一．前言
當(dāng)今企業(yè)的競爭集中表現(xiàn)在產(chǎn)品款式、新產(chǎn)品開發(fā)周期及產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模。模具作為新產(chǎn)品生產(chǎn)的關(guān)鍵工裝，其設(shè)計與生產(chǎn)周期日益成為決定新產(chǎn)品開發(fā)周期的決定因素。在汽車工業(yè)中，過去新車型的開發(fā)周期一般為十年，現(xiàn)在縮短為二到三年，F(xiàn)ORD及TOYOTA新車型的開發(fā)周期僅為一年半，這一切都得益于企業(yè)模具設(shè)計與制造手段的現(xiàn)代化水平的提高。
汽車車門外覆蓋件拉延模具的高速加工
高速加工技術(shù)隨著數(shù)控加工設(shè)備與高性能加工刀具技術(shù)的發(fā)展而日益成熟。極大的提高了模具加工速度、減少了加工工序、縮短甚至消除了耗時的鉗工修復(fù)工作，從而極大地縮短了模具的生產(chǎn)周期。模具的高速加工技術(shù)逐漸成為我國模具工業(yè)技術(shù)改造最主要的內(nèi)容之一。但什么是高速加工？高速加工與傳統(tǒng)加工在加工工藝上有什么區(qū)別？高速加工也對加工設(shè)備、刀具夾具及相應(yīng)的CAD/CAM系統(tǒng)提出了什么特殊的要求？高速加工有什么技術(shù)優(yōu)勢等問題一直成為我國模具行業(yè)的主要問題之一。
英國Delcam公司是世界上最早致力與高速加工工藝及相應(yīng)CAD/CAM技術(shù)研究的專業(yè)CAD/CAM集成系統(tǒng)開發(fā)商之一。該公司也是世界上唯一擁有大型模具加工車間的CAD/CAM軟件系統(tǒng)開發(fā)商。Delcam公司模具車間自1985年購進Briageport VF1000 高速加工中心多臺，用于進行高速加工工藝的研究及高速加工專用CAM系統(tǒng)棗PowerMILL的開發(fā)。1995年公司引進行程為6M 的Mecof 5軸聯(lián)動高速加工中心，以加強高速加工工藝及CAM系統(tǒng)的研究。1999年3月成功的舉辦了歐洲首次HSM技術(shù)研討會暨HSM現(xiàn)場加工展示會，來自世界各地的一百多位專家介紹了各自的經(jīng)驗。
高速加工技術(shù)在我國剛剛起步，眾多企業(yè)非常關(guān)注高速加工的發(fā)展及在模具行業(yè)的應(yīng)用，以及高速加工的工藝特點，高速加工對設(shè)備、刀具的特殊要求以及高速加工對CAD/CAM系統(tǒng)的特殊要求。故將Delcam HSM技術(shù)研討會暨HSM現(xiàn)場加工展示會的資料整理成文，希望與我國從事模具高速加工的工程技術(shù)人員交流。本文所提出的觀點、所列出的數(shù)據(jù)僅代表個人觀點，特此說明。
二．關(guān)于高速加工的定義
六十多年前，Salomon提出高速加工的概念并對高速加工進行了深入的研究。其研究成果表明：隨著切削線速度的增加，溫度及刀具磨損會劇烈增加，當(dāng)切削線速度達(dá)到超過某臨界值時，切削溫度及切削力會減小，然后又隨著切削速度的增加而急劇增加。從右圖可看出，以刀具磨損的切削力為限制條件，前一個低于該值的區(qū)域是一般傳統(tǒng)加工。后一個低于該值的區(qū)域為高速加工。由此也可看出，不同材料有不同的臨界值， 有其高速加工的特定范圍。刀具材料與質(zhì)量是高速加工最主要的限制條件之一。故高速加工不僅決定于主軸速度與刀具直徑，還與所切削的材料，刀具壽命及加工工藝等綜合因素有關(guān)。
