模具的高速硬銑削

 在上世紀(jì)90年代中期，高速銑削工藝被引入模具制造，特別是與硬加工相聯(lián)系的高速銑削技術(shù)在模具制造業(yè)中推廣應(yīng)用是模具制造技術(shù)的一次重大變革。通過高速硬銑削工藝對(duì)一次裝夾下的模具進(jìn)行綜合加工，不僅可大幅度減少加工時(shí)間、改善型面的表面質(zhì)量和加工精度，而且可以簡化生產(chǎn)工藝流程，從而顯著縮短模具的制造周期，降低模具的生產(chǎn)成本。
    采用高速硬銑削加工模具，大多數(shù)情況下可節(jié)省制造電極、電火花加工和拋光三道工序。在90年代末，高速硬銑削已在許多加工場(chǎng)合（除一些窄縫、深槽和極小半徑的內(nèi)角加工外）替代了電火花加工。而近年來，由于微細(xì)銑刀（目前最小直徑為0.03～0.1mm的硬質(zhì)合金立銑刀已列入一些廠家的產(chǎn)品目錄）的開發(fā)和微細(xì)銑削工藝的應(yīng)用，這使一些窄縫和極小半徑的內(nèi)角完全可以通過采用小直徑立銑刀來進(jìn)行加工，致使電火花加工的應(yīng)用范圍進(jìn)一步縮小。根據(jù)德國Frauhofer生產(chǎn)技術(shù)研究所2004年對(duì)工具和模具企業(yè)所進(jìn)行的咨詢表明，在今后幾年（至2008年）高速硬銑削在工具和模具加工工藝中所占份額將增長20%，而電火花加工則將減少12%。由此可見，高速硬銑削工藝將愈來愈多地在模具制造業(yè)中得到推廣，這種高速硬銑工藝已成為模具加工的關(guān)鍵工藝。
    高速硬銑削加工雖然給模具制造帶來諸多好處，但要卓有成效的應(yīng)用這種工藝，企業(yè)必須要具備一定的條件。也就是企業(yè)應(yīng)有較高職業(yè)素質(zhì)和經(jīng)驗(yàn)豐富的工藝人員和熟知加工工藝的編程人員，要有合適的高速加工機(jī)床，要配備適合于進(jìn)行高速硬銑的刀夾、刀具以及選用合理的切削參數(shù)等。
    專業(yè)人員的素質(zhì)和經(jīng)驗(yàn)是重要前提
    優(yōu)化模具的生產(chǎn)工藝流程，旨在減少加工工序和提高加工質(zhì)量，顯然采用高速硬銑工藝是這種優(yōu)化的主要途徑。
    高速加工和CAD/CAM系統(tǒng)等高技術(shù)不僅意味著在加工裝備上的高投資，而且還需要有豐富行業(yè)經(jīng)驗(yàn)、能解決實(shí)際生產(chǎn)難題的專業(yè)人員。要依靠熟知生產(chǎn)工藝的人員，根據(jù)模具的幾何形狀、材質(zhì)、硬度和精度等要求來制定合理的生產(chǎn)工藝流程。在這里，硬銑工藝的抉擇，電火花加工的取舍，刀具形式、規(guī)格和數(shù)量，切削用量的確定，加工時(shí)采取何種冷卻潤滑方式以及NC程序的編制等，都將影響到模具加工的生產(chǎn)效率、加工質(zhì)量和制造成本。
    有一些模具生產(chǎn)企業(yè)在高速硬銑工藝方面尚缺少實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，如有些企業(yè)未經(jīng)過三軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床使用經(jīng)驗(yàn)的積累而直接購置五軸聯(lián)動(dòng)加工中心。除聘用和培訓(xùn)專業(yè)人員外，與機(jī)床制造廠、刀具廠以及專業(yè)研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行合作是一個(gè)重要途徑。