電磁研磨模具加工技術(shù)

    在金屬模制造工程中，因?yàn)楣ぷ鳈C(jī)械及放電加工機(jī)械的導(dǎo)入，以及其後之CAD/CAM的導(dǎo)入，促進(jìn)了從設(shè)計(jì)到加工整個(gè)流程的機(jī)械化及自動(dòng)化。因?yàn)镃AD在可以表現(xiàn)出更復(fù)雜的形狀，其操作性及和CAM的相容性也提高了，所以可以在更快速的情形下求得更高的精度。CAM也更為快速，且因?yàn)槎噍S控制加工的功能，而可以進(jìn)行復(fù)雜形狀的加工。在形狀創(chuàng)制加工方面，因?yàn)楦咚巽姶布扮R面放電加工機(jī)械的出現(xiàn)，而能而更快的進(jìn)度來進(jìn)行高精度的金屬模制造。

    然而，精細(xì)修潤(研磨)及組立流程的自動(dòng)化卻比前述流程為慢。雖然到目前為止，市面上所販賣的研磨專用機(jī)械發(fā)揮很大的效用，而其中的大部份，大都是以自我模仿或?qū)W習(xí)的方式來進(jìn)行工具移動(dòng)，所以看不到有多大的變化。而最近以CAD資料為基礎(chǔ)，采用多軸自動(dòng)機(jī)械來進(jìn)行研磨自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)。為了實(shí)現(xiàn)以形狀精度及效率為前提的高水準(zhǔn)金屬模研磨，則以能整體掌握從設(shè)計(jì)到加工、計(jì)測之連續(xù)金屬模制作流程的CAD/CAM系統(tǒng)為基礎(chǔ)的驅(qū)動(dòng)旁式，或是可以并用在形狀加工上使用之NC資料自動(dòng)研磨方式為并。其代表的意義，就是以CAD資料為基礎(chǔ)的方法，將來極有可能成為實(shí)現(xiàn)高精度、高效率之研磨自動(dòng)化的一方法。

    到目前為止，精細(xì)修潤(研磨)流程的效率化及追求高精度方面，大都著眼於研磨的發(fā)展上。所以大家都將此流程中效率化及高精度化的重點(diǎn)，放在如何提高前流程中之切削加工或放電加工精度來進(jìn)行形狀加工，且能將表面粗糙程度降至最低。筆者認(rèn)為，在形狀創(chuàng)制加工中應(yīng)盡量提高精度，在不降低效率的前提下，減少表面的粗糙度，再利用研磨時(shí)減少研磨的份量來維持精度，這樣就可以現(xiàn)高精度又具高效率的金屬模研磨。

    因此，將針對以推動(dòng)金屬模研磨的自動(dòng)化、快速化、高精度化為目的而進(jìn)行之高速銑削、5軸控制切削、及電磁研磨等實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行解說。

研磨前流程的努力

    模具制作上是以設(shè)計(jì)、加工制造為主，一直到目前為止一直都在追求各個(gè)流程中的快速化、高精度化要及自動(dòng)化。本來這些流程都是互相關(guān)連，而必須被整體考慮的，但在某一個(gè)流程中作有程度的犧牲，可能會帶給另一個(gè)流程更大的益處，例如，縮小切削時(shí)的pick進(jìn)給，進(jìn)行表面粗糙度較低的形狀加工，以減輕研磨的負(fù)擔(dān)，這些情形應(yīng)該都已經(jīng)被考慮過了。當(dāng)然，將pick進(jìn)給減為一半時(shí)，就必須花費(fèi)2倍的時(shí)間，負(fù)責(zé)切削加工的人自然不愿意。然而，此種作法可減少表面的粗糙度，研磨的部份就相對減少，不但可以縮短修潤加工的時(shí)間，在修潤加工流程中，也可以減少形狀上的損失，同時(shí)也很明顯地，會使組合、試模修正等後流程更為順利。若縮小pick進(jìn)給又能以較少的加工時(shí)間來進(jìn)行形狀加工的話，則不但可以縮短整個(gè)金屬模的制作流程，又同時(shí)可以提高品質(zhì)并降低低成本。

相片一 圖一

1. 相片1在加工制造中心機(jī)上配置電磁研磨工具的外觀。

2. 切削及研磨所需要的時(shí)間(h/100cm2)

3. pick進(jìn)給(mm)

