電磁研磨模具加工技術(shù)

    在金屬模制造工程中，因為工作機械及放電加工機械的導(dǎo)入，以及其後之CAD/CAM的導(dǎo)入，促進了從設(shè)計到加工整個流程的機械化及自動化。因為CAD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，且因為多軸控制加工的功能，而可以進行復(fù)雜形狀的加工。在形狀創(chuàng)制加工方面，因為高速銑床及鏡面放電加工機械的出現(xiàn)，而能而更快的進度來進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)的方式來進行工具移動，所以看不到有多大的變化。而最近以CAD資料為基礎(chǔ)，采用多軸自動機械來進行研磨自動化實驗。為了實現(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)計到加工、計測之連續(xù)金屬模制作流程的CAD/CAM系統(tǒng)為基礎(chǔ)的驅(qū)動旁式，或是可以并用在形狀加工上使用之NC資料自動研磨方式為并。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現(xiàn)高精度、高效率之研磨自動化的一方法。

    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，放在如何提高前流程中之切削加工或放電加工精度來進行形狀加工，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，將針對以推動金屬模研磨的自動化、快速化、高精度化為目的而進行之高速銑削、5軸控制切削、及電磁研磨等實驗來進行解說。

研磨前流程的努力

    模具制作上是以設(shè)計、加工制造為主，一直到目前為止一直都在追求各個流程中的快速化、高精度化要及自動化。本來這些流程都是互相關(guān)連，而必須被整體考慮的，但在某一個流程中作有程度的犧牲，可能會帶給另一個流程更大的益處，例如，縮小切削時的pick進給，進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進給減為一半時，就必須花費2倍的時間，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間，在修潤加工流程中，也可以減少形狀上的損失，同時也很明顯地，會使組合、試模修正等後流程更為順利。若縮小pick進給又能以較少的加工時間來進行形狀加工的話，則不但可以縮短整個金屬模的制作流程，又同時可以提高品質(zhì)并降低低成本。

相片一 圖一

1. 相片1在加工制造中心機上配置電磁研磨工具的外觀。

2. 切削及研磨所需要的時間(h/100cm2)

3. pick進給(mm)

4. 切削條件

高速MC：旋轉(zhuǎn)數(shù)30000rpm進給速度9750mm/min切深0.1mm

高速MC：旋數(shù)數(shù)20000rpm進給速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進行切削，并以電磁研磨至表面粗糙度為0.4mRmax時所花費的整體加工時間。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，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)動方式來進行自動研磨，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行研磨。因可以使用形狀加工的工作機械，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)點及電磁研磨

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

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

    圖2是在3軸及5軸控制下，對各曲率進行圓筒形切削後，以3次元測冤機進行測定的測定點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。因為3軸控制在圓筒形狀頂點附近切削時，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進給切削後的R60面及對電磁研磨以3次元測定機進行測定的測定點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進給量切削時，因為每一面積及壓力都很均一，仍無法有均一的表面修潤。若刀刃的進給比較小，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進給及工具進給的兩個方向罐有差異而形成有凹凸之鱗狀切削面進行研磨，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，高速進給是最適當(dāng)?shù)那邢鞣ā?

    如表1所示，進給是工具進給和pick進給相同、或為其的1/2、1/3、1/4時，切削面的(pickfeed)方向和工具速進給方向的表面粗糙度。當(dāng)兩者相同時，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進給來變更工具進給所得到之切削面，在同一條件下進行電磁研磨時的表面粗糙度，兩個方向的進給相同時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樹脂等粉末來進行放電加工，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的精度，而實現(xiàn)了迅速且具高精度的金屬模研磨。在筆者們的預(yù)備實驗中，對2um的放電加工面進行電磁研磨，同時對相同粗糙度的切削加工面進行研磨，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。

    為了促進金屬模研磨的自動化、快速化、高精度化而行高進銑削、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，實現(xiàn)迅速又具高精度的金屬研磨的之自動化。

    雖然在這里我們只提及以電磁研磨來進行整理，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。