模具高速加工技术主要特点及优越性

模具高速加工技术主要特点及优越性
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高速加工技术的主要特点,论述用於模具工业的高速机床、高速刀具和高速CAD/CAM系统等关键技术。
模具是制造业中使用量大、影响面广的工具产品。没有型腔模、压铸模、铸模、深拉模和冲压模,就无法生产出被广泛应用和具有竞争价格的塑料件、合金压铸件、钢板件和锻件。在现精密塑胶模具代批量生产中,没有高水平的模具,就没有高质量的产品,它对企业提高生产效率、降低生产成本也有重要的作用。据国外最新统计分析,金属零件粗加工的75%、精加工的50%和塑料零件的90%是用模具加工完成的。因此,模具工业也被称为“皇冠工业”。如今,模具制造已成为先进制造技术的一个重要组成部分。
制造模具的材料通常是一类难加工材料,目前国内模具型腔一般都釆用电火花加工(EDM)成型。但电加工的生产效率很低,不论在模具开发速度方面还是模具制造质量方面,都不能满足现代批量生产的要求。
高速加工技术的出现,为模具制造技术开辟了一条崭新的道路。尽可能用高速加工来代替电加工,是加快模具开发速度、提高模具制造质量的必然趋势。
模具高速加工的优越性
不论是冲压模具还是塑料模具(包括注射模、挤压模、吹塑模等),为了提高其使用寿命,构成模具型腔的有关零件一般都用高强度的耐磨材料制造(如各种牌号的合金结构钢、合金工具钢和不锈钢等),这些材料经过热处理後硬度很高,很难用常规的机械加工方法进行加工。几十年来,对付这类难加工材料的最好办法就是釆用特种加工。
在中国,模具的型腔加工至今仍然是电火花加工一统天下,电火花加工(包括成形加工和线切割)在模具制造中一直起十分重要的作用。
生产的发展和产品更新换代速度的加快,对模具的生产效率和制造质量提出了越来越高的要求,於是电火花加工存在的问题就逐渐暴露出来。从物理本质上说,电火花加工是一种靠放电烧蚀的“微切削”工艺,加工过程非常之缓慢;在电火花对工件表面进行局部高温放电烧蚀过程中,工件材料表面的物理-机械性能会受到一定程度的损伤,常常会在型腔表面产生微细裂纹,表面粗糙度也达不到模具的要求,因而经过电加工後的型腔类零件一般还要进行费力、费时的手工研磨和抛光。因此,电火花加工的生产效率很低,制造质量不稳定,在许多场合,模具已成为影响新产品开发速度的一个关键因素。
20世纪90年代以来,在国外模具工业中开始逐渐应用高速切削(HSC)方法进行型腔的加工,并且取得了很好的效果。和电火花加工相比,高速加工的主要优点是:
产品质量好—高速切削以高於常规切速10倍左右的切削速度对零件进行高速加工,毛坯材料的馀量还来不及充分变形就在瞬间被切离工件,工件表面的残馀应力非常小;切削过程中产生的绝大多数热量(95%以上)被切屑迅速带走,工件的热变形小;高速加工过程中,机床主轴以极高的转速(10000"80000 r/min)运转,激振频率远远离开了“机床—刀具—工件”系统的固有频率範围,零件加工过程平稳无冲击。因此零件的加工精度高,表面质量好,粗糙度可达Ra 0.6μm以上。经过高速铣削的型腔,表面质量能达到磨削的水平,故常常可省去後续的许多精加工工序。
生产效率高—用高速加工中心或高速铣床加工模具,可以在工件一次装夹中,完成型腔的粗、精加工和模具零件其它部位的机械加工,即所谓“一次过”技术(One Pass Machining),切削速度很高,加工过程本身的效率比电加工要高出好几倍。除此以外,它既不要做电极,常常也不需要後续的手工研磨与抛光,又容易实现加工过程自动化。因此,高速加工技术的应用,使模具的开发速度大为提高。
能加工形状复杂的硬质零件和薄壁零件—由高速切削机理可知,高速切削时,切削力大为减少,切削过程变得比较轻松。高速切削可以加工淬火钢,材料硬度可高达60HRC以上,加工过程甚至可以不用切削液,这就是所谓的硬切削(Hard Machining)和乾切削(Dry Machining)。尤其可贵的是,在高速加工中,横向切削力(Py)很小,这就有利於加工复杂模具型腔中一些细筋和薄壁,其壁厚甚至可以小於1mm。图1所示为高速加工方法加工出的零件,其各个薄壁的壁厚分别为0.2mm、0.3mm和0.4mm,薄壁高度为20mm。
近几年来,高速加工技术在国外已广泛用於模具工业。在工业发达国家,据统计目前有85%左右的模具电火花成形加工工序已被高速加工所替代。高速加工在国际模具制造工艺中的主流地位已经确立。原来一些从事电加工设备制造的着名公司(如瑞士Agie公司),已敏感地看到这一技术发展趋势,为了不被模具设备巿场淘汰出局,已釆取了与高速机床制造厂家(如瑞士Mikron)联手合并的措施。
发展前景
高速加工的加工精度高、表面质量好,生产效率很高,在模具工业中的应用效果非常好,传统的电加工工艺无法与之匹敌,完全符合现代制造技术“高效率、高精度和高度自动化”的发展方向,有广阔的应用前景。
当然,电火花成形加工对一些尖角、窄槽、深小孔和过于复杂的型腔表面的精密加工还是有用的。高速加工还不能完全代替电火花成形加工,两者应该扬长避短,相辅相成。同时应该看到,高速加工的一次性设备投资比较大,并不是所有模具厂都能承受,而且中国目前还有大量的小型模具厂和电加工作坊存在,短期内高速加工对电加工还不会造成太大的威胁。但是应该看到,高速加工在发达国家模具制造工业中已处于主流地位,目前更以其巨大的优势,猛烈地冲击传统的电加工工艺,模具工业大规模设备更新的时代即将到来,有远见、有实力的企业家应该首选高速加工这个当今世界模具制造的主流技术,主动迎接新技术革命的挑战。