用高速切削加工模具

撰稿：蘭生數(shù)控機(jī)床銷售有限公司  范琦

 

模具是制造業(yè)中用量大、影響面廣的工具產(chǎn)品。模具技術(shù)是衡量一個(gè)國(guó)家的科技水平的重要標(biāo)志之一，沒有高水平的模具就沒有高質(zhì)量的產(chǎn)品。目前，工業(yè)產(chǎn)品零件粗加工的 75 ％、精加工的 50 ％及塑料零件的 90 ％將由模具完成的。

模具工業(yè)也被稱為皇冠工業(yè)，不衰落工業(yè)。目前，人類社會(huì)正在從鋼鐵時(shí)代向聚合物時(shí)代過(guò)渡，工業(yè)及生活中使用的工程塑料、橡膠，已遠(yuǎn)超過(guò)鋼鐵。聚合物必須用模具成型，因此，模具應(yīng)用量不斷擴(kuò)大。另一方面，隨著產(chǎn)品更新?lián)Q代速度加快，模具就成為新品開發(fā)的關(guān)鍵。 1990 年，模具交貨期一般為 24 個(gè)月，到 1995 年縮短至 12 個(gè)月，目前進(jìn)一步縮短至 9 個(gè)月，這就對(duì)模具傳統(tǒng)加工工藝提出了挑戰(zhàn)。

模具的機(jī)械加工主要是加工出曲面形狀，模具加工一般使用數(shù)控銑床或加工中心，大部分的加工時(shí)間是花在半精加工和精加工上。由于銑削總是留有刀紋，最后要用很多時(shí)間手工修光。同時(shí)，由于模具大多由高硬度、耐磨損的合金材料制造，加工時(shí)難度較大，廣泛采用的電火花（ EDM ）加工及成形傳統(tǒng)工藝，是造成加工模具低效率的主要原因。用高速切削加工（ HSM ）代替 EDM （或大部分代替）是加快模具開發(fā)速度，實(shí)現(xiàn)工藝換代的重大舉措。高速切削應(yīng)用于模具制造業(yè)，將會(huì)很大程度提高產(chǎn)品的生產(chǎn)率和質(zhì)量。圖10-12.

采用高速加工模具主要有兩方面的優(yōu)勢(shì)：

 1 ）高速切削大大提高加工效率，不僅機(jī)床轉(zhuǎn)速高、進(jìn)給快，而且粗、精加工可一次完成，極大地提高了模具生產(chǎn)率。結(jié)合 CAD / CAM 技術(shù)，模具的制造周期可縮短約 40 ％。

 2 ）采用高速切削可加工淬硬鋼，硬度可達(dá) 60HRC 左右，可得到很高的表面質(zhì)量，表面粗糙度低于 Rao.6μm ，取得以銑代磨的加工效果，不僅節(jié)省了大量修光時(shí)間，還提高了加工的表面質(zhì)量。

 高速加工模具實(shí)例

 1 ．減少加工時(shí)間

圖10-13的旋鈕模具,由于加工的表面質(zhì)量很高，省去了拋光工序。

參數(shù)：

尺寸： 60mm*60mm*50mm ；

材料硬度： 56HRC；

粗加工： 20 000r / min , 4 000mm / min ；

精加工： 30 000r / min , 3 000mm / min ；

最小半徑： Rlmm ; Rl .5mm；

表面粗糙度： Ra≈0.6μm ；

加工時(shí)間： 78min。

2 ．半精加工和精加工一次完成加工淬硬鋼模具

圖10-14是淬硬的鋼模具，硬度高達(dá) 60HRC。采用高速切削加工，半精加工和精加工一次完成，可有效降低表面粗糙度，不僅節(jié)省了生產(chǎn)時(shí)間，較之電火花加工，也降低了成本。

 

材料：硬度為 60HRC 的 Stavax 材料；

尺寸： 120mm*150mm*50tnm；

粗銑： 23 000r / min , 7 000mm / min ；

精銑： 36 000r / min , 5 000mm / min；

加工時(shí)間： 157min；

用φl(shuí)mm 銑刀銑切螺紋輪廓；

表面質(zhì)量最佳；

不再需要鉗工工序。

3 ．高速加工電火花加工用工具電極

高速加工圖10-15中的石墨電極，比普通加工快 12 倍，而且不需要手工修整。高速加工銅電極，粗銑：主軸轉(zhuǎn)速 35 000r / min ，進(jìn)給速度 6m / min；精銑：主軸轉(zhuǎn)速 40 000r / min ，進(jìn)給速度 8m / min 。整個(gè)加工時(shí)間為 29min ，提高了工具電極的加工速度。

 

4 ．高速加工小模具

在小模具加工中，常有大曲率的凹凸表面。為了不損傷模具，一般不能采用五軸加工，而用三軸球頭銑刀加工。通常銑削加工只能切出大致形狀，然后用手工修整。在鋼件模具加工中，高速銑用來(lái)半精加工和精加工。采用小直徑的銑刀高速銑削，可以提高模具輪廓精度，為手工修整提供了更好的條件。如圖10-17所示的生產(chǎn)旋鈕開關(guān)用的模具.