在模具加工中，進(jìn)行必要的工藝試驗(yàn)對(duì)優(yōu)化工藝過程也十分重要。例如我國一家玩具制造廠的注塑模，加工機(jī)床是德國Hermle公司C800V立式加工中心，采用9把不同類型的立銑刀和球頭銑刀，加工時(shí)采用大流量冷卻潤滑，加工時(shí)間為125分鐘。為了制造型腔底部的花紋圖案，在銑削加工后接著要進(jìn)行電火花加工。根據(jù)中德“在中國工具和模具制造中的高速加工”研究項(xiàng)目，為優(yōu)化該模具的生產(chǎn)工藝流程，德國Darmstadt工業(yè)大學(xué)的生產(chǎn)管理、工藝和機(jī)床研究所（PTW）在Hermle公司的C30U加工中心上進(jìn)行了銑削試驗(yàn)，模具型腔底部的花紋圖案的加工并擬通過高速精銑工藝替代電火花加工。試驗(yàn)結(jié)果表明，目前加工只需采用6把刀具，減少了3把刀具，這樣，除節(jié)省刀具費(fèi)用外，還減少了換刀次數(shù)，從而減少了30%的輔助時(shí)間，整個(gè)加工時(shí)間僅需99分鐘，加工時(shí)間比原先減少了26%。加工時(shí)采用微量潤滑，減少了刀具磨損。由于免去了電火花加工（也就省掉電極制造），使花紋圖案的表面粗糙度降低了50%，同時(shí)也避免了由電火花加工造成的模具加工表層的損傷（白層）。
    機(jī)床、刀具和刀夾是重要保證
    為了高效和高質(zhì)量地進(jìn)行模具的硬銑加工，對(duì)機(jī)床、刀具和刀夾有很高的要求。
    （1）機(jī)床
    采用的高速加工中心應(yīng)有較高的主軸轉(zhuǎn)速、大的功率、高的剛性、高的動(dòng)態(tài)性能以及良好的阻尼特性，并備有快速的控制系統(tǒng)。目前，加工模具的高速機(jī)床，主軸轉(zhuǎn)速一般均在40000～42000（r/min），如Mikro公司第一代高速銑削中心HSM400、HSM700和第二代的HSM600u（五軸聯(lián)動(dòng)高速銑削中心），DMG的DMC100V，Hermle的C800V（36000r/min），Digma的700GC、850HSC，Rers的RFM 600和PTW的Hi-Dyn（60000r/min）等。這樣的主軸轉(zhuǎn)速基本上能滿足常用小直徑銑刀（2～12mm）的加工需要。但是對(duì)于更小直徑的銑刀（0.2～1mm），這樣的主軸轉(zhuǎn)速就不能使刀具達(dá)到理想的切削速度。例如，當(dāng)采用160m/min.的切削速度時(shí)，對(duì)于直徑為1mm的銑刀就需要51000r/min.的主軸轉(zhuǎn)速；而對(duì)于0.2mm的銑刀，則需高達(dá)250000r/min的轉(zhuǎn)速，而在主軸最高轉(zhuǎn)速為42000r/min的情況下，對(duì)于上述兩種銑刀只能分別以132m/min和26m/min較低的切削速度進(jìn)行銑削。例如一個(gè)齒輪模的加工，采用的最小銑刀直徑為0.2mm，機(jī)床主軸最高轉(zhuǎn)速為40000r/min，此時(shí)只能達(dá)到25m/min這樣低的切削速度。因此，為適應(yīng)微細(xì)切削的發(fā)展，需要開發(fā)更高轉(zhuǎn)速的機(jī)床。
    目前，高速加工機(jī)床的軸加速度一般達(dá)1～2g，個(gè)別有達(dá)到3g（Mikron的HPM800）。較高的軸加速度，意味著機(jī)床具有較高的動(dòng)態(tài)性能，這在加工模具的自由曲面、進(jìn)給方向不斷變化的情況下，仍可保持調(diào)定的進(jìn)給速度。從而有利于提高模具自由曲面的加工精度和表面質(zhì)量，據(jù)業(yè)界人士預(yù)測(cè)，機(jī)床的軸加速度在最近的3～4年內(nèi)可望達(dá)到3～5g。
