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高速铣削在模具制造中的应用
作者:大连组合机床研究所 李如松
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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、成本和投放市场的时间。

由于像锻造、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,要求具有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,又鉴于模具主要是按单件或较小批量进行生产,这就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,提高生产效率和加工柔性,缩短加工时间。例如,在汽车工业领域,汽车的开发周期已力求缩短到3年,模具的交货期需从18个月缩短到12个月。

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:一是采用借助于铜或石墨电极的电火花加工;二是直接采用高速铣削加工模具。在过去,成形模的加工广泛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,还有一个问题就是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,上世纪90年代以来,随着高速切削技术的兴起和发展,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。

高速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,而且还被用来加工电火花加工用的电极。

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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,既能大大缩短加工时间,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(图1),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(图2)。

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高速硬铣(通常把硬度超过56HRC、Rm>2000N/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 Prototyp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(图3)提供了成套刀具,仅从这些高速硬铣的加工实例中可以看出,铣削工艺比电火花加工赢得了更为重要的地位,特别是高速硬铣已成为模具加工最为重要的关键工艺,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。

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5轴联动加工

对于一些较深或难于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。

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;
◆ 可以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。

高速铣削(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62~64HRC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,致使加工难于顺利进行 。

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1100℃,硬度达3600HV;而常用的TiAlN硬镀层最高适应温度仅为900℃;硬度为3300HV)。

在过去,当材料硬度超过64HRC时,模具构件的加工就需要采用电火花加工。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:如材料的硬度和韧性、刀夹的园跳动、铣刀的园跳动、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。

根据GF阿奇夏米尔公司的资料,加工较深的型腔,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得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:液压膨胀夹头或三菱应力锁紧夹头),以避免铣刀在高速铣削时产生振动,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,在遇到型腔极窄且深的极端情况下,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。

结语

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。

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。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (1/14/2013)
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