高速加工是在航空鋁合金材料零件加工發(fā)展起來的，高水平合金涂層刀具的壽命不時主要的限制因素。高速加工主要受設(shè)備主軸速度及材料熔點的限制，一般主軸速度為每分鐘50000~60000轉(zhuǎn)或更高。本文主要關(guān)注塑料模具、壓鑄模具、沖壓模具及鍛模等合金模具鋼的高速加工，這種材料的硬度一般超過洛氏50度，故高速加工的限制因素主要是刀具壽命，而非鋁加工中主軸速度的限制。對于小型模具的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的加工，主軸速度可達(dá)40000轉(zhuǎn)以上。而大型汽車覆蓋件模具的加工，一般主軸速度12000轉(zhuǎn)/分以上的加工可稱為高速加工。
三．高速加工的分類及與傳統(tǒng)加工方式的優(yōu)勢
Delcam高速加工的研究表明，高速加工按其目的而言應(yīng)分為兩類：以實現(xiàn)單位時間最大材料去除量為目的的高速加工以及以實現(xiàn)高質(zhì)量加工表面與細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)為目的的高速加工。任何模具的高速加工都是這兩類技術(shù)的綜合運用，模具生產(chǎn)作為系統(tǒng)工程而言，后者因極大地減少了鉗工拋光、修復(fù)時間，減少甚至消除了部分工序，對模具生產(chǎn)周期縮短起了更大的作用。
與傳統(tǒng)加工方式相比，高速加工（HSM）的優(yōu)勢如下：
HSM與傳統(tǒng)加工方式在模具制造工序上的變化：
高速加工提高了模具加工速度
對精加工而言，從材料去除速度而言高速加工比一般加工快四倍以上。盡管高速加工采取了非常小的進給速度與切深，對粗加工而言高速加工45立方厘米/分的切削速度。
（2）高速加工可獲得高質(zhì)量的加工表面
因高速加工采取了及小的進給量與切深，故可獲得很高的表面質(zhì)量，有時甚至可以省去鉗工修光的工序，因表面質(zhì)量的提高省去了修光及點火花等工序所節(jié)約的時間。
（3）簡化了加工工序
傳統(tǒng)銑削加工只能在淬火之前進行，因淬火造成的變形必須要手工修整或用電加工最終成型。現(xiàn)在這些可以通過高速加工完成，省去了電極材料、電極加工編程及加工、以及電加工過程的所有費用，而且沒有電加工的表面硬化。另外，高速加工由于切削的減少，可使用更小直徑的刀具，可對加工出模具更小的圓角半徑及模具細(xì)節(jié)加工，節(jié)省掉部分加工或手工修整工藝。減少人工修光時間、簡化的工藝對縮短生產(chǎn)周期的貢獻甚至可超過高速加工速度提高的部分。
（4）可十分方便地用于模具修復(fù)過程
模具在使用過程往往需要多次修復(fù)，以延長使用壽命，過去主要是靠電加工來完成，采用高速加工可以更快地完成該工作，而且可使用原NC程序，無須重新編制，盡可精確。
四．高速加工（HSM）對機床、刀具的要求
高速加工對機床的要求：
★ 高的主軸速度：12000~40000R.P.M
★ 高的進給速度：40-60M/Min
★ 快速移動速度: 90M/MIN
★ 加速度為1G
★ 高剛性的機械結(jié)構(gòu)
★ 高穩(wěn)定、高剛度、冷卻良好的高速主軸
★ 精確的熱補償系統(tǒng)
★ 高速處理能力的控制系統(tǒng)（線性插補5-20Microns或NURBS插補功能）
★ 具有預(yù)處理能力（向前看）的控制系統(tǒng)
高速加工對刀具及裝夾的要求：
★ 刀夾、刀具的加速度小于3G
★ 刀具的徑向跳動小于0.015MM
★ 一般刀長不大于四倍的刀具直徑
五．高速加工（HSM）對CAM系統(tǒng)的要求
高速加工有著與傳統(tǒng)加工特殊的加工工藝要求. 而數(shù)控加工的數(shù)控指令包含了所有的工藝過程. 故應(yīng)用于高速加工的數(shù)控自動編程系統(tǒng)__CAM系統(tǒng)必須能夠滿足相應(yīng)的特殊要求.
