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高速加工技術在現代模具製造的應用

1.引言

模具作為重要的工藝裝備,在消費品、電器電子、汽車、飛機製造等工業行業中占有舉足輕重的地位。雖然近年來我國模具技術有了迅速的發展,但與製造強國相比尚有較大差距。目前我國技術含量較低的模具已供過於求,而精密、複雜的高檔模具則大量依靠進口。

提高模具生產技術水平和質量是發展我國模具製造業的重要因素。由於采用模具高速切削技術可以明顯提高模具生產效率和模具精度及使用壽命,因此正逐漸取代電火花精加工模具,並已被國外的模具製造企業普遍采用,成為模具製造的大趨勢。但高速切削技術在模具生產中應用時間比較短,而且在使用中技術要求比較高,我國大部分模具生產企業還不能掌握並應用,以至不能發揮優勢。文中將著重介紹高速切削加工模具的一些實用技術和應用的問題。


2.高速切削應用於模具加工的優勢和現階段需要解決的問題

模具加工的特點是單件小批量、幾何形狀複雜,因此加工周期長,生產效率低。在傳統的模具加工工藝中,精加工淬硬模具通常采用電火花加工和人工修光工藝,後期加工花費了大量時間。縮短加工時間和降低生產成本是發展模具加工技術的主要目標。近年來,模具加工工藝方麵有了許多新技術,如高速切削、CAD/CAE 設計仿真、快速原型製模、電火花銑削成型加工和複合加工等,其中最引人注目、效果最好的是高速切削加工。

高速切削加工模具是利用機床的高轉速和高進給速度,以切削方式完成模具的多個生產工序。高速切削加工模具的優越性主要表現在以下幾個方麵: 

①高速切削粗加工和半精加工,大大提高金屬切除率。

②采用高速切削機床、刀具和工藝,可加工淬硬材料。對於小型模具,在材料熱處理後,粗、精加工可以在一次裝夾中完成;對於大型模具,在熱處理前粗加工和半精加工,熱處理淬硬後精加工。

③高速高精度硬切削代替光整加工,減少大量耗時的手工修磨,比電火花加工提高效率50% 。

④硬切削加工最後成型表麵,提高表麵質量、形狀精度(不僅表麵粗糙度低,而且表麵光亮度高),用於複雜曲麵的模具加工更具優勢。

⑤避免了電火花和磨削產生的脫碳、燒傷和微裂紋現象,大大減少了模具精加工後的表麵損傷,提高模具壽命20%。

⑥工件發熱少、切削力減小,熱變形小,結合CAD/CAM技術用於快速加工電極,特別是形狀複雜、薄壁類易變形的電極。

高速切削的優勢對模具加工的吸引力是不言而喻的,但與此同時,模具的高速切削加工成本高、對刀具的使用要求高、需要有複雜的計算機編程技術做支持、設備運行成本高,因此,由於資金、技術等方麵的原因,國內對高速切削加工模具的應用還不多,目前亟需要解決如何選擇和應用高速加工模具的機床、高速切削刀具、合理的加工工藝、刀具軌跡編程層以及工藝實驗等一係列問題。


3.加工模具的高速切削機床
選擇用於高速切削模具的高速機床時要注意以下問題:

(1)要求機床主軸功率大、轉速高,滿足粗、精加工。精加工模具要用小直徑刀具,主軸轉速達到15000~20000rmp以上。主軸轉速在10000rpm以下的機床可以進行粗加工和半精加工。如果需要在大型模具生產中同時滿足粗、精加工,則所選機床最好具有兩種轉速的主軸,或兩種規格的電主軸。

(2)機床快速進給對快速空行程要求不太高。但要具有比較高的加工進給速度(30~60m/min)和高加減速度。

(3)具有良好的高速、高精度控製係統,並具有高精度插補、輪廓前瞻控製、高加速度、高精度位置控製等功能。

(4)選用與高速機床配套的CAD/CAM軟件,特別是用於高速切削模具的軟件。
在模具生產中五軸機床的應用逐漸增加,配合高速切削加工模具具有以下優點:

①可以改變刀具切削角度,切削條件好,減少刀具磨損,有利於保護刀具和延長刀具壽命;

