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高速切削技术提高模具加工效率


   模具是制造业重要的基础工艺装备,支撑着制造工艺技术中无屑加工的“半壁江山”,有着广泛的应用领域,对制造业的发展和制造技术的进步起着十分重要的作用。提高模具的开发制造能力和技术水平,是发展制造业的前提条件。
  
  改革开放以来,随着我国制造业的快速发展和世界制造业向中国转移,我国模具工业迎来了快速发展的机遇,生产规模和制造技术都取得了令人瞩目的成就:模具产值从1987年的30亿元人民币到2004年突破了530亿元人民币,在世界模具制造排行榜中位居第三,仅次于日本和美国;与此同时,模具制造技术也获得了快速发展,五轴联动的数控机床及高速数控系统、高速切削、CAD/CAM/CAE系统、快速原形制造等一系列先进制造技术开始得到应用。然而,随着世界经济的发展和社会的进步,市场对产品的造型提出了多样化、个性化和外表新颖化的需求,使产品的生命周期缩短、更新速度加快。这种趋势一方面要求制造业的生产方式必须更加柔性化,另一方面则对与生产配套的模具制造提出了缩短开发周期、提高加工效率的要求。
  
  切削加工作为机械制造的主要基础工艺,也是模具制造的主要工艺。模具以及EDM电极的加工都离不开切削技术和刀具。但在传统的模具制造工艺中,切削加工主要应用于模具的预加工。随着模具工业的崛起和切削技术的进步,模具切削加工的比例在迅速增加,应用范围已由预加工扩展至半精加工和精加工,并大量用于加工表面积较大、由光滑曲面组成廓形的敞开式模腔和相应的冲模,以及对电极廓形的铣削加工,从而使模具工业的发展及模具制造技术的进步与切削技术的联系更为密切。
  
  出现于上世纪80年代并不断发展完善的高速切削新技术,由于切削速度比常规切削提高了5~10倍,在提高切削效率和加工质量方面具有显著优越性,因此迅速在航空航天、汽车、模具等工业部门得到应用,并推动了模具高速铣削、淬硬模具硬切削等新工艺的开发。模具的切削加工通常包括粗加工、半精加工、精加工及手工抛光,其中手工抛光要占去模具制造周期约1/3的时间,且劳动强度大、质量不稳定。因此,利用高速切削的技术优势,以高的切削速度和进给速度、较小的走刀步距和切深、较薄的切屑厚度进行切削加工,可以获得良好的加工精度和表面质量,减少模具抛光工作量60%~100%,大幅度缩短模具开发周期。
  
  高速切削作为先进切削技术的主要标志,其范围可延伸至高效切削、硬切削等加工方式,并也在模具加工中得到应用,已成为模具高速切削技术的组成部分。模具的粗加工需要以高的金属切除率快速切除大量金属余量,采用准高速的切削速度和进给速度以及较大的吃刀深度进行高效切削,对提高模具的加工效率十分有效,由于它对机床主轴转速的要求较低,更易于在现有装备条件下实现。
  
  过去,淬硬模具的传统加工方式主要局限于电加工(EDM)工艺。现在,利用高速切削的优质技术资源,可实现对淬硬模具的切削加工,加工硬度可达60HRC左右(甚至可达70HRC),加工表面粗糙度可达Ra0.6µm以下;与电加工相比,模具硬切削新工艺的加工时间一般可缩短75%,加工费用可节省50%,技术经济效益显著。此外,有的小型模具可直接采用预淬硬毛坯通过一次装夹切削加工而成,省去了准备电极和相对低效的电火花加工,生产效率可提高30%~50%,并可减少手工抛光工作量甚至省去该工序,模具制造周期可缩短40%。例如,制造材质为56NiCrMoV7的连杆锻压模具,传统的工艺流程是粗铣→淬火→制造电极→电加工→抛光。采用硬铣工艺后,将工件淬火至47HRC,然后在一次装夹下完成粗铣和精铣,直接加工出成品,加工表面粗糙度优于Ra0.8µm。
  
