高速切削技術在模具制造加工中的運用分析
發布時間：2015-08-13
5軸加工有下列優點：
◆可以加工復雜的自由曲面;
◆能加工工件的側凹;
◆工件可以在一次裝夾下或稍經換夾完成全部加工;
◆可以加工垂直的工件表面;
◆可以采用短和剛性好的銑刀進行加工。
但是，5軸聯動銑削的缺點是CAM系統復雜的編程，并需較長的編程時間，由此影響到模具這種單件生產的經濟性。
高速銑削(硬銑)的應用限制
高速硬銑的難度常常會隨著工件硬度和工件幾何形狀復雜性的增加而加大。前些年，在模具制造業，工件硬度在62～64HRC被認為是高速硬銑能進行可靠加工的硬度上限。因為當硬度超過極限值時，銑削時銑刀就會迅速磨損。而復雜的幾何形狀會使切削條件變差，致使加工難于順利進行。
近年來，許多刀具制造廠商通過開發專門的硬涂層來提高刀具的耐高溫性能，以便加工硬度較高的工件。例如德國Walter公司，通過PVD的TiAlSiN涂層，使銑刀能加工硬度為70HRC的淬硬材料;又如日本的日立工具株式會社，通過納米半晶態或非晶態TH45+涂層使銑刀加工工件的硬度達到72HRC(這種涂層的最高適應溫度達1100℃，硬度達3600HV;而常用的TiAlN硬鍍層最高適應溫度僅為900℃;硬度為3300HV)。
在過去，當材料硬度超過64HRC時，模具構件的加工就需要采用電火花加工。現在工件加工硬度的提高意味著高速硬銑的應用范圍又得到了擴大。
限制高速銑削應用的另一個因素是加工具有較大的深度/寬度比的型腔。對于加工這樣深的型腔，除了不得不采用細長的銑刀、不利于加工外，型腔加工的順利與否還與許多因素有關：如材料的硬度和韌性、刀夾的園跳動、銑刀的園跳動、刀夾和銑刀的動平衡、排屑和潤滑情況，以及是3軸還是5軸加工等。
根據GF阿奇夏米爾公司的資料，加工較深的型腔，采用的銑刀其長度/直徑比為10時，銑削過程通常是可靠的;當比值達到10～15時，就需要機床操作者高度注意其銑削過程;當比值超過15時，銑削時就需要使用者具有專門的經驗和訣竅。
為了能夠解決材料愈來愈硬和形狀變得越來越復雜的加工任務。應采用確保加工順利進行的一些措施：如加工較深的型腔時，應采用細長錐形和具有減震性能的刀夾(例如：液壓膨脹夾頭或三菱應力鎖緊夾頭)，以避免銑刀在高速銑削時產生振動，導致加工表面質量惡化和刀具壽命變短。刀夾、刀具還應進行動平衡，銑刀也應采用具有錐形桿的銑刀。并在進行高速硬銑的過程中，應采用微量潤滑來提高刀具壽命和改善工件表面質量。
通常，在遇到型腔極窄且深的極端情況下，才考慮采用電火花加工工藝，而電極則可以通過高速銑削來制造。
高速銑削，特別是高速硬銑在模具制造業中的推廣應用，是模具制造技術的一次重大變革。高速硬銑在多數情況下，不僅可以替代電火花加工，簡化模具制造的整個生產工藝流程，而且可提高模具的加工質量、縮短模具制造時間和降低生產成本。
對制造模具來說，高速加工和電火花加工是兩個相互進行競爭的加工工藝，然而從當前高速硬銑和5軸加工技術的發展現狀和發展的趨向看，可以確信，隨著刀具材料和涂層技術，以及5軸加工機床和CAD/CAM軟件等技術的進一步發展，在模具制造中5軸聯動的硬銑技術，其潛力將會得到更好的展現。
模具是用來制造汽車、飛機、電子和家電等產品各種構件的重要技術裝備。它作為從產品開發到成批生產構件的整個制造流程中的重要一環，在工業生產的增值鏈中占有十分重要的位置：模具的開發和制造，在很大程度上決定著新產品的質量、成本和投放市場的時間。
