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电磁研磨模具加工技术 |
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作者： |
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在金属模制造工程中，因为工作机械及放电加工机械的导入，以及其後之CAD/CAM的导入，促进了从设计到加工整个流程的机械化及自动化。因为CAD在可以表现出更复杂的形状，其操作性及和CAM的相容性也提高了，所以可以在更快速的情形下求得更高的精度。CAM也更为快速，且因为多轴控制加工的功能，而可以进行复杂形状的加工。在形状创制加工方面，因为高速铣床及镜面放电加工机械的出现，而能而更快的进度来进行高精度的金属模制造。
然而，精细修润(研磨)及组立流程的自动化却比前述流程为慢。虽然到目前为止，市面上所贩卖的研磨专用机械发挥很大的效用，而其中的大部份，大都是以自我模仿或学习的方式来进行工具移动，所以看不到有多大的变化。而最近以CAD资料为基础，采用多轴自动机械来进行研磨自动化实验。为了实现以形状精度及效率为前提的高水准金属模研磨，则以能整体掌握从设计到加工、计测之连续金属模制作流程的CAD/CAM系统为基础的驱动旁式，或是可以并用在形状加工上使用之NC资料自动研磨方式为并。其代表的意义，就是以CAD资料为基础的方法，将来极有可能成为实现高精度、高效率之研磨自动化的一方法。
到目前为止，精细修润(研磨)流程的效率化及追求高精度方面，大都着眼於研磨的发展上。所以大家都将此流程中效率化及高精度化的重点，放在如何提高前流程中之切削加工或放电加工精度来进行形状加工，且能将表面粗糙程度降至最低。笔者认为，在形状创制加工中应尽量提高精度，在不降低效率的前提下，减少表面的粗糙度，再利用研磨时减少研磨的份量来维持精度，这样就可以现高精度又具高效率的金属模研磨。
因此，将针对以推动金属模研磨的自动化、快速化、高精度化为目的而进行之高速铣削、5轴控制切削、及电磁研磨等实验来进行解说。
研磨前流程的努力
模具制作上是以设计、加工制造为主，一直到目前为止一直都在追求各个流程中的快速化、高精度化要及自动化。本来这些流程都是互相关连，而必须被整体考虑的，但在某一个流程中作有程度的牺牲，可能会带给另一个流程更大的益处，例如，缩小切削时的pick进给，进行表面粗糙度较低的形状加工，以减轻研磨的负担，这些情形应该都已经被考虑过了。当然，将pick进给减为一半时，就必须花费2倍的时间，负责切削加工的人自然不愿意。然而，此种作法可减少表面的粗糙度，研磨的部份就相对减少，不但可以缩短修润加工的时间，在修润加工流程中，也可以减少形状上的损失，同时也很明显地，会使组合、试模修正等後流程更为顺利。若缩小pick进给又能以较少的加工时间来进行形状加工的话，则不但可以缩短整个金属模的制作流程，又同时可以提高品质并降低低成本。 
相片一 图一
1. 相片1在加工制造中心机上配置电磁研磨工具的外观。
2. 切削及研磨所需要的时间(h/100cm2)
3. pick进给(mm)
4. 切削条件
高速MC：旋转数30000rpm进给速度9750mm/min切深0.1mm
高速MC：旋数数20000rpm进给速650mm/min度切深0.2mm
两方都是以直径20球端铣刀来加工
5. 研磨条件
直径16球端割缝工具、旋转数1750mm、加工间隙1.2mm、655NbC-Fe磨粒(212-300)、磁束密度1T
6. 图1以各种Pick速量，对S50C材1000mm进行切削，并以电磁研磨至表面粗糙度为0.4mRmax时所花费的整体加工时间。内是切削後的表面粗糙度5轴控制切削及电磁研磨
基於上述理由，笔者一群人就针对如何组合高速铣削及电磁研磨来促进研磨的效率、如何利用5轴控制的切削及研磨来提高研磨的精度，及以何种切削条件才能满ì所有要求的研究。
电磁研磨法的特征
相片1是在多能加工制造中心机上配置电磁研磨工具的外观。电磁研磨装置是由线圈绕组、铁蕊、直流电源、及电磁磨粒所构成，是可配置在任何工作机械上的简易装备。通电後，其铁蕊前端会敛引磨粒而形成电刷。同时，和铁蕊对峙的加工物件会被磁化，加工件侧也会产生吸引力而敛附磁性磨粒，就形成加工压而进行研磨。铁蕊和加工物件有数mm的间隙，此间隙中会充满磁性磨粒。
此研磨法的特徵是，可以利用以NC资料为基础之驱动方式来进行自动研磨，即使加工物件有微细的凹凸，磨粒集合体也会配合加工物件形状来进行研磨。因可以使用形状加工的工作机械，加物件不需再经阶段更换，所以有更好的精度。
高速铣削的优点及电磁研磨
