模具制造中的微細(xì)銑削

近幾年來，構(gòu)件的微型化已成為一種發(fā)展趨勢。在許多技術(shù)領(lǐng)域（如航空、汽車、電子、移動通訊、醫(yī)療、光學(xué)和機(jī)械制造等技術(shù)領(lǐng)域）愈來愈多地應(yīng)用微型機(jī)械產(chǎn)品。構(gòu)件的這種微型化發(fā)展，對加工技術(shù)提出了更高的要求，生產(chǎn)這些尺寸很小、精度較高的零件和模具使機(jī)械加工行業(yè)面臨著新的加工問題。因?yàn)檫@種采用極小刀具進(jìn)行的微細(xì)加工與采用大規(guī)格刀具的加工存在著本質(zhì)的區(qū)別。

    為降低制造成本，大批量的微型構(gòu)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(gè)強(qiáng)勁增長的領(lǐng)域。由于模具對精度和表面質(zhì)量的要求極高，而模具的制造又是單件或是小批量生產(chǎn)的產(chǎn)品。要柔性而又經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)，這就使得微細(xì)銑削工藝被置于一個(gè)特別重要的地位。微細(xì)銑削同電火花加工和激光加工工藝相比，具有許多優(yōu)點(diǎn)：

1、能加工淬硬的工具鋼；

2、柔性制造復(fù)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(zhì)量；

5、比較低的設(shè)備投資。

    因此，在微型模具的制造中，采用微細(xì)銑削工藝可以利用NC-5軸（或3軸）高速加工中心或微細(xì)銑削機(jī)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(xì)銑削加工，采用的銑刀直徑通常在0.1mm和2mm之間，銑刀設(shè)有兩個(gè)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(xì)顆粒（0.2祄～0.5祄）硬質(zhì)合金，這種合金由WC-Co和粘結(jié)材料組成，在燒結(jié)時(shí)能獲得均勻的組織，具有硬度高、韌性好、抗疲勞強(qiáng)度高和耐沖擊性能好等優(yōu)點(diǎn)，故適合于制成特小直徑的銑刀，并應(yīng)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(qiáng)微型銑刀的剛性，銑刀采用錐形結(jié)構(gòu)和圓柱刀柄。

    由于微型銑刀直徑很小，剛性較差，平面轉(zhuǎn)動慣量隨銑刀直徑而成立方下降。因此，微細(xì)銑削加工時(shí)，銑刀只能承受很小的切削力和轉(zhuǎn)距，所以在銑削加工時(shí)應(yīng)采用很小的每齒進(jìn)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(jìn)給量會導(dǎo)致刀具的折斷。

    在這里應(yīng)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(jìn)行銑削時(shí)，由于背吃刀量很小，在銑刀工作直徑上的實(shí)際切削速度要大大小于銑刀名義直徑上的速度。為使微細(xì)銑刀加工能達(dá)到較佳的切削過程，選擇切削速度時(shí)，應(yīng)考慮到銑刀實(shí)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(yīng)的主軸轉(zhuǎn)速為102000r/min）背吃刀量0.05mm。經(jīng)計(jì)算得知該銑刀的工作直徑僅為0.3mm，其相應(yīng)的切削速度也只達(dá)到96m/min。如果按160m/min的切削速度來切削，則主軸的轉(zhuǎn)速相應(yīng)要提高到170000r/min。

圖1很小的刀具：整體硬質(zhì)合金微型銑刀（來源：phom公司）

圖2 微細(xì)加工模芯：采用微細(xì)銑削加工制造可轉(zhuǎn)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(xì)限削

很高的主軸轉(zhuǎn)速

    采用很小直徑的刀具進(jìn)行微細(xì)銑削，要達(dá)到由工件材料所決定的切削速度就需要很高的主軸轉(zhuǎn)速。例如，采用直徑0.5mm的銑刀銑削鋼件，當(dāng)選用180m/min的切削速度，則需要115000r/min的主軸轉(zhuǎn)速。刀具直徑愈小，則需要的主軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速大多在18000～42000 (r/min)，適合于采用2mm～12mm直徑的立銑刀進(jìn)行加工。而微細(xì)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(jī)床上進(jìn)行微細(xì)加工，顯然不能獲得較佳的切削過程。

    為適應(yīng)微細(xì)銑削加工的快速發(fā)展，研制新的更高轉(zhuǎn)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(chǎn)出160000r/min轉(zhuǎn)速的主軸部件。一個(gè)由多家主軸部件生產(chǎn)廠和Fraunhofer生產(chǎn)技術(shù)研究所組成的小組就在前幾年已著手研制轉(zhuǎn)速為300000r/min的由空氣軸承支承和采用同步電機(jī)驅(qū)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(xì)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(dá)到很高的轉(zhuǎn)速。另外，空氣軸承的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，圓跳動誤差可達(dá)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(xì)銑削本身產(chǎn)生的切削力較小，故這種軸承特別適合應(yīng)用于微細(xì)切削。

