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硬质材料铣削技术
发布时间:2012-7-9 12:30:28

      在模具制造工艺中,采用硬质材料铣削加工技术可以取代某些最昂贵和最费时的加工步骤,可消除或大大减少电极铣削、EDM加工、磨削、抛光、在压力机上的逐点修整等工作。

在“核桃壳”内加工

    硬质材料铣削技术是高速加工技术的一个分支。高速加工技术的核心是以紧密的步距进行多道轻微切削加工,从而使加工面上只留下极微小的刀具加工痕迹。其目标是为了使加工面大大减少对后续加工的要求。对于刀具而言,为了达到有效的切屑负荷,刀具进给速度和主轴速度必须大大提高,以便超过传统加工工艺中应用的正常加工速度,因此将该工艺命名为“高速加工”。高速进给也使刀具的走刀量大大提高,因此加工工件的速度要比采用传统的方法更快。

    硬质材料铣削技术又比高速加工的概念前进了一步。高速轻型切削与高速主轴相结合的方式可有效地加工淬硬状态下的钢材,这样可保持材料原有的特性。同时,采用小直径圆头端面铣刀进行紧密步距间隔的高速加工,其所加工的表面光洁度接近手工打磨和抛光的水平。因为钢材是在淬硬的情况下加工的,因此无需后面的热处理、消除应力或磨削等工序。更重要的是,这一工艺也可以代替许多加工费用极高的EDM加工工艺。

    采用硬质材料铣削加工技术的另一优点是可以保证十分精密的公差尺寸(±10mm),这一点对于模具加工来说是弥足珍贵的。加工后的模具不需由人工逐点修整,而且由于加工后达到无需手工修整的程度,模具的几何形状完全与CAD设计模型相吻合。而且模具配合面的加工也达到了无需任何修整的水平。其概念是沿着分型线,一般在模腔一端,精确地稍微加工一点,使其略低于公称尺寸。这样,当模具两半闭合时,可使模具接触面之间留出一点间隙,但该间隙非常小(一般只有0.2mm),这样,在注塑时可以让一部分塑料流出来,不过模具仍然能有效地保持闭合状态。而且,当熔融的塑料注入模具时,这一间隙也可以让空气从缝隙中排除出去,不需要事先通风。角落上的小接触垫块继续保留这一间隙,否则闭合面之间就不能互相接触。一般来说,这些配合面之间的干扰问题必须在逐点修整和匹配过程中解决,现在就不存在这一问题了。在模芯和模腔闭合时,因有了这一间隙,消除了表面之间的相互影响,因此分型面完全得到了保护,所生产的零件不会出现飞边。

   从刀尖上提高效率

   掌握硬质材料铣削技术可能是一种挑战。了解硬质材料铣削技术的方法就是要懂得如何去保护刀具的刀尖。集中力量,努力使刀具的刀尖能够安全有效地进行切削。将这一切有条不紊地进行管理,那么端铣刀的刀尖就能与加工的材料融合在一起,自由地进行切削加工。如果系统中的任何一部分受到忽视或中断,那么刀具的刀尖就会遭殃,整个工艺就会失败。

   以端铣刀工作的问题为例,以下列出了应当注意的几项主要因素:

1、 刀具

一般采用圆头端铣刀进行粗加工、半精加工和精加工。带有两条排屑槽的圆头端铣刀专门用于精加工,在硬质材料铣削加工中,这些精加工用的刀具非常关键。作为精加工用的圆头端铣刀必须满足两个关键的要求:刀具必须具有一个近乎完美的半径和实际上毫无瑕疵的切削刃。刀刃的半径精度必须极高,这样,无论是高或低的排屑槽都不会引起金属排屑的不平均状态,以免影响几何形状、降低表面质量和刀具使用寿命,车间内用于精加工的端铣刀,其半径精度至少应达到±10mm。偶尔也使用过0.3mm直径的圆头端铣刀,其半径精度为±5 mm。

排屑槽的切削刃必然会出现一些微量的切屑、断裂或其他不规则形状。出现这些缺陷说明它们在接触工件时,发生加速磨损现象。这种情况会导致出现比较粗糙的光洁度,缩短刀具的使用寿命。刀具的使用寿命是一个非常关键的因素,因为当机床处于无人化操作时,车间完全依赖于端铣刀能工作到所期望的期限。

