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　　本文介紹高速加工技術的主要特點，論述用于模具工業的高速機床、高速刀具和高速CAD/CAM系統等關鍵技術，列舉一些應用實例和使用效果，指出高速加工技術在模具工業中廣闊的應用前景。
　　
　　模具是制造業中使用量大、影響面廣的工具產品。沒有型腔模、壓鑄模、鑄模、深拉模和沖壓模，就無法生產出被廣泛應用和具有競爭價格的塑料件、合金壓鑄件、鋼板件和鍛件。在現代批量生產中，沒有高水平的模具，就沒有高質量的產品，它對企業提高生產效率、降低生產成本也有重要的作用。據國外最新統計分析，金屬零件粗加工的75%、精加工的50%和塑料零件的90%是用模具加工完成的。因此，模具工業也被稱為“皇冠工業”。如今，模具制造已成為先進制造技術的一個重要組成部分。
　　
　　制造模具的材料通常是一類難加工材料，目前國內模具型腔一般都釆用電火花加工（EDM）成型。但電加工的生產效率很低，不論在模具開發速度方面還是模具制造質量方面，都不能滿足現代批量生產的要求。
　　
　　高速加工技術的出現，為模具制造技術開辟了一條嶄新的道路。盡可能用高速加工來代替電加工，是加快模具開發速度、提高模具制造質量的必然趨勢。
　　
　　模具高速加工的優越性
　　
　　不論是沖壓模具還是塑料模具（包括注射模、擠壓模、吹塑模等），為了提高其使用壽命，構成模具型腔的有關零件一般都用高強度的耐磨材料制造（如各種牌號的合金結構鋼、合金工具鋼和不銹鋼等），這些材料經過熱處理後硬度很高，很難用常規的機械加工方法進行加工。幾十年來，對付這類難加工材料的最好辦法就是釆用特種加工。
　　
　　在中國，模具的型腔加工至今仍然是電火花加工一統天下，電火花加工（包括成形加工和線切割）在模具制造中一直起著十分重要的作用。
　　
　　生產的發展和產品更新換代速度的加快，對模具的生產效率和制造質量提出了越來越高的要求，于是電火花加工存在的問題就逐漸暴露出來。從物理本質上說，電火花加工是一種*放電燒蝕的“微切削”工藝，加工過程非常之緩慢；在電火花對工件表面進行局部高溫放電燒蝕過程中，工件材料表面的物理-機械性能會受到一定程度的損傷，常常會在型腔表面產生微細裂紋，表面粗糙度也達不到模具的要求，因而經過電加工後的型腔類零件一般還要進行費力、費時的手工研磨和拋光。因此，電火花加工的生產效率很低，制造質量不穩定，在許多場合，模具已成為影響新產品開發速度的一個關鍵因素。
　　
　　20世紀90年代以來，在國外模具工業中開始逐漸應用高速切削(HSC)方法進行型腔的加工，并且取得了很好的效果。和電火花加工相比，高速加工的主要優點是：
　　
　　（1）產品質量好—高速切削以高于常規切速10倍左右的切削速度對零件進行高速加工，毛坯材料的馀量還來不及充分變形就在瞬間被切離工件，工件表面的殘馀應力非常小；切削過程中產生的絕大多數熱量（95%以上）被切屑迅速帶走，工件的熱變形小；高速加工過程中，機床主軸以極高的轉速（10000~80000r/min）運轉，激振頻率遠遠離開了“機床—刀具—工件”系統的固有頻率范圍，零件加工過程平穩無沖擊。因此零件的加工精度高，表面質量好，粗糙度可達Ra0.6μm以上。經過高速銑削的型腔，表面質量能達到磨削的水平，故常常可省去後續的許多精加工工序。
　　
　　（2）生產效率高—用高速加工中心或高速銑床加工模具，可以在工件一次裝夾中，完成型腔的粗、精加工和模具零件其它部位的機械加工，即所謂 “一次過”技術（OnePassMachining），切削速度很高，加工過程本身的效率比電加工要高出好幾倍。除此以外，它既不要做電極，常常也不需要後續的手工研磨與拋光，又容易實現加工過程自動化。因此，高速加工技術的應用，使模具的開發速度大為提高。
　　
　　（3）能加工形狀復雜的硬質零件和薄壁零件—由高速切削機理可知，高速切削時，切削力大為減少，切削過程變得比較輕松。高速切削可以加工淬火鋼，材料硬度可高達60HRC以上，加工過程甚至可以不用切削液，這就是所謂的硬切削（HardMachining）和乾切削 (DryMachining)。尤其可貴的是，在高速加工中，橫向切削力（Py）很小，這就有利于加工復雜模具型腔中一些細筋和薄壁，其壁厚甚至可以小于 1mm。圖1所示為高速加工方法加工出的零件，其各個薄壁的壁厚分別為0.2mm、0.3mm和0.4mm，薄壁高度為20mm。
　　
　　近幾年來，高速加工技術在國外已廣泛用于模具工業。在工業發達國家，據統計目前有85%左右的模具電火花成形加工工序已被高速加工所替代。高速加工在國際模具制造工藝中的主流地位已經確立。原來一些從事電加工設備制造的著名公司（如瑞士Agie公司），已敏感地看到這一技術發展趨勢，為了不被模具設備巿場淘汰出局，已釆取了與高速機床制造廠家（如瑞士Mikron）聯手合并的措施。
