图1  开始采用硬铣削工艺了吗？当高速加工技术应用于淬火的模具零件加工时，模具车间可能会从模具加工工艺中选取一些最昂贵、最耗时的工艺步骤

模具加工车间应采用硬铣削工艺，或者到具有这一加工能力的外协工厂完成这一任务。

硬铣削技术是高速加工技术的一个分支。高速加工的核心就是在非常接近的跨距间隔内进行许多轻微的切削，因此遗留在每道加工区之间的交叉点极少。其目的是为了形成一个加工面，以大幅度地减少后续加工量。为了使刀具获得一个有效的切屑负荷，其进给速度和主轴转速必须大大高于传统加工中应用的正常加工速度，因此将它称之为高速加工。高速进给也可以使刀具通过工件的走刀次数大幅度增加，使其加工速度比传统的方法更快。

硬铣削加工

硬铣削技术又比高速加工的概念迈进了一步。在全部满足适当工况的条件下，高进给速度的轻微切削与主轴的高转速结合，可使机床有效地切削淬火状态下的钢材。采用小直径和小半径刀具进行跨距间隔紧密的加工，可以使表面光洁度接近油石桁磨或手工抛光的水平（根据Greenwald先生的常规报告，必要时，采用硬铣削加工，模具的表面光洁度可达到10~12 rms）。由于钢材已经过淬火，因此在加工以后，无需再进行热处理、消除应力或磨削加工。而更重要的是，该工艺还可以替代许多成本费用很高的EDM加工工艺。

硬铣削工艺的另一个优点是能够保持极高精度的公差尺寸（±0.0 004 in或更低），这对模具加工是十分重要的。使得模具轮廓的加工不需要保留在正常情况下手工打磨所需的加工裕量。而且通过零裕量加工的模具，其几何形状将完全与CAD模型相符。同样，这一工艺也可使模具的配合面，按照负切削裕量的条件加工。这一工艺的理念就是沿着模具的分型线来加工模具的闭合面，通常在型腔一侧加工，其加工非常精确，但略低于公差尺寸。这样就会在模具的闭合面之间留下很小的缝隙，而按照常规加工的模具，闭合时其表面之间通常是互相接触的。由于缝隙很小（一般为0.0 008in，1in=25.4mm），因此在注塑过程中，熔融的塑料不会从缝隙中外流，因为模具的闭合密封性能仍非常有效。而这一缝隙可以让空气从模具中排出，当熔融的塑料在模具中模压成形时，不需要另增通风系统。四周角落上布置的微小接触垫块也可保持模具之间的缝隙。这样，闭合面就不会相互接触。在通常情况下，这类表面之间的干扰问题必须通过逐点打磨和逐步磨合的方法才能解决，现在就不需要这些步骤了。此外，这条缝隙消除了型芯和型腔两面闭合时其表面之间的相互影响，从而可完全避免了在分型线处出现飞边的可能性。

图2  Corey Greewald先生（右）和Kevin Hunter先生正在检验由该车间牧野V56型立式加工中心生产的一个模具块。这一模具块（右图）由淬硬的H13工具钢制成。在这一模具的加工中，其所使用的最小刀具为直径1.0 mm的球端立铣刀，其长度与直径之比为12:1，这一工艺为客户节约了大量的EDM加工时间和抛光操作时间

注塑模加工关键工艺

Corey Greenwald先生深谙硬铣削已成为注塑模加工车间的关键工艺。他了解如何有效地在车间内进行硬铣削工艺的常规操作。当模具车间向硬铣削工艺转化时，需要专业车间处理硬铣削问题。

但是，当真正需要采用硬铣削工艺时，许多模具加工车间并未做好准备。他们仍坚持使用那些传统的模具加工方法。因此，还要花时间对模具进行手工抛光，然后花更多的时间对模具一边磨合试验，一边逐点打磨。

