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模具加工中，高速切削與電火花加工各有什么特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)？
2013-5-9 來(lái)源： 作者：
高速切削技術(shù)
高速切削（HSC，High Speed Cutting）技術(shù)以其高效率、高質(zhì)量應(yīng)用于航天、航空、汽車(chē)、模具和機(jī)床等行業(yè)中，尤其針對(duì)飛機(jī)薄壁零件及各種復(fù)雜的型面模具零件加工。
1.高速切削特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)
（1）相比于普通數(shù)控機(jī)床，高速切削機(jī)床具有如下特點(diǎn)：①具有高切削速度和高主軸轉(zhuǎn)速。
②具有高快速移動(dòng)速度：高速銑床的快速移動(dòng)速度達(dá)到了30～90m/min。③金屬切除率高，切削效率高：切削45鋼時(shí)，金屬切除率通常為300～600cm3/min。④具備高剛性高精度。
（2）上述特點(diǎn)決定如下優(yōu)勢(shì)：使用高速切削，銑削深度較小，切削線(xiàn)速度和進(jìn)給速度較高，銑削力低，切削產(chǎn)生的熱量大部分被高速流出的切屑所帶走，故工件和刀具熱變形小，吃刀時(shí)間短，沖擊和彎曲減小了，加工表面粗糙度值很小：銑削鋁合金時(shí)可達(dá)R a＝0.4～0.6μm，銑削鋼件時(shí)可達(dá)R a＝0.2～0.4μm。無(wú)需拋光、研磨等二次加工處理，有效地提高了模具的加工精度（見(jiàn)圖1）。
圖1 輪胎及復(fù)雜的型腔的模具
有利于加工薄壁模具和整體結(jié)構(gòu)式零件，高速切削的材料去除率通常是常規(guī)的3～5倍，在精加工中獲得高生產(chǎn)率。如高速切削可使飛機(jī)大量采用整體結(jié)構(gòu)零件，明顯減輕部件重量，提高零件可靠性，減少裝配工時(shí)。在數(shù)碼產(chǎn)品或繼電器等電子產(chǎn)品中，薄壁模具加工困難，采用高速銑削技術(shù)可以大大改善，能加工出壁厚0.2mm、壁高20mm的薄壁零件。
2.高速切削應(yīng)用條件
由于高速加工技術(shù)具有諸多特點(diǎn)以及模具零件具有復(fù)雜的型面，因此，模具高速加工技術(shù)對(duì)加工系統(tǒng)中的機(jī)床、刀具、數(shù)控系統(tǒng)等都提出了更高要求。
（1）高速主軸 機(jī)床能實(shí)現(xiàn)高速切削的關(guān)鍵是機(jī)床的高速主軸。目前用于模具加工的高速切削機(jī)床主要是高速加工中心、高速銑床等，要求主軸轉(zhuǎn)速為10 000r/min～40 000r/min，另外還要求主軸能夠快速升速、減速，即具有很高的加速度、減速度。高速旋轉(zhuǎn)的主軸要求軸承具有高承載能力、高剛度、高回轉(zhuǎn)精度以及高使用壽命。
（2）高速機(jī)床動(dòng)態(tài)特性 高速切削機(jī)床對(duì)其支承件的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性要求很高，機(jī)床床身要具有高的靜剛度、動(dòng)剛度、熱剛度，好的結(jié)構(gòu)剛性，足夠的支承強(qiáng)度，高水平的阻尼特性，從而使機(jī)床固有頻率遠(yuǎn)離高速切削時(shí)發(fā)生顫振的頻率，進(jìn)而使機(jī)床具有好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。
（3）高速切削刀具系統(tǒng) 高速切削加工時(shí)，高速刀柄的動(dòng)平衡等級(jí)需達(dá)2.5G及主軸最高轉(zhuǎn)速以上，用以保護(hù)主軸軸承壽命，而刀柄本身的錐面精度必須≤AT3，表面粗糙度值必須達(dá)到R a≤0.4μm。
高速切削不但要求刀具具有良好的耐熱性、耐磨損性和抗破損性，同時(shí)對(duì)其動(dòng)平衡質(zhì)量也提出了嚴(yán)格要求。高速切削時(shí)，由于主軸轉(zhuǎn)速很高，不平衡質(zhì)量將引起非常大的慣性離心力，影響刀具壽命、加工精度和加工效率。針對(duì)鋁合金、鑄鐵、鋼、鈦合金等不同加工材料，應(yīng)合理高效地選擇刀具。目前常用的高速切削刀具材料有：硬質(zhì)合金及其涂層、陶瓷、立方氮化硼（CBN）、聚晶立方氮化硼（PCBN）、超硬材料金剛石、聚晶金剛石和金剛石涂層等。
（4）高速切削的數(shù)控編程 由于模具的型面復(fù)雜，通常采用CAD三維設(shè)計(jì)軟件建模。為充分發(fā)揮高速切削的高精度、高效率等特點(diǎn)，不但要求數(shù)控系統(tǒng)具有高速編程計(jì)算功能，對(duì)編程人員的專(zhuān)業(yè)水平及綜合能力提出更高要求。
電火花加工
電火花加工是利用浸在工作液中的兩極間脈沖放電時(shí)產(chǎn)生的電蝕作用蝕除導(dǎo)電材料的特種加工方法，又稱(chēng)放電加工或電蝕加工（英文簡(jiǎn)稱(chēng)EDM）。電火花加工能加工普通切削加工方法難以切削的材料和復(fù)雜形狀的型孔和型腔的模具和零件：①加工各種硬、脆材料，如硬質(zhì)合金和淬火鋼等。②加工深細(xì)孔、異形孔、深槽、窄縫和切割薄片等，如各類(lèi)熱鍛模、壓鑄模、擠壓模、塑料模和膠木膜等模具。