    五軸聯(lián)動(dòng)高速加工中心雖在價(jià)格上要比三軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床高很多，但它特別適合用來加工復(fù)雜曲面的型腔。在加工較深型腔和對(duì)凸臺(tái)清根時(shí)，可以通過附加的兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸（通過轉(zhuǎn)矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的C軸和B軸，可提供與直線軸相配匹的加速度和進(jìn)給速度）的同步運(yùn)動(dòng)從而可采用懸伸較短的立銑刀，由此增強(qiáng)了刀具剛性，并避免刀具和刀桿與型腔壁的碰撞，減少了刀具加工時(shí)的抖動(dòng)或刀具破損的危險(xiǎn)，從而有利于提高模具的表面質(zhì)量、加工效率和延長刀具的壽命。
    （2）刀具
    高速硬銑最常用的是小直徑（12mm以下）立銑刀，主要有雙刃球頭銑刀、雙刃圓刀片銑刀、端齒六刃立銑刀和裝有兩個(gè)可轉(zhuǎn)位圓刀片的立銑刀。其中整體硬質(zhì)合金立銑刀則具有圓跳動(dòng)誤差小和剛性高的優(yōu)點(diǎn)。
    合適的硬質(zhì)合金刀體、耐熱的硬涂層和負(fù)的刀具角度是硬銑獲得成效的重要刀具參數(shù)。銑刀主要采用具有很好韌性的精細(xì)晶粒（0.5～0.8μm）和超細(xì)晶粒（0.2～0.5μm）的硬質(zhì)合金制成。刀具的耐磨性則通過具有較高抗氧化性能和較低內(nèi)應(yīng)力的氮鋁化鈦（TiAlN）或TiAlCN涂層來改善，單涂層厚度為2～3μm，采用PVD工藝進(jìn)行涂覆。
    目前，在有利的幾何邊界條件下，硬銑可以加工硬度為HRC65的工件，而在實(shí)際生產(chǎn)中，模具的硬度多數(shù)在HRC47～54范圍內(nèi)。
    采用超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金和TiAlN涂層的銑刀，在硬銑時(shí)切削速度可達(dá)200～350m/min，每轉(zhuǎn)或每齒進(jìn)給量為0.1～0.2mm。
    加工模具應(yīng)盡可能采用粗銑和精銑兩道工序，通過高速銑削銑去大部分材料余量，留接近成品輪廓的0.05mm加工余量，然后采用較小的行距寬度進(jìn)行精銑。所采用的行距寬度在很大程度上影響到加工時(shí)間、質(zhì)量和表面粗糙度。
    （3）刀夾
    加工模具時(shí)由于采用的是細(xì)長的小直徑銑刀，銑削時(shí)切屑厚度較小，切削速度又高，加工過程易受圓跳動(dòng)誤差和振動(dòng)的影響。因此，要求刀夾不僅要具有回轉(zhuǎn)對(duì)稱的細(xì)長結(jié)構(gòu)，同時(shí)還要具有剛性好、圓跳動(dòng)誤差小、夾持力大和滑轉(zhuǎn)力矩高等特性。從綜合性能看，目前最能滿足這些要求的是一種采用空心錐柄（HSK）的熱裝冷縮式刀夾。這種刀夾的圓跳動(dòng)誤差僅為3μm（在懸伸長度為3×d的檢驗(yàn)棒上測(cè)量），如對(duì)于裝刀直徑為6mm的刀夾，可傳遞22Nm的轉(zhuǎn)矩。這種刀夾在模具加工中已較普遍采用，用來裝卸刀具的感應(yīng)加熱儀往往已作為模具高速加工機(jī)床的隨機(jī)配套附件。