由于像鍛造、鋁合金壓鑄和塑料注塑這樣的成形加工工藝和無定形材料的成形加工工藝，常常采用的是幾何形狀十分復雜的成形模具，有著凹、凸的自由曲面或較深的型腔，要求具有較高的精度和表面質量;另外，由于競爭促使產品品種不斷增多，同時產品更新周期日益縮短，又鑒于模具主要是按單件或較小批量進行生產，這就迫使模具制造廠商必須要采用先進的加工技術，在確保工件加工精度的同時，提高生產效率和加工柔性，縮短加工時間。例如，在汽車工業領域，汽車的開發周期已力求縮短到3年，模具的交貨期需從18個月縮短到12個月。
這些成形模具通常由高性能合金模具鋼制成。模具的加工普遍采用兩種工藝方法：一是采用借助于銅或石墨電極的電火花加工;二是直接采用高速銑削加工模具。在過去，成形模的加工廣泛采用電火花加工工藝。而這種工藝的生產工藝流程較長，并缺乏柔性。在進行電火花加工之前需要制造出石墨或銅電極。如果由于工藝技術的原因必須變動成形模時，那就需要變動整個生產工藝流程。由于其較低的柔性，難于進行調整或只能進行有限的調整。此外，還有一個問題就是電火花加工的時間較長，在電火花加工后，模具還需要進行拋光處理，去除“白色層”。近年來，盡管電火花加工技術在電源技術和石墨材料領域里取得了很大的進步，然而，上世紀90年代以來，隨著高速切削技術的興起和發展，高速銑削技術以其能顯著縮短整個生產流程時間、很高的加工質量和較好的加工柔性而得到普遍接受，已成為加工成形模和注塑模的關鍵工藝。
高速銑削是模具制造最重要的加工工藝
在模具制造中，高速銑削不僅廣泛應用于加工復雜的自由曲面和型腔，而且還被用來加工電火花加工用的電極。
高速銑削，由于采用了比常規銑削高5～10倍的切削速度和進給速度，既能大大縮短加工時間，也可顯著提高工件的表面質量。為了獲得很高的工件表面質量，高速銑削工藝可以通過采用較小的每齒進給量和較小的刀軌行距(約百分之幾毫米)來提高工件表面的加工質量(圖1)，由此減少或完全免去加工表面的后序拋光處理。從而縮短模具整個加工工藝流程的時間(圖2)。
高速硬銑(通常把硬度超過56HRC、Rm>2000N/mm2的鋼鐵材料進行的加工稱之為硬加工)為模具加工提供了很大的應用潛力，高速硬銑可以補充模具傳統的加工工藝流程，在許多情況甚至可以完全替代電火花加工。這就可以在一次裝夾下對模具構件進行全部加工，不僅大幅度地減少加工時間、改善型面的表面質量和加工精度，而且可以簡化加工工藝流程。由于節省了制造電極、電火花加工和拋光(或大大減少拋光工作量)三道工序，縮短了模具的制造周期，降低了生產成本。例如，制造一個材質為熱作模具鋼的注塑模，硬度56HRC。采用高速硬銑，工件可在一次裝夾下進行粗、半精和精銑加工成成品。而采用電火花加工，工件需經過粗銑、調質、(同時制造電極)、電火花加工和拋光，模具的制造時間要比高速硬銑高三倍。
近幾年來，許多錐齒輪鍛模的制造幾乎都采用了高速硬銑工藝。如WalterPrototyp以及日立工具株式會社等刀具廠商都為高速硬銑錐齒輪鍛模(圖3)提供了成套刀具，僅從這些高速硬銑的加工實例中可以看出，銑削工藝比電火花加工贏得了更為重要的地位，特別是高速硬銑已成為模具加工最為重要的關鍵工藝，在模具制造業采用硬銑工藝已成為模具加工技術的發展趨向。
5軸聯動加工
對于一些較深或難于接近的型腔自由曲面，通過5軸加工就能夠采用相對短的銑刀，以增強銑刀的剛性和提高銑刀加工的穩定性。由此提高自由曲面的表面質量、尺寸精度和形狀精度。通過5軸加工結合刀具的幾何角度，也有利于加工難于切削的材料。
5軸聯動加工是通過在三個現有的笛卡爾直線坐標軸上集成兩個附加的旋轉回轉坐標軸，使銑刀以5個自由度相對于構件的自由表面實施5軸聯動加工。由此，就能實現最佳的銑刀切削情況，通過銑刀軸自由的幾何定向，能使銑刀的刀刃最佳地適應構件的輪廓加工表面。