CNC高速切削与电火花加工之比较

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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，尤其针对飞机薄壁零件及各种复杂的型面模具零件加工。

一. 高速切削特点与优势
1. 相比于普通数控机床，高速切削机床具有如下特点：
① 具有高切削速度和高主轴转速；
② 具有高快速移动速度：高速铣床的快速移动速度达到了30～90m/min；
③ 金属切除率高，切削效率高：切削45钢时，金属切除率通常为300～600cm3/min；
④ 具备高刚性高精度。
上述特点决定如下优势：
使用高速切削，铣削深度较小，切削线速度和进给速度较高，铣削力低，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，吃刀时间短，冲击和弯曲减小了，加工表面粗糙度值很小：铣削铝合金时可达R a＝0.4～0.6μm，铣削钢件时可达R a＝0.2～0.4μm。无需抛光、研磨等二次加工处理，有效地提高了模具的加工精度。有利于加工薄壁模具和整体结构式零件，高速切削的材料去除率通常是常规的3～5倍，在精加工中获得高生产率。如高速切削可使飞机大量采用整体结构零件，明显减轻部件重量，提高零件可靠性，减少装配工时。在数码产品或继电器等电子产品中，薄壁模具加工困难，采用高速铣削技术可以大大改善，能加工出壁厚0.2mm、壁高20mm的薄壁零件。

2. 高速切削应用条件
由于高速加工技术具有诸多特点以及模具零件具有复杂的型面，因此，模具高速加工技术对加工系统中的机床、刀具、数控系统等都提出了更高要求。
① 高速主轴：机床能实现高速切削的关键是机床的高速主轴。目前用于模具加工的高速切削机床主要是高速加工中心、高速铣床等，要求主轴转速为10 000r/min～40 000r/min，另外还要求主轴能够快速升速、减速，即具有很高的加速度、减速度。高速旋转的主轴要求轴承具有高承载能力、高刚度、高回转精度以及高使用寿命。

② 高速机床动态特性：高速切削机床对其支承件的静态、动态特性要求很高，机床床身要具有高的静刚度、动刚度、热刚度，好的结构刚性，足够的支承强度，高水平的阻尼特性，从而使机床固有频率远离高速切削时发生颤振的频率，进而使机床具有好的动态响应特性。

③ 高速切削刀具系统：高速切削加工时，高速刀柄的动平衡等级需达2.5G及主轴最高转速以上，用以保护主轴轴承寿命，而刀柄本身的锥面精度必须≤AT3，表面粗糙度值必须达到R a≤0.4μm。高速切削不但要求刀具具有良好的耐热性、耐磨损性和抗破损性，同时对其动平衡质量也提出了严格要求。高速切削时，由于主轴转速很高，不平衡质量将引起非常大的惯性离心力，影响刀具寿命、加工精度和加工效率。针对铝合金、铸铁、钢、钛合金等不同加工材料，应合理高效地选择刀具。目前常用的高速切削刀具材料有：硬质合金及其涂层、陶瓷、立方氮化硼（CBN）、聚晶立方氮化硼（PCBN）、超硬材料金刚石、聚晶金刚石和金刚石涂层等。

④ 高速切削的数控编程：由于模具的型面复杂，通常采用CAD三维设计软件建模。为充分发挥高速切削的高精度、高效率等特点，不但要求数控系统具有高速编程计算功能，对编程人员的专业水平及综合能力提出更高要求。

二. 电火花加工
电火花加工是利用浸在工作液中的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用蚀除导电材料的特种加工方法，又称放电加工或电蚀加工（英文简称EDM）。电火花加工能加工普通切削加工方法难以切削的材料和复杂形状的型孔和型腔的模具和零件：
① 加工各种硬、脆材料，如硬质合金和淬火钢等。
② 加工深细孔、异形孔、深槽、窄缝和切割薄片等，如各类热锻模、压铸模、挤压模、塑料模和胶木膜等模具。

1. 电火花加工包括电极的制作和EDM放电加工。
（1）电极的制作
电极制作主要采用三轴数控机床来加工，机床稳定性要好，三轴运动要均匀稳定不振动，主轴回转精度也要好。可在同一台机床上进行电极的粗加工、半精加工和精加工。
石墨与紫铜电极在CNC加工的特点：
① 石墨电极加工性能好，易于加工各种复杂的形状，切削阻力为铜的1/5，加工效率为铜的两倍，且其强度很高，耐高温，热膨胀率极小，对于超高（50～90mm）、超薄（0.2～0.5mm）的电极，加工时不易变形。
② 比重轻，比重为铜的1/5，常用于重、大及整体电极加工。
③ 石墨对刀具的磨损较为严重，加工时产生的灰尘比较大，可能入侵到机床的导轨丝杠和主轴等，这就要求石墨加工机床有相应的处理石墨灰尘的装置，机床密封性也要好，因为石墨有毒。

（2）电火花加工特点
① 电火花加工速度与表面质量：模具在电火花机加工一般会采用粗、中、精分档加工方式。粗加工采用大功率、低损耗的实现方式，而中、精加工电极相对损耗大，但一般情况下中、精加工余量较少，因此电极损耗也极小，可以通过加工尺寸控制进行补偿，或在不影响精度要求时予以忽略。石墨的导电性能好，在放电加工中能节省大量时间，粗加工优势明显。石墨电极放电速度比铜快，但损耗大，铜电极常用于模具精加工。但其加工表面往往需要抛光打磨，以提高模具表面质量。

② 电火花碳渣与排渣：电火花机加工在产生碳渣和排除碳渣平衡的条件下才能顺利进行。实际中，往往以牺牲加工速度去排除碳渣；另一个影响排除碳渣的原因是加工面形状复杂，使排屑路径不畅通。唯有积极开创良好排除的条件，对症地采取一些方法来积极处理。有一定绝缘度的工作液作为放电介质，在加工过程中还起着冷却、排屑等作用。常用的工作液是黏度较低、闪点较高、性能稳定的介质，如煤油、去离子水和乳化液等。

③ 电火花工件与电极相互损耗：电火花机放电脉波时间长，有利于降低电极损耗。电火花机粗加工一般采用长放电脉波和大电流放电，加工速度快电极损耗小。在精加工时，小电流放电必须减小放电脉波时间，这样不仅加大了电极损耗，也大幅度降低了加工速度。放电过程有部分能量消耗在工具电极上，导致电极损耗，影响成形精度。

三. 电火花加工与高速切削之比较
高速铣削是一项系统技术，企业必须根据产品的材料和结构特点，购置合适的高速切削机床，选择合适的切削刀具，采用最佳的切削工艺，以达到理想的高速模具加工效果。高速切削技术具有高的生产效率、加工精度、表面质量等优点，已成为先进制造技术的重要组成部分，但其加工成本很高，如高性能的3～5轴数控机床、刀具、数控系统，专业的软件及编程人员等。如在高速铣削加工中，刀具硬度必须比工件大，而数控电火花加工的电极材料不必比工件材料硬，可节省辅助时间和刀具费用。电火花加工是高速铣削加工的有力补充和坚强后盾，以柔克刚独特的加工性能，在高速铣削无法加工的微小区域，或难以切削的材料、复杂形状的型孔和型腔的模具和零件，发挥着极其重要的作用。

现代模具制造的发展方向是两者紧密相连，优势互补。以注射模具为例，往往大面积、易于高速切削加工为优先使用，其他难以切削加工的型腔部分由电火花加工完成。

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