normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">高速铣削，特别是高速硬铣在模具制造业中的推广应用，是模具制造技术的一次重大变革。高速硬铣在多数情况下，不仅可以替代电火花加工，简化模具制造的整个生产工艺流程，而且可提高模具的加工质量、缩短模具制造时间和降低生产成本。
normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">The widespread use of high-speed milling, especially high-speed hard milling, in mold industry is a big revolution of mold manufacturing technology. High-speed hard milling not only replaces EDM and simplifies the whole manufacturing process, but also improves mold quality, reduces processing time and cost.
模具是用来制造汽车、飞机、电子和家电等产品各种构件的重要技术装备。它作为从产品开发到成批生产构件的整个制造流程中的重要一环，在工业生产的增值链中占有十分重要的位置：模具的开发和制造，在很大程度上决定着新产品的质量、成本和投放巿场的时间。
由于锻造、铝合金压铸和塑料注塑这样的成形加工工艺和无定形材料的成形加工工艺，常常采用的是几何形状十分复杂的成形模具，有着凹、凸的自由曲面或较深的型腔，要求较高的精度和表面质量；另外，由于竞争促使产品品种不断增多，同时产品更新周期日益缩短，鉴于模具主要是按单件或较小批量进行生产，这迫使模具制造厂商必须要采用先进的加工技术，在确保工件加工精度的同时，应提高生产效率，缩短加工时间和加工柔性。例如，在汽车工业，汽车的开发周期已力求缩短到3年，模具的交货期则需要从18个月缩短到12个月。
加工表面残留高度与行距之间的关系。
这些成形模具通常由高性能合金模具钢制成。模具的加工普遍采用两种工艺方法：借助于铜或石墨电极的电火花加工，以及直接采用高速铣削加工。在过去，成形模的加工主要是采用电火花加工工艺。而这种工艺的生产工艺流程较长，并缺乏柔性。在进行电火花加工之前需要制造出石墨或铜电极。如果由于工艺技术的原因必须变动成形模时，那就需要变动整个生产工艺流程。由于其较低的柔性，难于进行调整或只能进行有限的调整。此外，由于电火花加工的时间较长，在电火花加工后，模具还需要进行抛光处理，去除“白色层”。近年来，尽管电火花加工技术在电源技术和石墨材料领域里取得了很大的进步，然而，80年中期以来，随着高速切削（HSC）技术的兴起和发展，高速铣削技术以其能显著缩短整个生产流程时间、很高的加工质量和较好的加工柔性而得到普遍接受，已成为加工成形模和注塑模的关键工艺。而21世纪初期以来，高效铣削（HPC）技术进入模具加工领域，为提高模具加工效率和缩短加工时间又进一步创造了有利条件。
高速（HSC）铣削是模具制造最重要的加工工艺
在模具制造中，高速铣削不仅广泛应用于加工复杂的自由曲面和型腔，而且还应用于加工电火花加工用的电极。
高速铣削，由于采用了比常规铣削高（5-10）倍的切削速度和进给速度，既能大大缩短基本时间，也可显著提高工件的表面质量。为了获得很高的工件表面质量，高速铣削工艺可以通过采用较小的每齿进给量和较小的刀轨行距（约百分之几毫米）来提高工件表面的加工质量，由此减少或完全免去加工表面的后序抛光处理。从而缩短模具整个加工工艺流程的时间。
高速硬铣锥齿轮锻模。这里采用了德国
Open Mind公司的HyperMill CAM软件。nextpage
