高速硬铣在模具制造中的应用

来源:荣格

发布时间:2017年3月6日下午 06:03:30

模具制造业是技术密集和高度创新的行业,其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,在现代化工业生产中,60%-90%的工业产品需要使用模具加工。产品从开发到成批生产构件的整个制造流程中模具是重要的一环,它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。

模具制造业是技术密集和高度创新的行业,其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,在现代化工业生产中,60%-90%的工业产品需要使用模具加工。产品从开发到成批生产构件的整个制造流程中模具是重要的一环,它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,鉴于模具又主要是按单件或较小批量进行生产,这迫使模具制造厂商必须要采用快速和柔性的加工技术,在确保工件加工精度的同时,应提高生产效率和缩短加工时间。

以往最常用的电火花加工工艺由于工艺流程较长,并且缺乏柔性,在进行电火花加工之前,要制造铜电极或石墨电极。当由于工艺原因需要改变模具时,还需要变动整个生产工艺流程,电火花加工工艺由于缺乏柔性,难以适应模具结构的变化。另外的缺点是,电火花加工的时间比较长,并且电火花加工后的模具还需要进行修磨。由于这些原因,采用直接硬铣的方式来这种模具,在技术和经济上有着十分重要的意义。

采用高速(HSC) 铣削提高模具制造效率

在模具制造中,最早采用的是高速铣削,这种工艺不仅广泛应用于加工复杂的自由曲面和型腔,而且还应用来加工电火花加工用的电极。

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,既能大大缩短基本时间,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,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。

通过高速硬铣替代电火花加工高速硬铣( 通常把硬度超过56HRC、Rm>2000 N/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。

模具的传统生产工艺流程:



采用高速硬铣的生产工艺流程:



从采用高速硬铣的生产工艺流程中可以看出,模具构件可以在一次装夹下进行全部加工,这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。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,简化了加工工艺流程,缩短了模具的制造周期,显著降低了生产成本。

图1 高速硬铣连杆锻模

图1 高速硬铣连杆锻模

图1所示是高速硬铣的连杆锻模,过去制造这种模具的主要工艺是电火花加工,在电火花加工时会发生模具表面的损伤,即产生所谓的“白色层”,这种受损边缘层要通过手动抛光来清除。而采用高速硬铣工艺,可免去软铣和电火花加工,也就免去了制造电极和抛光工序。通过高速硬铣连杆锻模,不仅简化了生产工艺流程,缩短加工时间,而且可获得很好的工件表面质量。

高速硬铣热作模具钢的注塑模是采用高速硬铣模具最典型的例子, 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(图2)。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。

图2 采用高速硬铣削加工注塑模。可获得较高 的表面质量和几何形状精度,将抛光的工作量 减到最小程度,并同时大大缩短了加工时间。 (资料来源:Agie Chermilles 公司)

图2 采用高速硬铣削加工注塑模。可获得较高的表面质量和几何形状精度,将抛光的工作量减到最小程度,并同时大大缩短了加工时间。(资料来源:Agie Chermilles 公司)

近几年来,许多锥齿轮锻模的制造几乎也都采用了高速硬铣工艺。如Walter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,根据德国弗劳恩霍夫生产技术研究所(IPT)在13年前(2004年) 对全德国600家模具制造厂家所进行的调研表明,当时硬铣已占模具加工的整个加工工艺的20%,硬铣工艺已成为模具加工技术的发展趋向。而当今,硬铣工艺已是模具加工最重要的工艺。

高速硬铣的优点和对铣刀及加工条件的要求

1. 高速硬铣削与电火花加工工艺相比,具有很多优点:

●硬铣工艺具有很高的工艺柔性

●可以获得较高的表面质量,表面粗糙Rz~1μm

●可采用近净形精密制造工艺(毛坯轮廓接近成品尺寸),毛坯可以直接在淬硬状态下在同一台机床上铣削成成品,可省去电火花和磨削 等工序

●高速硬铣省去了一些加工工艺,简化了生产工艺流程

●缩短了生产流程时间,提高了效率和降低了成本

●硬铣通常是采用干切削。

2. 对高速硬铣用的铣刀有如下要求:

● 铣刀应具有较高的抗热震性

● 选用韧性好并耐磨的刀具材料

● 具有较高的回转精度

● 合适的刀尖角度,以承受较高的切削负载

● 采用耐热的硬涂层

为了使铣刀获得较好的加工成果,除了需要由专门的硬质合金的刀体、设计独特的几何角度和与使用目的相适应的硬涂层进行最佳的组合外。还需要注重对切削用量、刀具的夹紧和机床(刚性及静、动态性能)等部件和工作参数进行正确选用。铣刀刀柄通常采用h5精度,而刀夹主要是采用液压膨胀夹头和热胀冷缩夹头,刀具刀夹系统要经过精密的动平衡。对于高精度高速硬铣常采用球头铣刀,正确选择工作转速很重要,在这里要考虑铣刀的实际工作直径,如采用一个直径为6mm的球头铣刀,铣削时的背吃刀量0.1mm, 铣刀没摆偏,这时得到的铣刀实际工作直径为1.54mm。此时如按Vc=200 m/nin的切削速度进行加工,则需要n=41000r/min 的主轴转速。

5 轴联动铣削越来越多地获得应用

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。