模具制造中的微細銑削

近幾年來，構件的微型化已成為一種發(fā)展趨勢。在許多技術領域（如航空、汽車、電子、移動通訊、醫(yī)療、光學和機械制造等技術領域）愈來愈多地應用微型機械產品。構件的這種微型化發(fā)展，對加工技術提出了更高的要求，生產這些尺寸很小、精度較高的零件和模具使機械加工行業(yè)面臨著新的加工問題。因為這種采用極小刀具進行的微細加工與采用大規(guī)格刀具的加工存在著本質的區(qū)別。

    為降低制造成本，大批量的微型構件是采用模具來制造的。目前，這種小型模具的加工則是一個強勁增長的領域。由于模具對精度和表面質量的要求極高，而模具的制造又是單件或是小批量生產的產品。要柔性而又經濟地生產，這就使得微細銑削工藝被置于一個特別重要的地位。微細銑削同電火花加工和激光加工工藝相比，具有許多優(yōu)點：

1、能加工淬硬的工具鋼；

2、柔性制造復雜的幾何表面；

3、可利用現(xiàn)有的CAD/CAM系統(tǒng)；

4、可獲得很好的表面質量；

5、比較低的設備投資。

    因此，在微型模具的制造中，采用微細銑削工藝可以利用NC-5軸（或3軸）高速加工中心或微細銑削機床柔性和精密地來制造各種各樣的模芯。

很小直徑的銑刀

    微細銑削加工，采用的銑刀直徑通常在0.1mm和2mm之間，銑刀設有兩個銑削刀刃�？紤]到銑刀直徑小和剛性差的情況，刀具材料普遍采用超細顆粒（0.2祄～0.5祄）硬質合金，這種合金由WC-Co和粘結材料組成，在燒結時能獲得均勻的組織，具有硬度高、韌性好、抗疲勞強度高和耐沖擊性能好等優(yōu)點，故適合于制成特小直徑的銑刀，并應用于硬銑加工。

    為減小銑刀刀刃和工件之間的摩擦，提高銑刀的耐磨性和熱穩(wěn)定性，在銑刀上涂有1祄～3祄厚的硬涂層，例如，可采用PVD涂層工藝的TiAlN，TiCN等硬材料涂層或采用CVD涂層工藝的金剛石涂層。為增強微型銑刀的剛性，銑刀采用錐形結構和圓柱刀柄。

    由于微型銑刀直徑很小，剛性較差，平面轉動慣量隨銑刀直徑而成立方下降。因此，微細銑削加工時，銑刀只能承受很小的切削力和轉距，所以在銑削加工時應采用很小的每齒進給量，視銑刀直徑和工件材料的硬度，其值大致為銑刀直徑的0.5/100至3/100，過大的進給量會導致刀具的折斷。

    在這里應提及的是，對于三軸加工或在銑刀軸沒有傾斜的情況下，球頭銑刀進行銑削時，由于背吃刀量很小，在銑刀工作直徑上的實際切削速度要大大小于銑刀名義直徑上的速度。為使微細銑刀加工能達到較佳的切削過程，選擇切削速度時，應考慮到銑刀實際的工作直徑。例如： 0.5mm的球頭銑刀，選擇的切削速度為160m/min，（相應的主軸轉速為102000r/min）背吃刀量0.05mm。經計算得知該銑刀的工作直徑僅為0.3mm，其相應的切削速度也只達到96m/min。如果按160m/min的切削速度來切削，則主軸的轉速相應要提高到170000r/min。

圖1很小的刀具：整體硬質合金微型銑刀（來源：phom公司）

圖2 微細加工模芯：采用微細銑削加工制造可轉位

刀片

（S224和S229型號）的成形沖模。（來源phom公司）

圖3 沖壓模的微細限削

很高的主軸轉速

    采用很小直徑的刀具進行微細銑削，要達到由工件材料所決定的切削速度就需要很高的主軸轉速。例如，采用直徑0.5mm的銑刀銑削鋼件，當選用180m/min的切削速度，則需要115000r/min的主軸轉速。刀具直徑愈小，則需要的主軸轉速愈高。

    目前，在模具制造中普遍采用的普通加工中心，其主軸轉速大多在18000～42000 (r/min)，適合于采用2mm～12mm直徑的立銑刀進行加工。而微細銑削加工所采用的刀具直徑更�。�0.1mm～2mm），由于切削速度取決于要加工的工件材料，要是在這樣常規(guī)的機床上進行微細加工，顯然不能獲得較佳的切削過程。