OSG公司和NS工具公司一类的供货商可以提供满足上述规格要求的刀具,但其价格要比标准的刀具高得多。使用这一质量等级的刀具是绝对必要的,费用不应成为一个问题。这些刀具是模具加工的基础,使用它们可省去模具的抛光工序和对模具的逐点修整工艺,在硬质材料铣削加工工艺中,添置这些刀具是十分重要的投资。

2、刀柄

刀柄可以对端铣刀的半径和刀刃质量起到保护作用。采用热套安装的刀柄带有HSK接口,可提供最好的保护。采用热套夹紧的方法,其偏置量极低,优于现今任何一种夹紧方法,使刀具的偏心旋转减低到最低程度。因为偏置误差会导致刀具一个排屑槽的过量切削,增加那个排屑槽上的切削负荷,从而缩短刀具的使用寿命。HSK接口是一种强制性使用的接口,因为与其他锥套夹持方式相比,它更加坚固耐用、精度更高,可更安全地夹紧到主轴上。

3、主轴

正如刀柄用于保护端铣刀的刀刃和精密的半径,主轴用于保护刀具和刀柄组件的整体性。当然,主轴的设计还应具有硬质材料铣削加工所需要的高速旋转性能。控制主轴所产生的热量和振动是非常重要的。直接驱动的主轴(不通过齿轮或皮带传动)及其内冷方式专门适用于硬质材料的铣削加工。

4、机床的结构

在探讨这类机床的主轴问题时可以与机床的整体结构分开讨论,尽管它们都属于机床不可分割的一部分。毫无疑问,硬质材料铣削加工对机床的刚性要求非常高。当然,其整体精度也非常重要。

这类机床的某些结构特点不同于通用型机床,其中包括:配有重型基座和立柱(这类机床的重量超过9.08t);配有中心冷却主轴;主轴箱中安装线性滚子轴承;双重支承的丝杠。

最重要的是应当尽量降低机床的震动和累积误差,这些因素可能会影响到刀具的切削精度,因此对每一因素必须严格控制。

编程软件

然而,一台刚性良好、反应灵敏的机床,其性能取决于NC的编程输入。在硬质材料铣削加工中,编程输入对驱动CNC的刀具运行轨迹则有一定影响。

当加工淬硬的材料时,为了保证安全、精确定位切削,刀具理想的圆角半径和刀刃是很重要的,但还得依赖于机床“平稳的运行”。正因为这个原因,大部分CAM软件都不适于硬质材料的铣削加工。生成刀具运行路线的算法不是专为这种硬质材料铣削加工所设计,因为后者要求按公差平稳、精确地运动,允许模具车间绕开模具制造工艺的全部加工步骤。

由日本人开发的CAM-TOOL编程软件可以根据直接从几何形状所取的测量点,来计算刀具的加工路线。实际上,这些点可通过数学规定的、最适配这些点的曲线连接起来,然后用直线段将分布于轮廓图网眼中的每一个三角形的中心点连接起来,然后将它们相互对照。由于所产生的路径是一系列的曲线,因此刀具加工路线中定义的运动在短线段创建的方向上缺乏陡峭的变化。试图让带有微米级反馈分辨率的机床沿着这些线段运动,一定会产生不良的效果,使加工的刀具处于危险的境地。

集中全部优势

当刀具的刀尖与编程软件的连接链不存在任何薄弱环节时,硬质材料铣削加工技术就能达到预期的可靠目的。正是由于这一原因,无人化操作才变得切实可行。然而,对硬质材料的铣削加工,日常使用的无人化操作模式并不是一个选项或是作为一种奖励。机床几乎24h不停运转的目的是为了支付机床本身的代价,以便回收投资。无人化操作更体现了机床低劳务投入和高产出的目标。而且这一工艺也替代了钳工几百个小时的模具打磨和逐点修整等需要支付高昂劳务费用的工作。

对于购置模具的客户而言,其好处是显而易见的,因此他们如此迫切地希望硬质材料铣削加工技术应该成为模具制造商必不可少的一项加工工艺。在模具制造工艺中,采用硬质材料铣削加工技术可以取代某些最昂贵和最费时的加工步骤,可消除或大大减少电极铣削、EDM加工、磨削、抛光、在压力机上的逐点修整等工作。由于这一原因,硬质材料铣削加工是一项关系到模具车间成败的关键技术。