高速硬铣（通常把硬度超过56HRC、Rm>2,000N/mm2的钢铁材料进行的加工称之为硬加工）为模具加工提供了很大的应用潜力，高速硬铣可以补充模具传统的加工工艺流程，在许多情况甚至可以完全替代电火花加工。这就可以在一次装夹下对模具构件进行全部加工，不仅大幅度地减少加工时间、改善型面的表面质量和加工精度，而且可以简化加工工艺流程。由于节省了制造电极、电火花加工和抛光（或大大减少抛光工作量）三道工序，缩短了模具的制造周期，降低了生产成本。例如制造一个材质为热作模具钢的注塑模，硬度56HRC。采用高速硬铣，工件可在一次装夹下进行粗、半精和精铣加工成成品。而采用电火花加工，工件需经过粗铣、调质（同时制造电极）、电火花加工和抛光。模具的制造时间要比高速硬铣高三倍。
近几年来，许多锥齿轮锻模的制造几乎都采用了高速硬铣工艺。如Walter以及日立工具株式会社等刀具厂商都为高速硬铣锥齿轮锻模提供了成套刀具。在模具制造业采用硬铣工艺已成为模具加工技术的发展趋向。
5轴联动铣削越来越多地获得应用
对于一些较深或难以接近的型腔自由曲面，通过5轴加工就能够采用相对短的铣刀，以增强铣刀的刚性和提高铣刀加工的稳定性。由此提高自由曲面的表面质量、尺寸精度和形状精度。通过5轴加工结合刀具的几何角度也有利于加工难于切削的材料。
5轴联动加工是通过在三个现有的笛卡尔直线坐标轴上集成两个附加的旋转回转坐标轴，使铣刀以5个自由度相对于构件的自由表面实施5轴联动加工。由此，就能实现最佳的铣刀切削情况，通过铣刀轴自由的几何定向，能使铣刀的刀刃最佳地适应构件的轮廓加工表面。
主偏角对切屑厚度和切削分力的影响。（Ingesoll公司）
5轴加工有下列优点：可以加工复杂的自由曲面；能加工工件的侧凹；工件可以在一次装夹下或稍经换夹完成全部加工；可以加工垂直的工件表面；可采用短和刚性好的铣刀进行加工。
但是，5轴联动铣削的缺点是CAM系统复杂的编程，并需较长的编程时间，由此影响到模具这种单件生产的经济性。
高速硬铣的应用限制
高速硬铣的难度常常会随着工件硬度和工件几何形状复杂性的增加而加大。前些年，在模具制造业，工件硬度在62—64，HRC被认为是高速硬铣能进行可靠加工的硬度上限。因为当硬度超过极限值时，铣削时铣刀就会迅速磨损。而复杂的几何形状会使切削条件变差，致使加工难以顺利进行。
近年来，许多刀具制造厂商通过开发专门的硬涂层来提高刀具的耐高温性能，以便加工硬度较高的工件。例如德国Walter公司，通过PVD的TiAlSiN涂层，使铣刀能加工硬度为70HRC的淬硬材料；又如日本的日立工具株式会社，通过纳米半晶态或非晶态TH45 涂层使铣刀加工工件的硬度达到72HRC。（这种涂层的最高适应温度达1,100°，硬度达3,600HV；而常用的TiAlN硬镀层最高适应温度仅为900°，硬度为3,300HV。）
过去，当材料硬度超过64HRC时，模具构件的加工就得采用电火花加工。现在工件加工硬度的提高意味着高速硬铣的应用范围又得到了扩大。
限制高速铣削应用的另一个因素是加工具有较大的深度/宽度比的型腔。对于加工这样深的型腔，除了不得不采用细长的铣刀，不利于加工外，型腔加工的顺利与否，还与许多因素有关：材料的硬度和韧性、刀夹的圆跳动、铣刀的圆跳动、刀夹和铣刀的动平衡、排屑和润滑情况以及是3轴还是5轴加工等。
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根据阿奇夏米尔公司的资料，加工较深的型腔，当采用的铣刀其长度/直径比为10时，铣削过程通常是可靠的；当比值达到10-15时，就需要机床操作者高度注意其铣削过程；当比值超过15时，铣削时就需要使用者具有专门的经验和诀窍。
为了能够解决材料愈来愈硬和形状变越来越复杂的加工任务。应采用确保加工顺利进行的一些措施：如加工较深的型腔时，应采用细长锥形和具有减震性能的刀夹（例如：液压膨胀夹头或三棱应力锁紧夹头），以避免铣刀在高速铣削产生振动，导致加工表面质量恶化和刀具寿命变短。刀夹、刀具还应进行动平衡，铣刀也应采用具有锥形杆的铣刀。并在进行高速硬铣的过程中，应采用微量润滑来提高刀具寿命和改善工件表面质量。
通常，在遇到型腔极窄又深的极端情况下，才考虑采用电火花加工工艺，而电极则可以通过高速铣削来制造。
大进给量（HFC）铣削工艺的应用
大进给量（HFC）铣削工艺是一种高效铣削新工艺。自2003年以来，这种工艺几乎在锻模、成形模、注塑模和模型等制造领域里得到了推广应用。这种工艺采用了有着较小主偏角或较大刀刃圆弧半径的铣刀，可采用比直角铣刀多好多倍的进给速度，由此显著提高了材料的切除率。