    為適應微細銑削加工的快速發(fā)展，研制新的更高轉速的電主軸具有特別重要的意義。幾年前，一些電主軸制造廠已生產出160000r/min轉速的主軸部件。一個由多家主軸部件生產廠和Fraunhofer生產技術研究所組成的小組就在前幾年已著手研制轉速為300000r/min的由空氣軸承支承和采用同步電機驅動的電主軸。目前，Precise精密主軸部件公司推出了專門用于微細切削加工的高速電主軸。從這些電主軸中可以看出，由空氣軸承支承的電主軸，可以達到很高的轉速。另外，空氣軸承的優(yōu)點是運轉平穩(wěn)，圓跳動誤差可達到<1祄，這種軸承還不易發(fā)生磨損，因此，有較長的使用壽命。由于微細銑削本身產生的切削力較小，故這種軸承特別適合應用于微細切削。

圖4 銑刀直徑和所需轉速圖：刀具直徑越小，為進

行最佳的切削所需的轉速就越高（來源：Precise公司）

    高速主軸部件的驅動愈來愈多的采用同步電動機已是一種發(fā)展趨勢。這種電機的重要優(yōu)點在于有較大的轉矩或功率密度，并且產生的溫升也較低，這對于避免主軸的熱伸長是有利的。

    空氣軸承與同步電動機在電主軸上的聯(lián)合應用，鑒于具有運行平穩(wěn)、長使用壽命和熱特性好等優(yōu)點，這對于微細切削加工來說無疑是一種最佳的主軸系統(tǒng)。

刀夾和刀柄接口

    為適應高轉速加工，刀夾和主軸之間的接口主要是采用結構對稱的HSK-E32（可實現(xiàn)60000r/min的最高轉速）和HSK-E25（可實現(xiàn)80000r/min的最高轉速）。如果轉速超過了80000r/min，或要求更高的精度（減少接口數(shù)量），則應采用把刀柄直接夾緊在機床的主軸里的辦法，但這種辦法的缺點是，要求所有使用的刀具必須有相同的刀柄直徑。

    刀夾的圓跳動對微細銑削的表面質量和表面輪廓精度有重要影響，因此，對于微細銑削加工，主要是采用圓跳動誤差很小（≤0.003mm）、結構對稱的熱裝冷縮式刀夾。這里用一個精銑90MnCrV8材質的成形沖壓模來說明：雙刃銑刀精銑時采用的切削參數(shù)是轉速n=30000r/min，側吃刀量ae=0.05mm，背吃刀量ap=0.05mm和進給速度Vf=200mm/min。這就得到fz=0.003mm的每齒進給量。如果刀夾的圓跳動誤差為3祄，則雙刃銑刀很快便成為只有一個有效切削刀刃的刀具。因此，基于精度和表面質量的考慮，值得推薦采用熱裝冷縮式高精度刀夾。

三軸和五軸微細加工機床

    為實現(xiàn)微細加工，不僅需要尺寸很小的刀具和相應的刀夾，而且需要有專門為微細加工而設計的進行微細銑削加工的銑床或加工中心。目前，Primacon公司提供的Mikro-BAZ-PFM24 NGd 五軸（或三軸）加工中心，其主軸轉速最高達140000r/min�？刂葡到y(tǒng)采用海德漢iTNC50。Kugler公司提供的Micromaster∕M型五軸微細加工機床，該機床為保證高的加工精度，采取了許多結構措施：其機體由精細顆粒的整體花崗巖制成，因此保證了機床的長期穩(wěn)定性。X-Y-Z軸直線導軌采用靜壓支承，X-Z軸的龍門框架同樣由經精密加工的花崗巖構成，從而保證了軸的熱穩(wěn)定性和很高的剛性。通過采用直線驅動來提高軸的定位精度，同時采用空氣支承的電主軸來提高轉速，其最高轉速達160000r/min，以保證微細銑削的最佳過程。Wissner公司的GAMMA202 EconoMic型銑床是專門用來進行微細加工的三軸銑床。

圖5 微細加工機床：Kugler公司的誤軸微細加工機床

    五軸加工的主要優(yōu)點在于可采用較短的錐形柄小直徑銑刀加工較深的型腔和筋板，并獲得很好的表面質量，由此免去手動拋光。而三軸加工的加工精度要高于用五軸加工的精度，在加工時間上，三軸加工過程要比五軸加工過程可縮短15%至50%。

    目前，微細加工機床的控制系統(tǒng)一般都可以與不同廠家的CAD/CAM系統(tǒng)進行連接，通過這種連接，能使模具的復雜輪廓的加工獲得良好的效果，并縮短調整時間和編程時間。

結束語

    近年來，隨著技術產品構件的微型化發(fā)展，微細加工技術日益成為微型構件加工的關鍵技術。微細銑削加工在制造微型構件和模具中占有十分重要的地位。進一步開發(fā)微細銑削加工用的刀具、刀夾和高速電主軸，以及微細加工機床是推動微細機械加工技術發(fā)展的關鍵。在微型模具制造中，通過微細銑削加工不僅可以提高經濟效益，而且還可以進一步挖掘銑削加工的工藝潛力。