    為獲得較長的刀具壽命和較好的加工表面質(zhì)量，機(jī)床—刀夾—刀具系統(tǒng)的圓跳動(dòng)誤差應(yīng)在12μm之內(nèi)，最好不要超過10μm，這就需要選用比普通銑刀更精密的銑刀，這種銑刀的圓跳動(dòng)誤差一般要在5μm之內(nèi)。這樣，如把主軸的圓跳動(dòng)誤差（一般是：主軸直徑φ70mm為2μm，φ90mm為2.5μm），刀夾（3μm）和銑刀（5μm）的圓跳動(dòng)誤差按極限情況進(jìn)行疊加，其總的圓跳動(dòng)則達(dá)到10.5μm。
    高速硬銑削時(shí)的潤滑或冷卻
    高速硬銑削時(shí)，在切削刀刃上會(huì)產(chǎn)生很高的溫度，如果采用冷卻液進(jìn)行冷卻潤滑時(shí)，會(huì)使刀具產(chǎn)生急劇的溫度突變負(fù)荷，致使硬質(zhì)合金刀體中組織產(chǎn)生微細(xì)裂紋。這樣，刀具就會(huì)過早失效。因此，高速硬銑削時(shí)不宜采用冷卻液進(jìn)行冷卻潤滑，應(yīng)采用干式硬加工。但是考慮到硬銑時(shí)的切削溫度是隨著工件硬度和切削速度的提高而增加，所以在工件硬度不是很高的情況下，在高速硬銑削時(shí)也可以考慮采用微量潤滑。當(dāng)工件硬度很高時(shí)，這種微量潤滑也會(huì)引起硬質(zhì)合金刀具產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱沖擊負(fù)荷。因此，對(duì)于這類高速硬銑削應(yīng)采用壓縮冷空氣進(jìn)行吹除切屑，以避免產(chǎn)生熱沖擊負(fù)荷，刀具壽命一般能提高20%～30%。此外，特別是對(duì)于六刃立銑刀，采用壓縮空氣吹屑還可避免加工時(shí)切屑的纏繞。
    采用壓縮冷空氣吹屑時(shí)，壓縮空氣的壓力應(yīng)至少達(dá)到6巴（0.6MPa）。例如，一個(gè)硬度為HRC61的模具，在高速硬銑時(shí)，采用了壓力為6巴、冷卻至－30℃的壓縮空氣。根據(jù)德國Franken公司的介紹，這樣的壓縮冷空氣不僅有利于吹除切屑，并且在最有利的情況下可使刀具的耐用度提高30%。
    在這里應(yīng)提及的是，這里所采用的壓縮冷空氣是通過一個(gè)專門的渦流管裝置將壓縮空氣加速至聲速，在加速過程中，使其分離成冷、熱兩部分，并分別引出，由此所產(chǎn)生達(dá)－30℃的冷空氣，再通過裝有噴嘴的塑料軟管對(duì)準(zhǔn)銑刀刀刃進(jìn)行吹屑。
    高速硬銑削應(yīng)遵循的原則
    由于模具的高速硬銑削能獲得較好的表面質(zhì)量、較短的加工時(shí)間和工藝流程、較低的加工費(fèi)用而得到越來越廣泛的應(yīng)用。在高速硬銑削模具時(shí)，為達(dá)到較好的效果，應(yīng)遵循下列原則：
    （1）刀具的懸伸應(yīng)盡可能短，而在熱裝冷縮式刀夾中刀具刀柄應(yīng)有足夠長的夾緊長度。
    （2）應(yīng)采用順銑方式，以便提高刀具的壽命（至少20%）和獲得較好的加工表面質(zhì)量。
    （3）立銑刀的圓跳動(dòng)誤差應(yīng)盡可能小一些。
    （4）應(yīng)放棄濕式加工，盡可能采用致冷的壓縮空氣進(jìn)行吹屑和冷卻刀具。
    （5）應(yīng)根據(jù)模具的材質(zhì)、硬度和加工條件選用合適的切削速度和進(jìn)給速度。
    （6）粗銑時(shí)應(yīng)盡可能切除大部分材料余量，即為精銑約留0.05mm的加工余量，免去半精銑工序以縮短生產(chǎn)工藝流程。