4. 切削條件

高速M(fèi)C：旋轉(zhuǎn)數(shù)30000rpm進(jìn)給速度9750mm/min切深0.1mm

高速M(fèi)C：旋數(shù)數(shù)20000rpm進(jìn)給速650mm/min度切深0.2mm

兩方都是以直徑20球端銑刀來加工

5. 研磨條件

直徑16球端割縫工具、旋轉(zhuǎn)數(shù)1750mm、加工間隙1.2mm、655NbC-Fe磨粒(212-300)、磁束密度1T

6. 圖1以各種Pick速量，對S50C材1000mm進(jìn)行切削，并以電磁研磨至表面粗糙度為0.4mRmax時(shí)所花費(fèi)的整體加工時(shí)間。內(nèi)是切削後的表面粗糙度5軸控制切削及電磁研磨

    基於上述理由，筆者一群人就針對如何組合高速銑削及電磁研磨來促進(jìn)研磨的效率、如何利用5軸控制的切削及研磨來提高研磨的精度，及以何種切削條件才能滿ì所有要求的研究。

電磁研磨法的特征

    相片1是在多能加工制造中心機(jī)上配置電磁研磨工具的外觀。電磁研磨裝置是由線圈繞組、鐵蕊、直流電源、及電磁磨粒所構(gòu)成，是可配置在任何工作機(jī)械上的簡易裝備。通電後，其鐵蕊前端會斂引磨粒而形成電刷。同時(shí)，和鐵蕊對峙的加工物件會被磁化，加工件側(cè)也會產(chǎn)生吸引力而斂附磁性磨粒，就形成加工壓而進(jìn)行研磨。鐵蕊和加工物件有數(shù)mm的間隙，此間隙中會充滿磁性磨粒。

    此研磨法的特徵是，可以利用以NC資料為基礎(chǔ)之驅(qū)動(dòng)方式來進(jìn)行自動(dòng)研磨，即使加工物件有微細(xì)的凹凸，磨粒集合體也會配合加工物件形狀來進(jìn)行研磨。因可以使用形狀加工的工作機(jī)械，加物件不需再經(jīng)階段更換，所以有更好的精度。

高速銑削的優(yōu)點(diǎn)及電磁研磨

    高速銑削因?yàn)楦咚傩�轉(zhuǎn)的主軸、其相對應(yīng)的工具及雙環(huán)的開發(fā)而正在進(jìn)行實(shí)用化的檢討。采用此加工法，即使以較小pick的進(jìn)給來切削，因?yàn)槭且愿咚賮磉M(jìn)給工具，所以加工時(shí)間不會增加。圖1中是在各pick進(jìn)給的情形下，以旋轉(zhuǎn)數(shù)20,000rpm、進(jìn)給速度650mm/min、及旋轉(zhuǎn)數(shù)30,000rpm、進(jìn)給速度9,750mm/min對S50C材100(平面)進(jìn)行切削，在以電磁研磨至表面粗糙度為0.4時(shí)所花費(fèi)的整體加工時(shí)間。以電磁研磨經(jīng)0.3mmpick進(jìn)給高速銑削後的表面時(shí)，所花費(fèi)的整體加工時(shí)間是最少的。若pick進(jìn)給切削時(shí)間花費(fèi)太多，就不是效率加工。若將切削時(shí)間及研磨時(shí)間的總和最小設(shè)定為加工條件，則可實(shí)現(xiàn)加工到表面修潤之間的迅速化。

    我們在前面已提高，要實(shí)現(xiàn)高精度研磨，必須在形狀創(chuàng)制加工中追求精度�，F(xiàn)在就針對3軸及5軸控制切削的精度研磨時(shí)的精度進(jìn)行探討。

    圖2是在3軸及5軸控制下，對各曲率進(jìn)行圓筒形切削後，以3次元測冤機(jī)進(jìn)行測定的測定點(diǎn)及其最小平方近似圓。和近似圓的偏差愈大代表精?愈差，由其凹凸情形可以看出切削狀態(tài)并非十分平整。由圖可知，不論在何種曲率半徑的切削、曲率半徑的誤差，5軸控制比3軸控制小，而且也較為平整。因?yàn)?軸控制在圓筒形狀頂點(diǎn)附近切削時(shí)，是以周速較慢的刀刃中心切削，所以和兩端產(chǎn)生較大的差異。因此，要使切削的精度高，應(yīng)保持刀刃較利的部份和加工物件接觸，所以能進(jìn)行工具的位置控制之5軸控制切削效果較佳。

