的插补功能，全程自动过切检查及处理能力，自动刀柄与夹具干涉检查、绕避功能，进给率优化处理功能，待加工轨迹监控功能，刀具轨迹编辑优化功能，加工残余分析功能等等。数控编程可分为几何设计(CAD)和工艺安排(CAM)，在使用CAM系统进行高速加工数控编程时，除刀具和加工参数根据具体情况选择外，加工方法的选择和采用的编程策略就成为了关键。一名出色的使用CAD/CAM工作站的编程工程师应该同时也是一名合格的设计与工艺师，他应对零件的几何结构有一个正确的理解，具备对于理想工序安排以及合理刀具轨迹设计的知识和概念。首先要注意加工方法的安全性和有效性；其次要尽一切可能保证刀具轨迹光滑平稳，这会直接影响加工质量和机床主轴等零件的寿命；最后要尽量使刀具载荷均匀，这会直接影响刀具的寿命。另外，在国内外众多的CAD/CAM软件中并不是都适用于高速切削数控编程。这其中比较成熟适用于高速加工编程的有：英国DelCAM公司的PowerMill软件模块，日本Makino公司的FFCUT软件(其FF加工模块已集成到美国UGS公司的CAM软件中)，以色列的Cimatron软件，美国PTC公司的Pro/ENGINEER软件，国内北航海尔华正软件有限公司的CAXA-ME软件等。4 汽车模具高速切削工艺技术研究的内容4.1 高速切削加工机理的研究高速切削加工技术在国内外发展的时间短，切削机理方面还有很多内容仍需要进一步的研究和完善，主要表现在由于速度大幅提高，加工过程产生的切削力、切削热、刀具磨损状况以及加工表面情况都将与传统加工对应因素所产生的现象和造成的结果显著不同。高速切削机理的缺乏将阻碍高速切削加工技术的深入应用，因此首先要进行高速切削加工机理的研究以加深技术人员和操作人员对高速切削加工技术的认识，并充分利用高速切削加工技术对汽车覆盖件模具进行高效高质量的加工。4.2 高速切削加工参数的优化实践证明，在设备、材料、加工策略一定的情况下使用合理的加工参数将大大提高工作效率，并做到加工效率、刀具磨损和加工质量的最佳组合。因此，在汽车覆盖件模具高速切削加工方面进行加工参数优化是提高工作效率和汽车覆盖件模具加工质量的一个重要技术环节。4.3 复杂模具曲面高速切削加工策略研究成功进行高速切削加工的重要前提是承受近乎恒定的切削载荷，在这种条件下能够保证良好的高速切削加工效果。针对复杂模具曲面，需要进行加工过程中去除材料体积变化小、切削载荷恒定的加工策略研究以避免刀具较快的磨损和减小让刀误差。4.4 汽车模具高速加工切削数据库建立 高速加工切削数据库存储高速切削参数等数据供技术人员和操作人员查询和使用，在管理工艺数据和辅助技术人员进行工艺规划方面起着重要作用。为提高技术人员和操作人员的工作效率、促进企业稳定持续发展，建立针对汽车覆盖件模具高速加工的切削数据库势在必行。 5 结论 高速切削加工是汽车模具制造的发展趋势高速切削加工技术是21世纪的一种先进制造技术，有着强大的生命力和广阔的应用前景。通过高速切削加工技术 可以解决在汽车模具常规切削加工中备受困扰的一系列问题。参 考 文 献1 张柏霖 汽车模具高速切削加工的工艺技术研究及应用M.北京：北京上业出版社，2003. Zhang Bolin mold high speed machining of automotive technology research and application M. Beijing: Beijing on the industry Press, 20032 郭仁生，苏 军，卢洪胜. 浅析高速切削(HSC)技术M.北京：北京时代经济出版社，200