　　
　　模具工業中的高速機床
　　
　　對模具工業中使用的高速機床主要有下列要求：
　　
　　（1）主軸轉速高、功率大—為了適應模具型腔曲面的高速加工，刀具的半徑應小于型腔曲面的最小圓角半徑，以免加工過程中刀具與工件發生“干涉”（實際上是過切），所以加工中常用小直徑的球頭銑刀。由于刀具直徑小（1~12mm），因此要求主軸的轉速非常高，有的高達 20000-80000r/min，以便實現高速切削；型腔的粗、精加工常常在工件一次裝夾中完成，故主軸功率要大，中等尺寸加工中心的主軸功率常為 10KW到40KW，有的甚至更高。
　　
　　（2）機床剛度好—模具材料的強度和硬度都很高，加上常常釆用伸長量較大的小直徑端銑刀加工模具型腔，因此加工過程容易發生顫振，一般都釆用精度高、剛度大的高速電主軸。為了確保零件的加工精度和表面質量，用于模具制造的高速機床必須有很高的靜、動剛度，以提高機床的定位精度、跟蹤精度和抗振能力。
　　
　　（3）主軸轉動和工作臺（溜板）直線運動都要有極高的加速度—主軸從啟動加速到最高轉速（一般高于10000r/min），通常只用1~2秒的時間。工作臺的加、減速度也從常規數控機床的0.1g?0.2g提高到1~5g（g為重力加速度，g=9.81m/s2），以便可*地實現小圓角半徑曲面的高速加工，并達到必要的型面幾何精度。在模具制造中，對機床的進給速度則不要求太高，一般有30m/min即可。近年來，矢量控制的變頻調速永磁式主軸電動機和大推力、大行程直線電動機在高速機床上的應用，為模具制造中廣泛釆用高速加工技術提供了更加有利的條件。
　　
　　對于一些復雜模具的制造，可以釆用五軸聯動加工中心。這種機床除三個坐標的直線運動外，主軸頭上的刀具還可實現兩個旋轉坐標的圓周進給運動。銑頭和工作臺可以實現多軸聯動，特別適用于加工具有復雜型腔曲面的模具零件。對于大型復雜模具，還可釆用龍門式五軸加工中心。
　　
　　瑞士Mikron公司的HSM600U型高速加工中心，機床加工范圍800mm×600mm×5000mm，主軸可選用Step-Tec公司最高轉速為30000r/min、36000r/min、42000r/min或60000r/min的高速電主軸，當釆用36000r/min電主軸時，功率為32KW(40%ED)/24KW(100%ED)。主軸用氮化硅（Si3N4）陶瓷球軸承，配以油－氣潤滑。進給速度40m/min，加速度 1.7g，刀庫容量為15~68把刀，立柱釆用龍門式框架結構，剛度高，特別適用于模具制造。
　　
　　模具制造中的高速刀具
　　
　　在高速切削應用于模具工業的歷程中，刀具的地位舉足輕重。高速切削時產生的切削熱和對刀具的磨損比普通速度切削時要高得多，因此高速切削對刀具材料的性能有更高的要求。要求刀具材料：（1）硬度高、強度高、耐磨性好；（2）韌度高、抗沖擊能力強；（3）熱硬性和化學穩定性好，抗熱沖擊能力強。在工程實際中，同時滿足這些要求的刀具材料至今還沒有找到。目前，一般都在有較高抗沖擊能力刀具材料的基體上，覆蓋一層或多層具有高熱硬性和高耐磨性的涂層，做成高速刀具。另外，也可將CBN或金剛石等超硬材料燒結在硬質合金或陶瓷材料的基體上，形成綜合性能非常好的高速加工刀具。刀具材料主要根據工件材料、加工工序、加工精度與表面質量的要求來選擇。
　　
　　除了正確選擇刀具材料以外，刀具結構與精度、切削刃的幾何參數、排屑與斷屑功能、刀具的動平衡等對高速切削的生產效率、表面質量、刀具壽命等也有很大的影響，必須精心設計或選擇。至于刀具和機床的連接方式，目前在高速加工中已基本上不用傳統的7：24長錐度刀柄，而廣泛釆用錐部與主軸端面同時接觸的HSK空心刀柄，其錐度為1：10，以確保高速運轉刀具的安全和軸向加工精度。
　　
　　型腔的粗加工、半精加工和精加工一般釆用球頭銑刀，球頭銑刀的直徑一般從1mm到12mm。最終的精加工應盡可能用同一把球頭銑刀連續完成整個型面的加工，其直徑應小于模具型腔曲面的最小曲率半徑。
　　
　　用球頭銑刀，既可避免和模具型腔幾何曲面發生干涉，又可避免一般銑刀中心區的切削速度等于零造成的麻煩。模具零件平面的粗、精加工則可采用帶轉位刀片的端銑刀。
　　
　　高速銑削是目前高速切削技術中應用最多的一種工藝技術，所用的刀具包括端銑刀、立銑刀和球頭銑刀，這類刀具以瑞典Sandvik公司和美國 Kennametal公司的產品最為有名，中國也開始生產這類刀具。以往有不少企業家只重視機床設備的投資，卻忽視了與之配套的高速刀具的購置，結果使高速機床不能充分發揮作用，這是認識上的一個誤區，應該予以糾正。