技術(shù)數(shù)據(jù)：

尺寸： 50mrn X 50mrnX30mm ;

粗銑：24 000r / min , 7 500mm / min ；

精銑：35000r / min , 7 000mm / min ；

加工時(shí)間： 39min；

表面粗糙度： Ra0.4μm ；

不再需要鉗工工序；

縮短加工時(shí)間。

5．高速加工模具模型

有時(shí)為了實(shí)驗(yàn)和分析形狀比較復(fù)雜的模具，要先做一個(gè)模型。做模型可以用比較軟的材料，如鋁等。采用高速數(shù)控銑床或加工中心，結(jié)合 CAD / CAM 技術(shù)可以在很短的時(shí)間內(nèi)加工完成，同時(shí)還可以考察加工過(guò)程。

由于高速加工模具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，下面我們用一個(gè)模具制造廠的實(shí)例來(lái)看看高速加工所帶來(lái)的效益。

美國(guó)現(xiàn)代工具系統(tǒng)（ Modern Tooling Systems ）模具公司（簡(jiǎn)稱 MTS ）在使用高速切削技術(shù)后，使公司得到很大發(fā)展。他們認(rèn)為高速切削技術(shù)是模具加工的支柱技術(shù)。

 MTS 公司 1990 年開始轉(zhuǎn)向高速加工�，F(xiàn)在，他們已經(jīng)在壓模制造方面小有名氣。該公司生產(chǎn)注射模具、反作用注射模具（ RIM ）、吹模、沖模等各種模具。該公司主管說(shuō)，高速切削減少了生產(chǎn)中鉗工手工操作時(shí)間，使工廠的模具工業(yè)得到迅速發(fā)展。

該公司采用的高速機(jī)床主要參數(shù)如下：

控制系統(tǒng)： Fidia CNC 30 ；

主軸轉(zhuǎn)速：25000r / min；

進(jìn)給速度： 25m / min ；

加工的最大模具為 2000mmX1500mmX76Omm 。

要求表面質(zhì)量很高的小模具也用這個(gè)機(jī)床加工。

該公司認(rèn)為，花大價(jià)錢購(gòu)買新機(jī)床的目的是減少手工精加工和拋光，提高生產(chǎn)率。使用結(jié)果表明，用小直徑刀具小切削量加工，可以得到非常好的尺寸精度、形狀精度和表面粗糙度，而且高速加工還省去了三分之一到二分之一的手工勞動(dòng)時(shí)間。圖10-18是一個(gè)加工載貨汽車外殼模具實(shí)例.

加工參數(shù)：

粗加工刀具：直徑 25 . 4mm 的球頭銑刀；

精加工刀具：直徑 smm 的球頭銑刀；

機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速： 9000r / min ；

進(jìn)給速度：200in / min；

達(dá)到表面粗糙度1μm 。

粗加工后不再用手工修整，只用油石拋光，手工操作時(shí)間減少了40％。

該公司使用高速切削生產(chǎn)各種模具，取得了很好的效益。在總結(jié)高速切削加工模具的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)中，他們得出了如下結(jié)論：

 1 ）高速加工使工廠有可能減少或取消 EDM （電火花）加工。現(xiàn)在可以采用小直徑刀具加工長(zhǎng)而細(xì)的槽，也不要再做電極。

 2 ）減少了手工操作和 EDM ，降低了模具生產(chǎn)的輔助時(shí)間，特別是壓模制造，提高生產(chǎn)量，降低成本。目前該公司每年的生產(chǎn)量達(dá)到 20 000 ~150000 副模具。以前該公司不大生產(chǎn)模具，由于有了高速加工，公司在這個(gè)領(lǐng)域有了很大發(fā)展。由于成本和供貨期的要求，制造鋁模型的優(yōu)點(diǎn)是可以用來(lái)驗(yàn)證產(chǎn)品和加工過(guò)程，使產(chǎn)品具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)能力。生產(chǎn)鋁模型就像加工零件，可以用來(lái)實(shí)驗(yàn)和分析，而高速切削方法加工鋁模型很方便。