  如今,高速铣削和硬切削已成为相当成熟的实用加工技术,并有大量成功的应用实例。积极采用高速铣削技术已成为国内外模具制造商的技术改进方向。
  
  由于高速切削会加速刀具的磨损,因此需要好的刀具材料和涂层。切削技术在刀具材料和涂层技术领域所取得的进步为高速切削和硬切削的应用提供了可靠的物质基础。近年来,刀具材料和涂层技术得到了快速发展,各种刀具材料的性能有了很大改善和提高,新型刀具涂层层出不穷,从而全面提升了各种切削加工的生产效率,也为加工各种常用模具材料如合金模具钢、耐热合金、铸铁、铝、铜及石墨等提供了多种选择。其中,特别需要强调两种刀具材料的进展,即超硬刀具材料PCD、CBN和超细颗粒硬质合金材料。
  
  PCD和CBN具有很好的耐磨性,近年来,通过对制造工艺、配方成分、组织粒度等因素的控制和调整,韧性也得到显著改善,刀具品种增多,应用领域扩大。PCD在航空航天、汽车、模具等行业对铝合金、复合材料、石墨电极等材料进行高速、高效切削加工有着独特优势。用PCD铣刀加工石墨电极时,刀具寿命是硬质合金刀具的10倍,可减少5~7次换刀,加工时间只有目前的1/3~1/4。CBN刀具在铸铁高速切削、硬切削新工艺的开发和应用中也发挥出优良的切削性能。新型CBN刀具是高效加工淬硬模具、铸铁模具和大型模具成形表面精加工的理想刀具,可一次走刀加工出整个表面,避免了中间接刀留下的刀痕。
  
  超细颗粒硬质合金的出现使硬质合金的韧性显著提高,以至于可以取代高速钢用于制造钻头、立铣刀等通用标准刀具或模具刀具。用超细颗粒材料制作的整体硬质合金钻头、立铣刀、丝锥等可比同类高速钢刀具的切削速度提高几倍。其中,整体硬质合金立铣刀(尤其是球头立铣刀)已在模具工业中得到了广泛应用。刀具经涂层处理后,可以达到很高的切削速度,如法国Fraisa公司的立铣刀加工硬度52~56HRC的淬硬钢时,切削速度可达300m/min,进给速度为1000~4000mm/min。今后,各类整体硬质合金立铣刀将成为模具加工的主力刀具。目前,株洲钻石切削刀具股份有限公司、上海工具厂有限公司、金鹭特种合金有限公司等国内工具厂已经可以批量生产和供应各种规格的整体硬质合金立铣刀。
  
  涂层技术是提高刀具切削性能最有效的手段。近年来,刀具涂层技术突飞猛进,为高速切削技术的开发和应用起到了重要的支撑作用。在CVD涂层领域,以中温CVD的TiCN与高温CVD的厚膜Al2O3构成的复合涂层显著改善了涂层刀片的耐磨性和抗裂纹扩展能力,从而全面提高了车、铣、钻削可转位刀具的切削性能。PVD涂层的发展尤为引人注目。从最初的TiN、TiCN发展到耐磨性更好的TiAlN系列涂层,进而又出现了AlCrN、TiSiN、Al2O3等新型耐磨涂层。与此同时,梯度涂层、纳米涂层等新的涂层结构使涂层性能得到优化,显微硬度达到4500Hv,开始氧化温度达到1100℃,与基体的结合强度更好,刀具寿命大幅度提高;MoS2、DLC、WC/C等润滑涂层在减小刀具摩擦、降低刀具温度、有利切屑排除等方面起到了重要作用,显著提高了刀具的切削性能。当前,高速切削和硬切削工艺在模具工业的应用与涂层技术密切相关,如TiAlN、金刚石薄膜涂层分别用于加工淬硬模具和石墨电极,取得了显著效果。我国哈尔滨第一工具有限公司、汉江工具有限公司已分别与PVT公司和Balzers公司合资成立了涂层服务中心,CemeCon公司、Balzers公司还在苏州开办了合资或独资的涂层服务中心,这将有利于涂层技术在我国的推广应用。
  