    圖3是，3軸及5軸控制下，以0.3mmpick進(jìn)給切削後的R60面及對電磁研磨以3次元測定機(jī)進(jìn)行測定的測定點(diǎn)和其最小平方近似圓。4軸控制切削5軸控制研磨組合的曲率半徑偏差較小，精度較高，可知其切削及研磨較為平均。

切削條件會影響研磨的精度及效率

    通常，以較大的pick進(jìn)給量切削時(shí)，因?yàn)槊恳幻娣e及壓力都很均一，仍無法有均一的表面修潤。若刀刃的進(jìn)給比較小，所以會形成不平均的波形切削面。所以在一般的研磨加工中，即使京輪的接觸面不在pick進(jìn)給及工具進(jìn)給的兩個(gè)方向罐有差異而形成有凹凸之鱗狀切削面進(jìn)行研磨，是不可能有高精度及有效率的表面修潤。為了要有這樣的切削面，高速進(jìn)給是最適當(dāng)?shù)那邢鞣ā?

    如表1所示，進(jìn)給是工具進(jìn)給和pick進(jìn)給相同、或?yàn)槠涞?/2、1/3、1/4時(shí)，切削面的(pickfeed)方向和工具速進(jìn)給方向的表面粗糙度。當(dāng)兩者相同時(shí)，表面粗糙度雖然較大，但差異及方向性都較小。而圖4是相對於pick進(jìn)給來變更工具進(jìn)給所得到之切削面，在同一條件下進(jìn)行電磁研磨時(shí)的表面粗糙度，兩個(gè)方向的進(jìn)給相同時(shí)的切削表面雖然較為粗糙，但最後表面粗糙度卻是最低。將切削面的表面粗糙度控制在某個(gè)程度以下，切削面的凹凸形狀就不會有方向性且較為均一，則對研磨較為有利。

圖四

粉末混入放電加工面的電磁研磨

    上述的結(jié)果都是根據(jù)以切削來進(jìn)行形狀加工下的研磨而得來的，而放電加工的情形應(yīng)該也相同。傳統(tǒng)放電加工面的表面粗糙度較大，且要除去加工硬化(變質(zhì))層較為困難。而最近則開發(fā)新的技術(shù)，在加工液中混入硅有機(jī)樹脂等粉末來進(jìn)行放電加工，可以得到數(shù)um的鏡面。和傳統(tǒng)的放電加工比較下，表面粗糙度減少了10um以上，所以研磨部份就減少了，即可維持放電加工時(shí)的精度，而實(shí)現(xiàn)了迅速且具高精度的金屬模研磨。在筆者們的預(yù)備實(shí)驗(yàn)中，對2um的放電加工面進(jìn)行電磁研磨，同時(shí)對相同粗糙度的切削加工面進(jìn)行研磨，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其研磨疲果相同。所以，利用粉末混入放電加工的形狀創(chuàng)制，可作為迅速又具高精度之金屬模研磨的前流程。

    為了促進(jìn)金屬模研磨的自動(dòng)化、快速化、高精度化而行高進(jìn)銑削、5軸控制切削、粉末混入放電加工面的電磁研磨及切削條件所產(chǎn)生的效果，都已如前面所述。在實(shí)現(xiàn)迅速又高精度的金屬模研磨上，和整理前的形狀加工具有何精度，其形狀創(chuàng)制上能有多小的表面粗糙度是有絕對的關(guān)連的。當(dāng)然，研磨機(jī)本身的高度化也是非常重要的。而最近也開發(fā)出形狀加工上使用的革新技術(shù)。利用新技術(shù)來進(jìn)行形狀加工，并使整理的前流程能更迅速具更高的精度，則就會在整理過程中完全表現(xiàn)出來，實(shí)現(xiàn)迅速又具高精度的金屬研磨的之自動(dòng)化。

    雖然在這里我們只提及以電磁研磨來進(jìn)行整理，我們相信，不論選擇種加工，上面的理論都是可以適用的�？稍谛螤罴庸さ那傲鞒藽AD/CAM當(dāng)中，就能以綜合性方式的來思考其後的流程，則金屬模制作上永遠(yuǎn)的問題品質(zhì)的提升及成本的降低都是可以期待的。