1. CAM系統(tǒng)應(yīng)具有高計算編程速度
高速加工中采用非常小的切給量與切深，故NC程序比對傳統(tǒng)系統(tǒng)要求要大的多，故要求計算速度要快、要方便節(jié)約編程時間。另外快的編程速度使操作人員能夠?qū)Χ喾N加工工藝策略比較，以便采取最佳的工藝方案，并對刀具軌跡進行編輯、優(yōu)化，以達(dá)到最佳的加工效率。
2.全程自動防過切處理能力及自動刀柄干涉檢查
高速加工以傳統(tǒng)加工近10倍的切削速度加工. 一旦發(fā)生過切, 其后果不堪設(shè)想. 故CAM系統(tǒng)必須具有全程自動防過切處理能力. 傳統(tǒng)的曲面CAM系統(tǒng)是局部加工的概念, 極容易發(fā)生過切現(xiàn)象.一般都是靠人工選擇干預(yù)的辦法來防止. 很難保證過切防護的安全性. 只有新一代的、智能化的、面向?qū)ο蟮腃AM系統(tǒng)，防過切處理全部由系統(tǒng)自動完成，才能真正保證其安全性。
高速加工的重要特征之一就是能夠使用較小直徑的刀具，加工模具的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)能夠自動提示最短夾刀長度并自動進行刀具干涉檢查對高速加工非常重要。
3．進給率優(yōu)化處理功能
為了能夠確保最大的切削效率，又保證在高速切削時加工的安全性。應(yīng)根據(jù)加工瞬時余量的大小，CAM系統(tǒng)自動對進給率進行優(yōu)化處理。以確保高速加工刀具受力狀態(tài)的平穩(wěn)性。
4．豐富的符合高速加工要求的加工策略
高速加工對加工工藝走刀方式與傳統(tǒng)方式機能有著特殊要求，因而要求CAM系統(tǒng)能夠滿足這特定的工藝要求：
（1）應(yīng)避免刀具軌跡中走刀方向的突然變化，以免因局部過切而造成刀具或設(shè)備的損壞；
（2）應(yīng)保持刀具軌跡的平穩(wěn)，避免突然加速或減速；
（3）下刀或行間過度部分最好采用斜式下刀或圓弧下刀，避免垂直下刀直接接近工件材料；
（4）行切的端點采用圓弧連接，避免直線連接；
（5）除非情況必須如此，仍應(yīng)避免全力寬切削；
（6）殘余量加工或清根加工是提高加工效率的重要手段，一般應(yīng)采用多次加工或采用系列刀具從大到 小分次加工，以達(dá)到所需尺寸，避免用小刀一次加工完成；
（7）刀具軌跡編輯優(yōu)化功能非常重要，避免多余空刀，可通過對刀具軌跡的 像、復(fù)制、旋轉(zhuǎn)等操作，避免重復(fù)計算；
（8）刀具軌跡裁剪修復(fù)功能也很重要，可通過精確裁剪減少空刀提高效率，也可用于零件局部變化零件編程，只要編輯修改邊際，無須對整個模型重新編程。
5．高速加工對Programmer的要求與編程方式的改變：
采用高速加工設(shè)備之后，對編程人員的需求量將會增加，因高速加工工藝要求嚴(yán)格，過切保護更加重要，故需花多的時間對NC指令進行仿真檢驗，一般高速加工編程時間比一般加工編程時間要長的多，而大大縮短了加工時間。為了保證高速加工設(shè)備足夠的使用率，需配置更多的CAM人員。發(fā)達(dá)國家另一個明顯的發(fā)展趨勢是機側(cè)編程方式的興起。
傳統(tǒng)CAD/CAM中，NC指令的編制是由遠(yuǎn)離加工現(xiàn)場的CAD/CAM工程師來完成的，因編程與加工地點的分離，往往因為對加工工藝的理解不如操作人員專業(yè)，現(xiàn)場條件不如現(xiàn)場操作清楚，往往需要對NC指令進行反復(fù)檢驗與修改，而出現(xiàn)配合的矛盾，影響正常使用。隨著CAM系統(tǒng)的智能化水平提高，已經(jīng)出現(xiàn)了新一代獨立運行的智能化的CAM專業(yè)系統(tǒng)，如：DELCAM公司的PowerMILL，其主要特點是面向?qū)ο笫菍嶓w加工方式而非傳統(tǒng)的曲面局部加工方式，只需加工工藝的輸入與選擇即可自動化完成編程操作，編程的復(fù)雜程度與零件的復(fù)雜程度無關(guān)，只與加工工藝有關(guān)，故非常易于掌握，只需兩天培訓(xùn)即可掌握使用。故在歐美發(fā)達(dá)國家為了充分發(fā)揮NC設(shè)備操作人員的優(yōu)勢，為縮短加工時間間隔，機側(cè)編程已經(jīng)成為逐漸流行的發(fā)展趨勢。
六．高速加工（HSM）加工實例
1. 汽車車門外覆蓋件拉延模具
模具尺寸： 1400 x 1200 x 600
模具重量： 2500kg
毛坯材料：GGG30 材料硬度：HB240
高速加工設(shè)備：Mecof 5軸聯(lián)動高速加工中心
高速加工的時間：
高速加工與傳統(tǒng)數(shù)控加工的時間比較：
高速加工時間：16小時5分，手工修復(fù)：15小時，總計：37.5小時
傳統(tǒng)加工時間：50小時，鉗工修復(fù)：90小時，總計；140小時