②加工路線靈活,減少刀具幹涉,可以加工表麵形狀複雜的模具以及深腔模具;

③加工範圍大、適合多種類型模具加工。

五軸機床通常有工作台式和銑頭式五軸機床兩類,可以針對模具類型進行選擇。銑頭式五軸機床中,可更換銑頭和更換電主軸頭的五軸機床可分別用於模具的粗、精加工。


4.高速切削模具的刀具技術

高速切削加工需配備適宜的刀具。硬質合金塗層刀具、聚晶增強陶瓷刀具的應用使得刀具同時兼具高硬度的刃部和高韌性的基體成為可能,促進了高速加工的發展。聚晶立方氮化硼(PCBN)刀片的硬度可達3500~4500HV,聚晶金剛石(PCD)硬度可達6000~10000HV。近年來,德國SCS、日本三菱(神鋼)及住友、瑞士山特維克、美國肯納飛碩等國外著名刀具公司先後推出各自的高速切削刀具,不僅有高速切削普通結構鋼的刀具,還有直接目前國內高速加工刀具的開發與國外還有較大差距,而進口刀具的昂貴價格也成為阻礙高速切削模具應用的重要因素。

一般來說,要求刀具以及刀夾的加速度達到3g以上時,刀具的徑向跳動要小於0.015mm,而刀的長度不大於刀具直徑的4倍。據SANDVIK公司的實際統計,在使用碳氮化鈦(TiCN)塗層的整體硬質合金立銑刀(58HRC)進行高速銑削時,粗加工刀具線速度約為100m/min,而精加工和超精加工時,線速度超過了280m/min。據國內高速精加工模具的經驗,采用小直徑球頭銑刀進行模具精加工時,線速度超過了400m/min。這對刀具材料(包括硬度、韌性、紅硬性)、刀具形狀(包括排屑性能、表麵精度、動平衡性等)以及刀具壽命都有很高的要求。因此,在高速硬切削精加工模具時,不僅要選擇高速度的機床,而且必須合理選用刀具和切削工藝。
在高速加工模具時,要重點注意以下幾個方麵:

①根據不同的加工對象,合理選擇硬質合金塗層刀具、CBN和金剛石燒結層刀具。

②采用小直徑球頭銑刀進行模具表麵精加工,通常精加工刀具直徑<10mm。根據被加工材料以及硬度,所選擇的刀具直徑也不同。在刀具材料的選用方麵,TiAIN超細晶粒硬質合金塗層刀具潤滑條件好,在切削模具鋼時,具有比TiCN硬質合金塗層刀具更好的抗磨損性能。

③選擇合適的刀具參數,如負前角等。高速加工刀具要求比普通加工時抗衝擊韌性更高、抗熱衝擊能力更強。

④采取多種方法提高刀具壽命,如合適的進給量、進刀方式、潤滑方式等,以降低刀具成本。

⑤采用高速刀柄。目前應用最多的是HSK刀柄和熱壓裝夾刀具,同時應注意刀具裝夾後主軸係統的整體動平衡。


5.高速切削模具的工藝技術

高速加工模具技術中,工藝技術是配合機床和刀具使用的關鍵因素。以目前國內模具生產的情況來看,工藝技術已經在很大程度上製約了高速加工模具的應用。一方麵是由於高速加工應用的時間比較短,還沒有形成比較成熟的、係統化的工藝體係和標準;另一方麵是高速切削工藝試驗成本高,需要投入較大的資金和較長的時間。
高速切削模具工藝技術主要包括:

(1)針對不同材料的高速切削模具工藝試驗
在參考國外高速銑削加工零件的工藝參數時發現,國外公司生產的刀具是依據進口材料標準來做試驗,用其推薦的參數在高速加工國產材料模具時,效果差別比較明顯。因此,使用國外刀具,除了需要參考廠家提供的參數外,實際的工藝試驗也是必要的。
國內刀具廠家很少推薦高速銑削的技術參數,因此選用國產刀具更有必要做試驗,以取得比較滿意的工藝參數。最好選用固定生產廠家的刀具,通過試驗,形成加工技術標準,並在此基礎上優化出一套適合本企業的加工工藝參數,並納入企業標準。