圖4 銑刀直徑和所需轉(zhuǎn)速圖：刀具直徑越小，為進(jìn)

行最佳的切削所需的轉(zhuǎn)速就越高（來源：Precise公司）

    高速主軸部件的驅(qū)動愈來愈多的采用同步電動機(jī)已是一種發(fā)展趨勢。這種電機(jī)的重要優(yōu)點(diǎn)在于有較大的轉(zhuǎn)矩或功率密度，并且產(chǎn)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(jī)在電主軸上的聯(lián)合應(yīng)用，鑒于具有運(yùn)行平穩(wěn)、長使用壽命和熱特性好等優(yōu)點(diǎn)，這對于微細(xì)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(yīng)高轉(zhuǎn)速加工，刀夾和主軸之間的接口主要是采用結(jié)構(gòu)對稱的HSK-E32（可實(shí)現(xiàn)60000r/min的最高轉(zhuǎn)速）和HSK-E25（可實(shí)現(xiàn)80000r/min的最高轉(zhuǎn)速）。如果轉(zhuǎn)速超過了80000r/min，或要求更高的精度（減少接口數(shù)量），則應(yīng)采用把刀柄直接夾緊在機(jī)床的主軸里的辦法，但這種辦法的缺點(diǎn)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(xì)銑削的表面質(zhì)量和表面輪廓精度有重要影響，因此，對于微細(xì)銑削加工，主要是采用圓跳動誤差很小（≤0.003mm）、結(jié)構(gòu)對稱的熱裝冷縮式刀夾。這里用一個(gè)精銑90MnCrV8材質(zhì)的成形沖壓模來說明：雙刃銑刀精銑時(shí)采用的切削參數(shù)是轉(zhuǎn)速n=30000r/min，側(cè)吃刀量ae=0.05mm，背吃刀量ap=0.05mm和進(jìn)給速度Vf=200mm/min。這就得到fz=0.003mm的每齒進(jìn)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(gè)有效切削刀刃的刀具。因此，基于精度和表面質(zhì)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(xì)加工機(jī)床

    為實(shí)現(xiàn)微細(xì)加工，不僅需要尺寸很小的刀具和相應(yīng)的刀夾，而且需要有專門為微細(xì)加工而設(shè)計(jì)的進(jìn)行微細(xì)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(zhuǎn)速最高達(dá)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(xì)加工機(jī)床，該機(jī)床為保證高的加工精度，采取了許多結(jié)構(gòu)措施：其機(jī)體由精細(xì)顆粒的整體花崗巖制成，因此保證了機(jī)床的長期穩(wěn)定性。X-Y-Z軸直線導(dǎo)軌采用靜壓支承，X-Z軸的龍門框架同樣由經(jīng)精密加工的花崗巖構(gòu)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(qū)動來提高軸的定位精度，同時(shí)采用空氣支承的電主軸來提高轉(zhuǎn)速，其最高轉(zhuǎn)速達(dá)160000r/min，以保證微細(xì)銑削的最佳過程。Wissner公司的GAMMA202 EconoMic型銑床是專門用來進(jìn)行微細(xì)加工的三軸銑床。

圖5 微細(xì)加工機(jī)床：Kugler公司的誤軸微細(xì)加工機(jī)床

    五軸加工的主要優(yōu)點(diǎn)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(zhì)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(shí)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(xì)加工機(jī)床的控制系統(tǒng)一般都可以與不同廠家的CAD/CAM系統(tǒng)進(jìn)行連接，通過這種連接，能使模具的復(fù)雜輪廓的加工獲得良好的效果，并縮短調(diào)整時(shí)間和編程時(shí)間。

結(jié)束語

    近年來，隨著技術(shù)產(chǎn)品構(gòu)件的微型化發(fā)展，微細(xì)加工技術(shù)日益成為微型構(gòu)件加工的關(guān)鍵技術(shù)。微細(xì)銑削加工在制造微型構(gòu)件和模具中占有十分重要的地位。進(jìn)一步開發(fā)微細(xì)銑削加工用的刀具、刀夾和高速電主軸，以及微細(xì)加工機(jī)床是推動微細(xì)機(jī)械加工技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。在微型模具制造中，通過微細(xì)銑削加工不僅可以提高經(jīng)濟(jì)效益，而且還可以進(jìn)一步挖掘銑削加工的工藝潛力。