主偏角（K）是可转位刀片的主切削刃与工件表面之间的一个夹角，这个角度的大小直接影响到切屑的厚度、切削力和刀具的寿命。而大进给量铣削工艺的众多优点正是得益于采用了较小的主偏角。很显然，主偏角越小，平均切屑厚度越薄（h=fz sinK），作用于刀刃上的径向切削分力就越小，加工就越平稳。而相应较大的轴向分力则沿轴向作用于机床主轴。这样，铣削加工时，铣刀就不至于发生弯曲变形，而加工较深型腔时，所采用的较长悬伸铣刀也不会有产生震动的风险，由此大大提高了过程可靠性，并且还提高了刀具的使用寿命，从而能显著地提高铣刀的每齿进给量，进而大大提高进给速度。此外，铣刀大多采用较大的径向和轴向前角，进行软切削，减小了功率的消耗。
采用MultiEdge 4 Feed大进给量铣刀铣削时的切削条件和切屑断
面（LMT Fette公司）。通过小的主偏角，从而可加大每齿进给
量，提高材料切除率。径向切削分力的减小，也降低了震动风险。
近十年来，诸如LMT、Ingersoll、Seco、Walter和Franken Fette等许多刀具制造厂商相继开发出众多的大进给量高效铣刀，这些铣刀的结构虽然不尽相同，但它们的共同特点是都具有适合于实现高速进给的刀刃几何形状。这种几何形状的特点是切削刀刃具有一个很大的圆弧半径或具有一个较平坦的主偏角。其中如 LMT Fette正方形大圆弧刀刃半径的铣刀、Walter的三棱形三刃铣刀和Horn三角形大圆弧刀刃半径的铣刀，这些铣刀都采用了较小的主偏角（10°-20°），可采用很高的每齿进给量和很高的进给速度进行铣削加工，以获得很高的材料切除率以及较短的加工时间。
众多大进给量高效铣削工艺的使用表明，高效铣削与常规铣削工艺相比，其材料的切除率可提高500%，加工时间可降低150%，加工费用约可降低60-70%。例如，采用装有三个可转位圆刀片的常规拧装式铣刀粗铣模具钢（40Cr MnMoS86）材质的玻璃瓶吹模，切削速度Vc=250 m/min，每齿进给量fz=0.3mm，背吃刀量ap=0.75mm，侧吃刀量ae=18mm，铣削过程中采用冷风冷却。粗铣的加工时间为9min。而采用Franken公司装有三个具有大圆弧半径的Time-S-Cut可转位刀片的铣刀，进行同样的加工，而在切削用量方面只是将背吃刀量ap 降至0.5mm，而fz提高到1.0mm，这时的加工时间仅用了4min。加工时间为采用圆刀片铣刀铣削时的45%，时间节省了125%。又例如，高效粗铣挤压机孔板的槽腔，孔板材料X5CrNiCuNb15 5合金钢，机床每小时使用费用为230欧元。过去采用的铣刀加工2个槽腔后就需要换刀，后改用Walter公司专门为加工模具而开发的F2330型高效大进给量铣刀，由于主偏角很小，切屑变薄，径向切削力减小，因而可采用很高的进给速度，从而获得显著的技术经济效果。
应指出，采用大进给量铣刀进行高效加工，由于切屑很薄，径向切削力较小，功率消耗少，故可以在常规的普通机床上使用，有很好的使用柔性。
结语
对制造模具来说，高速加工和电火花加工是两个相互进行竞争的加工工艺，然而从当前高速硬铣和5轴加工技术的发展现状和发展的趋向看，可以确信，随着刀具材料和涂层技术，以及5轴加工机床和CAD/CAM软件等技术的进一步发展，在模具制造中5轴联动的硬铣技术，其潜力将会得到更好的展现。
而近多年来相继发展起来的以高材料切除率为特征的高效铣削工艺，在模具制造中也得到了广泛应用，这种采用小主偏角和大进给量的高效铣削，对提高粗铣效率、缩短加工时间和降低生产成本极为有效。
对于高效铣削工艺来说，刀具技术的不断发展，尤其是在刀具材料、涂层和几何形状方面的不断发展和优化组合，对开发各种高效铣刀起了决定性作用。特别要提及的是，优化切削刀刃的几何形状是提高大进给量铣刀材料切除率的基础。而机床、电主轴、刀夹、冷却和控制技术的不断发展则为高效铣刀加工能力的发挥提供了条件。
通过联合采用高效铣削和高速铣削，将进一步提高模具加工的效率和精度。
今后，用户的高要求和刀具的三要素（刀具材料、涂层和刀具几何形状）以及机床等相关技术的协同发展仍将是推动模具高速和高效加工技术发展的重要动力。