Greenwald先生说：“这些额外增加的工时就能表明其在全球模具制造业市场中，是否具有竞争力。”他总结说：“如果这些车间不改变他们的加工方法，就很难长期生存下去。”

Greenwald先生确信，采用硬铣削工艺是解答上述问题的最重要答案之一，尤其是对生产小型模具及其插接件的车间。他说，硬铣削工艺可以帮助模具加工车间直接在淬硬的钢材上加工模具和精加工模具的表面，加工后很少需要或甚至无需手工抛光。这一工艺可以节省模具制造过程中几个很费时的劳动密集型工序。他补充说，硬铣削工艺还有助于提高模具一侧闭合面的表面光洁度，使其达到“负裕量”切削水平。其好处是可以使模具配合面之间留下微小的缝隙，这样当模具第一次放入到压力机的时候，可以大大减少模具最后的校正、调试（逐点打磨时间）时间和减轻工作量。而且还可以延长模具的使用寿命和提高模具的运行速度。

Greenwald先生说：“适当地应用硬铣削工艺，模具加工车间能够很容易地从机床上卸下模具的零件，然后将它们组装在一起，放入到注塑机之中，这样第一次注塑就能获得一个合格的注塑件。采用硬铣削加工的模具车间，可以从注塑模的加工和打磨过程中节约很多时间和费用。”

那么如何进行硬铣削加工呢？按照Greenwald先生的说法，采用硬铣削工艺需要创立一套新的思想方法，应考虑如何加工金属。硬铣削加工需要采用某种特定的机床、某种特定的刀具和刀夹以及某种特定的编程软件。

Greenwald先生说：“一旦准备就绪，并了解了如何相互搭配，就可以预见硬铣削工艺必将成为一项可靠而富有生产成效的工艺。”

图3  这一模具型腔的整个表面是在淬硬的状态下铣削加工的，其加工后的表面光洁度为12rms，再也不需要由钳工修整和零公差逐点打磨。另一配合面的型芯也采用硬铣削方法加工。型腔一侧的闭合面被加工到0.0008 in的负裕量公差尺寸。采用这副模具的第一次注塑，就可以生产出一个质量合格的塑料件

　　
从保护刀尖开始

像其他CNC加工工艺一样，硬铣削加工工艺也取决于机床的功能、合适的刀具/刀夹系统以及有效的刀具路径程序。然而不像其他加工工艺那样，这些因素之间的互动关系更为复杂和更为动态化。Greenwald先生说：“掌握硬铣削技术可以说是一次挑战，了解硬铣削技术的方法应懂得如何保护刀具的刀尖。一切归结于如何让刀具的刀尖安全而有效地进行切削加工。只要处理好这些互动关系，立铣刀的刀尖就能进行自由切削，与切削材料之间保持恒定的接触面。其他一切均按部就班。”。

刀具：Hard Milling Solutions公司一般采用球端立铣刀进行粗加工、半精加工和精加工。精加工时一律采用双切削槽球端立铣刀，在硬铣削工艺中，这类精加工刀具是最关键的元素。在精加工过程中，立铣刀必须满足两个基本要求：一方面，刀具必须具有一个近乎完美的半径以及毫无瑕疵的刀刃。半径的精度必须高度精密，只有这样，高切削槽或低切削槽都不会造成不均衡的金属切削现象，以免降低几何精度、影响表面质量和刀具寿命。车间中用于精加工的立铣刀，其半径精度至少应达到 ±5μm（±0.0 004 in）。车间里还使用过直径0.012 in的立铣刀，其半径精度达±0.0 002 in。

带切削槽的刀刃必须保持尽可能少的显微切屑、裂缝或其他不规则的缺陷。如果存在这些缺陷，就意味着刀刃容易在接触工件的过程中加速磨损。这必将导致表面光洁度变得更加粗糙，而且会缩短刀具的使用寿命。当机床在无人化操作的情况下，刀具的寿命成为一个很大的问题，因为车间完全依赖于立铣刀的使用寿命，并尽可能使其延长到人们所期望的目标。

