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现代模具制造的高速加工技术
发表于:2016-06-23  来源:本站整理  点击量:480

模具作为重要的工艺装备,在消费品、电器电子、汽车、飞机制造等工业行业中占有举足轻重的地位。虽然近年来我国模具技术有了迅速的发展,但与制造强国相比尚有较大差距。目前我国技术含量较低的模具已供过于求,而精密、复杂的高档模具则大量依靠进口。

    提高模具生产技术水平和质量是发展我国模具制造业的重要因素。由于采用模具高速切削技术可以明显提高模具生产效率和模具精度及使用寿命,因此正逐渐取代电火花精加工模具,并已被国外的模具制造企业普遍采用,成为模具制造的大趋势。但高速切削技术在模具生产中应用时间比较短,而且在使用中技术要求比较高,我国大部分模具生产企业还不能掌握并应用,以至不能发挥优势。文中将着重介绍高速切削加工模具的一些实用技术和应用的问题。

    2.高速切削应用于模具加工的优势和现阶段需要解决的问题

    模具加工的特点是单件小批量、几何形状复杂,因此加工周期长,生产效率低。在传统的模具加工工艺中,精加工淬硬模具通常采用电火花加工和人工修光工艺,后期加工花费了大量时间。缩短加工时间和降低生产成本是发展模具加工技术的主要目标。近年来,模具加工工艺方面有了许多新技术,如高速切削、CAD/CAE 设计仿真、快速原型制模、电火花铣削成型加工和复合加工等,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机床的高转速和高进给速度,以切削方式完成模具的多个生产工序。高速切削加工模具的优越性主要表现在以下几个方面:
    ①高速切削粗加工和半精加工,大大提高金属切除率。
    ②采用高速切削机床、刀具和工艺,可加工淬硬材料。对于小型模具,在材料热处理后,粗、精加工可以在一次装夹中完成;对于大型模具,在热处理前粗加工和半精加工,热处理淬硬后精加工。
    ③高速高精度硬切削代替光整加工,减少大量耗时的手工修磨,比电火花加工提高效率50% 。
    ④硬切削加工最后成型表面,提高表面质量、形状精度(不仅表面粗糙度低,而且表面光亮度高),用于复杂曲面的模具加工更具优势。
    ⑤避免了电火花和磨削产生的脱碳、烧伤和微裂纹现象,大大减少了模具精加工后的表面损伤,提高模具寿命20%。
    ⑥工件发热少、切削力减小,热变形小,结合CAD/CAM技术用于快速加工电极,特别是形状复杂、薄壁类易变形的电极。
    高速切削的优势对模具加工的吸引力是不言而喻的,但与此同时,模具的高速切削加工成本高、对刀具的使用要求高、需要有复杂的计算机编程技术做支持、设备运行成本高,因此,由于资金、技术等方面的原因,国内对高速切削加工模具的应用还不多,目前亟需要解决如何选择和应用高速加工模具的机床、高速切削刀具、合理的加工工艺、刀具轨迹编程层以及工艺实验等一系列问题。

    3.加工模具的高速切削机床

    选择用于高速切削模具的高速机床时要注意以下问题:
    (1)要求机床主轴功率大、转速高,满足粗、精加工。精加工模具要用小直径刀具,主轴转速达到15000~20000rmp以上。主轴转速在10000rpm以下的机床可以进行粗加工和半精加工。如果需要在大型模具生产中同时满足粗、精加工,则所选机床最好具有两种转速的主轴,或两种规格的电主轴。
    (2)机床快速进给对快速空行程要求不太高。但要具有比较高的加工进给速度(30~60m/min)和高加减速度。
    (3)具有良好的高速、高精度控制系统,并具有高精度插补、轮廓前瞻控制、高加速度、高精度位置控制等功能。
    (4)选用与高速机床配套的CAD/CAM软件,特别是用于高速切削模具的软件。
    在模具生产中五轴机床的应用逐渐增加,配合高速切削加工模具具有以下优点:
    ①可以改变刀具切削角度,切削条件好,减少刀具磨损,有利于保护刀具和延长刀具寿命;②加工路线灵活,减少刀具干涉,可以加工表面形状复杂的模具以及深腔模具;③加工范围大、适合多种类型模具加工。
    五轴机床通常有工作台式和铣头式五轴机床两类,可以针对模具类型进行选择。铣头式五轴机床中,可更换铣头和更换电主轴头的五轴机床可分别用于模具的粗、精加工。

    4.高速切削模具的刀具技术

    高速切削加工需配备适宜的刀具。硬质合金涂层刀具、聚晶增强陶瓷刀具的应用使得刀具同时兼具高硬度的刃部和高韧性的基体成为可能,促进了高速加工的发展。聚晶立方氮化硼(PCBN)刀片的硬度可达3500~4500HV,聚晶金刚石(PCD)硬度可达6000~10000HV。近年来,德国SCS、日本三菱(神钢)及住友、瑞士山特维克、美国肯纳飞硕等国外著名刀具公司先后推出各自的高速切削刀具,不仅有高速切削普通结构钢的刀具,还有直接高速切削淬硬钢的陶瓷刀具等超硬刀具,尤其是涂层刀具在淬硬钢的半精加工和精加工中发挥着巨大作用。
    目前国内高速加工刀具的开发与国外还有较大差距,而进口刀具的昂贵价格也成为阻碍高速切削模具应用的重要因素。
    一般来说,要求刀具以及刀夹的加速度达到3g以上时,刀具的径向跳动要小于0.015mm,而刀的长度不大于刀具直径的4倍。据SANDVIK公司的实际统计,在使用碳氮化钛(TiCN)涂层的整体硬质合金立铣刀(58HRC)进行高速铣削时,粗加工刀具线速度约为100m/min,而精加工和超精加工时,线速度超过了280m/min。据国内高速精加工模具的经验,采用小直径球头铣刀进行模具精加工时,线速度超过了400m/min。这对刀具材料(包括硬度、韧性、红硬性)、刀具形状(包括排屑性能、表面精度、动平衡性等)以及刀具寿命都有很高的要求。因此,在高速硬切削精加工模具时,不仅要选择高速度的机床,而且必须合理选用刀具和切削工艺。
    在高速加工模具时,要重点注意以下几个方面:①根据不同的加工对象,合理选择硬质合金涂层刀具、CBN和金刚石烧结层刀具。
    ②采用小直径球头铣刀进行模具表面精加工,通常精加工刀具直径<10mm。根据被加工材料以及硬度,所选择的刀具直径也不同。在刀具材料的选用方面,TiAIN超细晶粒硬质合金涂层刀具润滑条件好,在切削模具钢时,具有比TiCN硬质合金涂层刀具更好的抗磨损性能。
    ③选择合适的刀具参数,如负前角等。高速加工刀具要求比普通加工时抗冲击韧性更高、抗热冲击能力更强。
    ④采取多种方法提高刀具寿命,如合适的进给量、进刀方式、润滑方式等,以降低刀具成本。
    ⑤采用高速刀柄。目前应用最多的是HSK刀柄和热压装夹刀具,同时应注意刀具装夹后主轴系统的整体动平


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