模具的高速加工技術看完全懂了

  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。近年來大陸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。目前大陸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大陸模具製造業的重要因素。採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採用,成為模具製造的大趨勢。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。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。

◆高速切削加工技術

高速切削加工具有溫升低(加工工件只升高3℃)、熱變形小等優點,單位功率的金屬切除率提高了30%~40%,切削力降低了30%,刀具的切削壽命提高了70%,留於工件的切削熱大幅度降低,低階切削振動幾乎消失。隨著切削速度的提高,單位時間毛坯材料的去除率增加,切削時間減少,加工效率提高,從而縮短產品的製造周期,提高產品的市場競爭力。同時,高速加工的小吃刀量、大進給速度減少了作用在工件上的切削力,切屑的高速排出減少傳遞到工件上的切削熱,減少了熱應力變形,從而提高了工件的加工剛性,並為薄壁零件的切削加工提供了可能。對硬度超過HRC60的材料進行高速銑削加工可在一定程度上替代效率較低的電火花加工,這樣,一定程度上縮短了模具的製造周期。同時,應用高速切削技術可節省模具後續加工中約80%的手工研磨時間,節約加工成本費用近30%,模具表面粗糙度可達Ra0.1,刀具切削效率可提高1倍。

◆高速切削應用於模具加工的優勢

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採用電火花加工和人工修光工藝。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,模具加工工藝方面有了許多新技術,如高速切削、CAD/CAE 設計仿真、快速原型制模、電火花銑削成型加工和復合加工等,其中最引人註目、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面:

①高速切削粗加工和半精加工,大大提高金屬切除率。

②採用高速切削機床、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,在熱處理前進行粗加工和半精加工,熱處理淬硬後進行精加工。

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面,提高表面質量、形狀精度(不僅表面粗糙度低,而且表面光亮度高),用於複雜曲面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面損傷,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。

◆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、高精度控制系統,並具有高精度插補、輪廓前瞻控制、高加速度、高精度位置控制等功能。

(4)選用與高速機床配套的CAD/CAM軟體,特別是用於高速切削模具的軟體。

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,減少刀具干涉,可以加工表面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。

(五軸聯動高速銑削加工中心)

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。

◆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。尤其是塗層刀具在淬硬鋼的半精加工和精加工中發揮著巨大作用。

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。國內高速精加工模具的經驗,採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、表面精度、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面:

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採用小直徑球頭銑刀進行模具表面精加工,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面,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採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採用高速刀柄。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系統的整體動平衡。

來源:株洲鑽石刀具

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