電火花加工包括電極的制作和EDM放電加工。
1.電極的制作
電極制作主要采用三軸數(shù)控機(jī)床來(lái)加工，機(jī)床穩(wěn)定性要好，三軸運(yùn)動(dòng)要均勻穩(wěn)定不振動(dòng)，主軸回轉(zhuǎn)精度也要好。可在同一臺(tái)機(jī)床上進(jìn)行電極的粗加工、半精加工和精加工（見(jiàn)圖2）。
圖2 石墨電極加工
電極包括石墨（碳）和銅電極。
石墨與紫銅電極在CNC加工的特點(diǎn)：①石墨電極加工性能好，易于加工各種復(fù)雜的形狀，切削阻力為銅的1/5，加工效率為銅的兩倍，且其強(qiáng)度很高，耐高溫，熱膨脹率極小，對(duì)于超高（50～90mm）、超薄（0.2～0.5mm）的電極，加工時(shí)不易變形。②比重輕，比重為銅的1/5，常用于重、大及整體電極加工（見(jiàn)圖3）。③石墨對(duì)刀具的磨損較為嚴(yán)重，加工時(shí)產(chǎn)生的灰塵比較大，可能入侵到機(jī)床的導(dǎo)軌絲杠和主軸等，這就要求石墨加工機(jī)床有相應(yīng)的處理石墨灰塵的裝置，機(jī)床密封性也要好，因?yàn)槭卸尽?/font>
圖3 重、大及整體石墨電極
2.電火花加工特點(diǎn)
（1）電火花加工速度與表面質(zhì)量 模具在電火花機(jī)加工一般會(huì)采用粗、中、精分檔加工方式。
粗加工采用大功率、低損耗的實(shí)現(xiàn)方式，而中、精加工電極相對(duì)損耗大，但一般情況下中、精加工余量較少，因此電極損耗也極小，可以通過(guò)加工尺寸控制進(jìn)行補(bǔ)償，或在不影響精度要求時(shí)予以忽略。
石墨的導(dǎo)電性能好，在放電加工中能節(jié)省大量時(shí)間，粗加工優(yōu)勢(shì)明顯。石墨電極放電速度比銅快，但損耗大，銅電極常用于模具精加工。但其加工表面往往需要拋光打磨，以提高模具表面質(zhì)量。
（2）電火花碳渣與排渣 電火花機(jī)加工在產(chǎn)生碳渣和排除碳渣平衡的條件下才能順利進(jìn)行。實(shí)際中，往往以犧牲加工速度去排除碳渣；另一個(gè)影響排除碳渣的原因是加工面形狀復(fù)雜，使排屑路徑不暢通。唯有積極開(kāi)創(chuàng)良好排除的條件，對(duì)癥地采取一些方法來(lái)積極處理。有一定絕緣度的工作液作為放電介質(zhì)，在加工過(guò)程中還起著冷卻、排屑等作用。常用的工作液是黏度較低、閃點(diǎn)較高、性能穩(wěn)定的介質(zhì)，如煤油、去離子水和乳化液等。
（3）電火花工件與電極相互損耗 電火花機(jī)放電脈波時(shí)間長(zhǎng)，有利于降低電極損耗。電火花機(jī)粗加工一般采用長(zhǎng)放電脈波和大電流放電，加工速度快電極損耗小。在精加工時(shí)，小電流放電必須減小放電脈波時(shí)間，這樣不僅加大了電極損耗，也大幅度降低了加工速度。放電過(guò)程有部分能量消耗在工具電極上，導(dǎo)致電極損耗，影響成形精度。
電火花加工與高速切削之比較
高速銑削是一項(xiàng)系統(tǒng)技術(shù)，企業(yè)必須根據(jù)產(chǎn)品的材料和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，購(gòu)置合適的高速切削機(jī)床，選擇合適的切削刀具，采用最佳的切削工藝，以達(dá)到理想的高速模具加工效果。高速切削技術(shù)具有高的生產(chǎn)效率、加工精度、表面質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，已成為先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，但其加工成本很高，如高性能的3～5軸數(shù)控機(jī)床、刀具、數(shù)控系統(tǒng)，專(zhuān)業(yè)的軟件及編程人員等。如在高速銑削加工中，刀具硬度必須比工件大，而數(shù)控電火花加工的電極材料不必比工件材料硬，可節(jié)省輔助時(shí)間和刀具費(fèi)用。電火花加工是高速銑削加工的有力補(bǔ)充和堅(jiān)強(qiáng)后盾，以柔克剛獨(dú)特的加工性能，在高速銑削無(wú)法加工的微小區(qū)域，或難以切削的材料、復(fù)雜形狀的型孔和型腔的模具和零件，發(fā)揮著極其重要的作用。
現(xiàn)代模具制造的發(fā)展方向是兩者緊密相連，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。以注射模具為例（見(jiàn)圖4），往往大面積、易于高速切削加工為優(yōu)先使用，其他難以切削加工的型腔部分由電火花加工完成。
圖4 注射模具
總之，模具企業(yè)必需充分發(fā)揮兩種數(shù)控技術(shù)的各自?xún)?yōu)勢(shì)，并進(jìn)行優(yōu)化結(jié)合，才能發(fā)揮出模具加工的最高效率！
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