  高速、高效切削技术的应用与刀具结构的创新密不可分。为此,刀具制造商针对模具加工批量小、材料硬度高、加工难度大、形状复杂、金属切除量大等特点,开发了各种新型高效刀具,在刀具行业的产品门类中形成了“模具刀具”系列产品,并成为发展最快的产品门类,如近年来针对模具行业推出了插铣刀、多功能铣刀、大进给铣刀、牛角铣刀等各种新产品,这些刀具有的创新了模具加工工艺(如高效去除余量的插铣新工艺);有的已成为模具高速、高效切削的主力刀具,如球头铣刀、多功能铣刀、大进给铣刀(每齿进给量可达3.5mm,是普通刀具的10倍)等等。
  
  为了使高速切削技术应用于实际生产,还需要研究开发和合理应用相关的配套技术,如刀具与机床主轴连接技术、刀具动平衡技术、刀具装夹技术等。
  
  高速切削主要应用于回转刀具,要求机床主轴有较高的转速。当主轴转速超过10000r/min时,7∶24主轴锥孔的大端会扩大,使刀具发生轴向窜动,造成主轴抱死锥柄的后果,因此传统的7∶24锥柄连接已不能适应高速切削的要求。为此,德国最早开发了适用于高速切削的HSK(空心短锥柄)连接技术并制订了DIN标准。与传统的7∶24锥柄连接相比,HSK连接可实现锥柄和法兰端面两面同时接触,可显著提高连接的精度和刚性。2001年ISO制订了HSK国际标准,2004年我国根据ISO标准制订了HSK刀柄和主轴接口的国家标准(GB/T19449)。目前,HSK连接已经被越来越多的刀具制造商、机床制造商和高速切削用户所接受,国内哈尔滨量具刃具集团公司、森泰-英格数控刀具模具有限公司等单位已能生产HSK刀柄。通过借鉴HSK的工作原理,日本已开发出可实现两面接触的新型7∶24刀柄与主轴。
  
  对于高速旋转的刀具和主轴,当刀具存在不平衡量时,可引起工艺系统的振动,影响加工质量和刀具寿命,同时会产生很大的离心力,当转速超过某一临界值时,可能发生刀片甩飞甚至刀体破碎,造成严重的人身、设备安全事故。为此,开发了刀具动平衡技术和旋转刀具安全技术,要求用于高速切削的刀具必须预先经过动平衡,通常要求达到G2.5~6.3平衡质量等级;同时还要求刀具的安全性能应经过技术认证。
  
  为了发挥整体硬质合金刀具的切削性能,要求刀具有更高的装夹精度和刚性,为此开发了热装夹头、液压夹头、变形夹头等新型刀具夹头。热装夹头由于结构紧凑、外形尺寸小、悬伸长度大等特点,非常适合应用于模具加工。哈尔滨量具刃具集团公司已收购了专业生产刀柄、刀夹的德国Kelch公司,有利于提高我国切削技术的配套水平。对于模具工业而言,与切削相关的配套技术还包括加工编程技术,通过优化模具的铣削策略、走刀路径及刀具切削用量,可达到切削负荷均匀、提高加工效率、延长刀具寿命的效果。
  
  如今,切削加工技术正以前所未有的速度快速发展。我国工具工业通过技术改造、产品结构调整、转变经营理念以及合资、收购等途径,正在不断提高新产品开发能力和用户服务能力。与此同时,国外的工具制造商也加快了在中国设厂布点、进行本地化生产的步伐,这对于提高我国切削加工技术水平和服务能力将带来积极影响。我国广大刀具用户应转变观念,更加重视切削技术和刀具应用,充分利用现代切削技术的最新成果,提高加工效率,降低制造成本。模具工业是切削刀具的主要用户行业,也是刀具新产品开发和技术服务的主要对象之一,大力促进以高速、高效切削为代表的先进切削技术的开发与应用,将对我国模具工业的发展起到积极的推动作用。

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