(2)高速切削的加工刀具路徑及編程

高速切削模具工藝技術中刀具路徑、進刀方式和進給量是主要內容。高速切削模具工藝技術中的許多刀具路徑處理方法是為了減少刀具磨損、延長刀具使用壽命,因此刀具在高速切削進給中的軌跡比普通加工複雜得多。
高速加工模具工藝處理應該遵循以下原則:

①采用小直徑刀具精加工時,切削速度隨著材料硬度的增加而降低。

②保持相對平穩的進給量和進給速度,切削載荷連續,減少突變,緩進緩退。避免直接垂直向下進刀而導致崩刃:斜線軌跡進刀的銑削力逐漸加大,對刀具和主軸的衝擊小,可明顯減少崩刃;螺旋式軌跡進刀切入,更適合型腔模具的高速加工。

③小進給量、小刀紋切削。通常進給量小於銑刀直徑10%,進給寬度小於銑刀直徑40%。

④保留均勻精加工餘量。

⑤保持單刃切削。
根據上述規則,通常使用的進給路徑方式有以下幾種:

①盡量避免直拐角的銑削運動;拐角處用螺旋線進給切削,保持切削載荷的平穩。

②盡量避免工件外的進刀與退刀運動,直接從輪廓進入下一個深度。而是采用斜向逐漸進給切入或螺旋線切入。

③恒定每刃進給,以螺旋線或擺線路徑進給加工平麵,並且保持單刃切削。孔加工時采用銑削高速進給完成,不僅可提高表麵質量,而且可延長刀具壽命。

④輪廓加工時保持在水平麵上(等高線),每層進刀深度相同。在進入下一個深度時,逐漸進給切入。

⑤加工槽等較小尺寸形狀時,選用直徑小於形狀尺寸的刀具,以螺旋線或擺線路徑進給,保持單刃切削。
這些高速切削模具中使用的刀具路徑處理策略需要編程實現,過於複雜的路徑手工編程難度和工作量都很大,在一定程度上影響了高速切削模具技術的應用,因此最好能夠通過自動編程軟件實現。高速切削精加工對CAM的編程提出要求,自動編程軟件需要適應生產適時推出。

Delcam公司幾年前就開始了高速切削加工編程技術的研究,開發了高速切削自動編程軟件模塊PowerMILL;模具加工使用量最大的MasterCAM 公司也開發了高速切削自動編程HSM軟件模塊。通過這些自動編程軟件模塊,前文所提到的高速切削路徑處理方法均可實現。目前國內軟件企業也在開發高速切削自動編程軟件模塊。


6.高速加工模具的其它技術和實例
高速加工模具時還應考慮HSM和EDM的選擇、幹切削和潤滑冷卻及安全等問題。

(1)對高速切削和電火花加工進行選擇的一般原則是:加工高硬度、小直徑、尖角、窄槽時使用電火花機床,具體參數可以根據各企業的技術和設備情況作出判斷。例如Delcam提供的一個加工實例采用1.6mm直徑的刀具加工窄槽,切削參數為:轉速40000rpm,切削深度0.1mm,進給速度30m/min。

(2)高速切削硬模具材料時,采用適當的冷卻和潤滑可以減少刀具磨損,提高表麵質量。但用於高速硬切削的刀具大多抗熱衝擊能力差,因此高速切削多采用幹切削或微量油霧潤滑。

(3)高速切削模具時還應考慮刀具磨損和破壞的監測、刀片連接的強度等安全問題。和采用普通機床加工不同,安全防護和開機前對機床和刀具的嚴格檢查對高速切削非常重要。


7.結語

模具市場對高速加工有強烈需求,國內模具企業和研究單位已經取得了一些成績,獲得了一些經驗。例如黃岩地區某模具廠采用南京四開公司生產的高速精加工機床精加工大型汽車輪胎模具獲得較好的效果。但高速加工模具在我國應用時間較短,應用基礎較差,缺乏成熟經驗,整體技術水平不高,發展緩慢,在高速機床和刀具應用以及加工工藝方麵還存在很多問題,需要產學研結合,加大投入,綜合各方麵力量推動高速切削在模具製造中的應用。

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