高速铣削因为高速旋转的主轴、其相对应的工具及双环的开发而正在进行实用化的检讨。采用此加工法，即使以较小pick的进给来切削，因为是以高速来进给工具，所以加工时间不会增加。图1中是在各pick进给的情形下，以旋转数20,000rpm、进给速度650mm/min、及旋转数30,000rpm、进给速度9,750mm/min对S50C材100(平面)进行切削，在以电磁研磨至表面粗糙度为0.4时所花费的整体加工时间。以电磁研磨经0.3mmpick进给高速铣削後的表面时，所花费的整体加工时间是最少的。若pick进给切削时间花费太多，就不是效率加工。若将切削时间及研磨时间的总和最小设定为加工条件，则可实现加工到表面修润之间的迅速化。
我们在前面已提高，要实现高精度研磨，必须在形状创制加工中追求精度。现在就针对3轴及5轴控制切削的精度研磨时的精度进行探讨。
图2是在3轴及5轴控制下，对各曲率进行圆筒形切削後，以3次元测冤机进行测定的测定点及其最小平方近似圆。和近似圆的偏差愈大代表精?愈差，由其凹凸情形可以看出切削状态并非十分平整。由图可知，不论在何种曲率半径的切削、曲率半径的误差，5轴控制比3轴控制小，而且也较为平整。因为3轴控制在圆筒形状顶点附近切削时，是以周速较慢的刀刃中心切削，所以和两端产生较大的差异。因此，要使切削的精度高，应保持刀刃较利的部份和加工物件接触，所以能进行工具的位置控制之5轴控制切削效果较佳。
图3是，3轴及5轴控制下，以0.3mmpick进给切削後的R60面及对电磁研磨以3次元测定机进行测定的测定点和其最小平方近似圆。4轴控制切削5轴控制研磨组合的曲率半径偏差较小，精度较高，可知其切削及研磨较为平均。
切削条件会影响研磨的精度及效率
通常，以较大的pick进给量切削时，因为每一面积及压力都很均一，仍无法有均一的表面修润。若刀刃的进给比较小，所以会形成不平均的波形切削面。所以在一般的研磨加工中，即使京轮的接触面不在pick进给及工具进给的两个方向罐有差异而形成有凹凸之鳞状切削面进行研磨，是不可能有高精度及有效率的表面修润。为了要有这样的切削面，高速进给是最适当的切削法。
表一| Fz=Pf | Fz=Pf/2 | Fz=Pf/3 | Fz=Pf/4 | | Pf | Fz | Pf | Fz | Pf | Fz | Pf | Fz | | 9.43 | 6.39 | 5.71 | 2.86 | 6.50 | 3.84 | 6.88 | 3.76 |
如表1所示，进给是工具进给和pick进给相同、或为其的1/2、1/3、1/4时，切削面的(pickfeed)方向和工具速进给方向的表面粗糙度。当两者相同时，表面粗糙度虽然较大，但差异及方向性都较小。而图4是相对於pick进给来变更工具进给所得到之切削面，在同一条件下进行电磁研磨时的表面粗糙度，两个方向的进给相同时的切削表面虽然较为粗糙，但最後表面粗糙度却是最低。将切削面的表面粗糙度控制在某个程度以下，切削面的凹凸形状就不会有方向性且较为均一，则对研磨较为有利。
图四
粉末混入放电加工面的电磁研磨
上述的结果都是根据以切削来进行形状加工下的研磨而得来的，而放电加工的情形应该也相同。传统放电加工面的表面粗糙度较大，且要除去加工硬化(变质)层较为困难。而最近则开发新的技术，在加工液中混入硅有机树脂等粉末来进行放电加工，可以得到数um的镜面。和传统的放电加工比较下，表面粗糙度减少了10um以上，所以研磨部份就减少了，即可维持放电加工时的精度，而实现了迅速且具高精度的金属模研磨。在笔者们的预备实验中，对2um的放电加工面进行电磁研磨，同时对相同粗糙度的切削加工面进行研磨，结果发现其研磨疲果相同。所以，利用粉末混入放电加工的形状创制，可作为迅速又具高精度之金属模研磨的前流程。
为了促进金属模研磨的自动化、快速化、高精度化而行高进铣削、5轴控制切削、粉末混入放电加工面的电磁研磨及切削条件所产生的效果，都已如前面所述。在实现迅速又高精度的金属模研磨上，和整理前的形状加工具有何精度，其形状创制上能有多小的表面粗糙度是有绝对的关连的。当然，研磨机本身的高度化也是非常重要的。而最近也开发出形状加工上使用的革新技术。利用新技术来进行形状加工，并使整理的前流程能更迅速具更高的精度，则就会在整理过程中完全表现出来，实现迅速又具高精度的金属研磨的之自动化。
虽然在这里我们只提及以电磁研磨来进行整理，我们相信，不论选择种加工，上面的理论都是可以适用的。可在形状加工的前流程CAD/CAM当中，就能以综合性方式的来思考其後的流程，则金属模制作上永远的问题品质的提升及成本的降低都是可以期待的。(end)
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(12/22/2004) |
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