目前，像OSG 公司和NS Tool刀具公司等一类供货商可以提供这些规格要求的刀具，不过这些产品的价格要比标准的刀具更加昂贵。然而，采用这一品质的刀具是绝对必要的，价格不应该成为一个问题。Greenwald先生说：“这些刀具为超越抛光和打磨工艺的可能性奠定了基础，因此是硬态铣削工艺中不可缺少的基本投资。”

刀夹：刀夹能起到保护立铣刀半径和刀刃质量的作用。Greenwald先生确信，带有HSK接口的缩套刀夹可提供最好的保护。在夹紧方法中，缩套夹紧能保证最低的径向跳动误差，因此可使刀具偏离中心旋转的误差降低到最低限度。径向跳动误差可使带一个切削槽的刀具造成切削过量的问题，因而增加了切削槽上的切屑负荷，缩短刀具使用寿命。

Hard Milling Solutions公司的刀具采用了Haimer缩套系统。按照Greenwald先生的说法，交换刀具、重新装夹及返回自动换刀装置的整个过程不到1min。根据他的经验，缩套夹紧方法通常可以使径向跳动误差保持在0.0 001 in以下。车间只购置经过平衡处理的HSK刀夹，以免造成不必要的任何其它麻烦。HSK接口已成必不可少的装置，在主轴夹紧系统中，比其它锥套夹紧的方法更为牢固、更为精确和更为安全。

主轴：正如刀夹起到立铣刀刀刃保护的作用那样，主轴可用于保护刀具/刀夹组件的一体化。当然，主轴的设计也必须具有高速旋转的性能，这是硬铣削加工所不可缺少的条件。控制主轴的热量和振动是非常重要的。直接驱动的主轴（动力系统不通过齿轮或皮带驱动）和内部的冷却通常取决于硬铣削的应用情况。在Hard Milling Solutions公司内安装的两台V56型立式加工中心，其主轴都具备这些特性。这两台机床主轴的转速均高达20 000 r/min。

机床的结构：在探讨这类机床的主轴时不能不谈及机床的整体结构，因为这是机床的一个重要部分。Greenwald先生说：“毫无疑问，用于硬态铣削加工的机床必须具有极高的刚性。”当然，精度也十分重要。

从热稳定性和刚性而言，车间内机床的设计特别适合于所要求的应用范围。这些机床的某些结构特点与通用机床不同，其中包括：

配置重型基座和重型立柱重量超过20  000lb，1lb=0.45kg）。

主轴采用中心冷却。

主轴箱导轨采用线性滚珠轴承。

采用双支撑滚珠丝杠。

Greenwald先生说：“最重要的是尽可能减少刀具的振动和累积误差。不管切削使用的是40 ipm(1m/min)条件下的0.5mm立铣刀，还是380ipm条件下的6mm立铣刀，精度保持在十分之几in的范围内，但系统的变量效应是会放大的。所以一切因素都必须得到控制。”

这些机床上的CNC处理器和侍服系统也是专门为硬铣削工艺而设计的，其中包括下列特点：

采用双RISC处理器，其中一个处理器专门用于数据的转换，将编程刀具路径转换成必要的侍服指令。

具有120个程序块的前瞻功能，可防止刀具行程的过量或不足。

为精密定位控制的需要，对高分辨率编码器的反馈进行有效的插补。

装有反馈玻璃光栅尺，分辨率为50nm增量级。
编程软件

刚性良好、反应灵敏的机床性能还取决于NC编程输入。Greenwald先生认为，这是在硬态铣削工艺中，刀具路径对驱动CNC系统的影响。

他解释说：“一切都要重新回到开始时的刀尖问题上来。”

当加工淬火的材料时，刀具的理想半径和刀刃依赖于是否能够“平稳地骑在工件上”安全和精确地进行切削加工。正是因为这一原因，大部分CAM软件都不适合于硬铣削加工工艺。生成刀具路径的运算法不是为这种硬铣削工艺所要求的平稳和精确运动而设计。