 3 ）對(duì)于具有復(fù)雜曲面的模具和其他零件，利用高速切削可加工淬硬鋼的特點(diǎn)，可用做精加工，取得以銑代磨的加工效果。為了避免刀具發(fā)生干涉，往往采用球頭端銑刀加工復(fù)雜曲面。球頭銑刀在加工時(shí)刀具刃口的線速度很低，加工出來(lái)的工件表面粗糙度很差，需要后續(xù)工序用手工修光或用電加工方法修光，要花費(fèi)很多時(shí)間，特別是內(nèi)加工修光，還要先做復(fù)雜的電極，而且修光工序往往破壞了模具的形狀精度。采用高速切削后，不僅可以達(dá)到要求的表面質(zhì)量，還省掉了修光工序，質(zhì)量和效率都大大提高。

但是，用高速切削加工淬硬鋼，對(duì)加工工藝和切削參數(shù)的選擇要求較高，所采用的刀具也要精心選擇。目前，比較成功的例子是采用 CBN 刀具進(jìn)行加工。

MTS 模具公司在高速切削模具方面取得了很大成功，樹立了提高生產(chǎn)率的典范。

在我國(guó)，模具生產(chǎn)同樣是量大、面廣，因此高速切削技術(shù)在模具行業(yè)的推廣使用，有非常巨大的發(fā)展?jié)摿�和發(fā)展空間。

為了追求最終的高精度，一般希望在淬火以后進(jìn)行精加工。在以前，對(duì)付淬硬模具唯一可以采用的加工手段是電加工。但是放電燒蝕是微切屑加工，效率極低。高速銑削淬硬鋼效率可以高出幾十倍而成為電加工的換代工藝。但是，對(duì)那些大型模具上具有深且窄的槽、小曲率半徑圓弧曲面和清角等，高速銑削還是無(wú)能為力，因此不可能全部替代電加工。但可以用高速銑削進(jìn)行粗、半精加工，用電加工做最后加工，仍可縮短模具加工周期。

硬銑削作為高效加工模具的新方法，在模具制造中得到了廣泛應(yīng)用。下面就用幾個(gè)實(shí)例具體介紹高速銑削硬模具的工藝方法。

瑞士 Mikron 公司用 HSM700 高速銑加工的模具零件，見圖 10 一 19 。

高速銑削和傳統(tǒng)加工工藝比較：

采用傳統(tǒng)工藝過(guò)程為：粗加工一線切割一淬火一 EDM 成形一拋光，加工工時(shí)為 50 ~6Oh；

采用 HSM 工藝過(guò)程為：粗加工一淬火一 HSC 一拋光，加工工時(shí)僅為 14 . 5h , 提高工效近4倍。

技術(shù)數(shù)據(jù)：

尺寸： 250mm X 200mmX80mm；

材料在未淬硬條件下的預(yù)加工；

普通方法的總加工工時(shí)

 ― 淬火

― 加工電極    55h；

― 電火花加工

― 拋光

高速切削方法的總加工工時(shí)：14 . 5h；

減少加工工時(shí)：75 ％。

高速切削淬硬鋼模具，可以省去電火花加工。數(shù)據(jù)表明了和電火花傳統(tǒng)工藝的對(duì)比結(jié)果。高速加工表面質(zhì)量極佳，又可大幅度降低成本，可代替電火花加工方法，完全消除了因電火花加工所產(chǎn)生的微小裂紋，延長(zhǎng)鑄模的使用壽命。

美國(guó)肯納金屬公司高速銑削加工扳手模具，如圖10-20所示。

刀具直徑和材料：直徑 10mm 和 4mm 的 TIAIN 銑刀；

機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速： 15 000r / min ；

 加工時(shí)間： 22min ；

粗、精銑一次完成，比起傳統(tǒng)的電加工工藝，加工時(shí)間大大縮短。

國(guó)外某公司制作連桿鍛模，用電火花加工型腔需 12~15h ，電極制作 2h 。改用高速硬銑削后，采用 Torus 立銑刀對(duì)硬度 60HRC 的淬硬工具鋼進(jìn)行加工，其相關(guān)工藝參數(shù)如表10-5  所示。整個(gè)鍛模加工只需3h20min ，工效提高4~5倍，加工表面粗糙度 Ra0. 5 ~0.6μm，質(zhì)量完全符合要求。