正如Greenwald先生所看到的那样，典型的CAM软件是专门为刀具路径的快速生成而设计的，因此大部分系统是采用处理捷径来有效地生成代码的。对于一般的铣削应用领域而言，这一软件的开发是非常伟大的，因为这些捷径的效果无关紧要。对于这种工作而言，其输出的精度已经足够。他说，问题是，在硬铣削领域中，这一优点却变成了一个缺点。

Greenwald先生的车间采用CAM-TOOL计算机辅助生产工具作为其编程软件。这一软件是日本开发的，其美国的销售商为Graphic Products North America北美图像产品公司，总部设立在安大略省的Windsor市，其新的总裁Randy Nash先生。该公司的其中一名销售和应用专家Chris Renaud先生已与Hard Milling Solutions公司合作多年，非常了解其应用情况。他说：“Corey先生的车间对硬铣削工艺的需求具有一定的代表性，特别是对模具加工而言。”

按照Renaud先生的说法，这一软件无法创建一个轮廓几何表面的三角网近似值，因为这些近似值影响了硬铣削所需的精度，其测量精度为百万分之几英寸。相反，该软件是根据从几何形状上直接获得的各个点来计算刀具路径的。他说， 事实上，这些点可以用数学的方法连接成与各点最相适应的特定曲线，它与整个轮廓中采用直线段连接网络中每一个三角形中心点的情况恰好相反。由于其产生的路径是一系列的曲线，因此在短线段形成的方向上，由刀具路径定义的运动缺少突变。以纳米级分辨率反馈的机床将毫不妥协地沿着这些线段运动，造成一个断续而不稳固的效果，使刀具处于风险境地。

按照Renaud先生的说法，对硬铣削的有效刀具路径还提出了其他一些要求，它们必须：

在切削过程中，控制刀具的如何进入和退出。

通过控制刀刃与工件材料之间接触量，保持恒定的切屑负荷。

在每道粗加工或精加工过程中，提供恒定的加工裕量条件。

Renaud先生说，精确分析工件几何加工形状的算法是达到这些目标的关键因素。用于硬铣削的刀具路径不能与刀具的能力和工作条件发生矛盾，只有这样才能保证模具的加工精度和表面光洁度，使其能够很好地在注塑压力机之中工作。

图4  刀具在刀夹中的一个全面和精确的模型可以让编程软件以100 %的精确度检查工件可能发生碰撞或刮削的情况，这有利于工件的预测和无人化切削

可靠性进一步提高

如果刀具的刀尖与编程软件之间的链接没有薄弱环节，那么硬铣削的可预测性和可靠性将进一步提高。这就是为什么无人化操作可行的原因。实际上，Hard Milling Solutions公司每天正是这么做的。
Greenwald先生说：“我们的每台机床，每星期平均约有100h以上的工作时间很少需要有人干预操作。”大约有90%的加工业务完全采用无人化操作。他说：“如果必须站在机床的前面从事这些加工作业，那么操作人员就无法正确地编程。”只有当他和Hunter先生两人中的其中一人用以前从未碰到过的较小刀具或对更硬的材料进行试切削时，他或Hunter先生才会密切地注视某一工件的加工情况。

然而，他强调说，在硬态铣削加工中，采用无人化操作的模式进行常规操作并不是一个选项或一种奖励。他说，机床几乎24h连续运行的方式是机床本身获得回报的惟一途径，也是公司回收投资和健康发展的有效途径。无人化操作体现了机床的高产出和劳动力低投入的优越性。这一工艺也节约了大量的钳工和手工打磨作业所需的工时，从而节省了很高的劳务费用。

硬铣削工艺应该对模具制造商具有很大的吸引力。为了消除或大幅度降低电极铣削加工、EDM加工、磨削加工和在压力机上的抛光加工及逐点打磨加工，硬铣削工艺代替了在模具制造过程中的某些最昂贵和最费时的工艺步骤。