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使用高速切削 提升模具制造水平


模具加工是使用高速切削技術的一大領域,而塑料模具又是模具中的重要組成部分。

據模具行業信息統計,塑料模具在整個模具產品中所占比例約占30%。塑料模具用量巨大,只要涉及到塑料成型就離不開塑料模具,在我國其用量尤以汽車(含摩托車)行業、建材行業、家電行業為最大。近年來隨著我國這些行業的高速發展,極大地帶動了我國對于塑料模具的需求增長。我國目前已成為世界第三大汽車生產國,而每一種型號的汽車都需要大量的塑料模具;塑料建材可大量替代鋼、木材等傳統建材,2005年我國建筑用塑料制品已占總產量的16%,預計到2010年,塑料門窗的普及率為30%,塑料管的普及率將達到50%,從而大大增加對塑料模具的需求量;作為世界最大的家電生產國和消費國,我國家電行業所需塑料模具量年增長率約為10%。

基于我國塑料模具市場的旺盛需求,我國模具行業的結構改革和發展步伐日益加快,三資企業、民營企業得到了很大程度的發展,同時外國企業也紛紛進入中國,致使模具行業競爭激烈。由于我國企業使用和掌握高速切削加工技術的企業較少,因此在高質量塑料模具方面,我國企業還難以與國外企業競爭。為了扭轉這種局面,在我國模具企業中大力推廣高速切削加工已成為當務之急。


高速切削的概念

早在20世紀30年代,Salomon通過金屬切削實驗研究發現:在金屬切削過程中,隨著切削速度的增大,切削力和切削溫度也增大,但當切削速度達到某一臨界值時,切削力和切削溫度反而隨著切削速度增大而急劇減小,據此Salomon提出了高速加工的概念。高速加工的真正實現是近一二十年快速發展起來的,該技術是一種隨著現代制造技術的發展而迅猛發展起來的高新技術。所謂高速切削是指相對于傳統切削,是以高出常規切削速度5~10倍,甚至更高的速度,更高的進給量,以及工作臺具有更大快速移動速度、更大的加速度和快速換刀等要求,使得切削加工具有高效率、高質量、高精度、低能耗的特點。具體來講,高速切削具有以下特點:

具有高切削速度和高主軸轉速,目前國外高速銑床主軸轉速在10000~40000r/min,國內高速銑床主軸轉速通常在10000r/min左右;

具有高快速移動速度,高速銑床的快速移動速度達到了30m/min~90m/min;

金屬切除率高,切削效率高,切削45#鋼時金屬切除率通常為300~600cm3/min ;

全程定位精度高,重復定位精度高。

隨著市場經濟的不斷發展,汽車及家電產品等的研制周期大大縮短,零件形狀也越來越復雜?;趥鹘y數控加工方法很難滿足加工要求,高速加工技術(High Speed Machining)由此應運而生。該技術屬于當前模具加工的一種前沿技術。

模具高速切削的關鍵技術

由于高速加工技術具有諸多特點以及模具零件具有復雜的型面,因此模具高速加工技術對加工系統中的機床、刀具、數控系統等都提出了更高要求。

1、高速主軸

機床能實現高速切削的關鍵是機床的高速主軸。目前用于模具加工的高速切削機床主要是高速加工中心、高速銑床等,要求主軸轉速為10000r/min~40000r/min(更高的轉速仍在研究中,將達100000r/min), 另外還要求主軸能夠快速升速、減速,即具有很高的加速度、減速度。要使高速主軸實現高轉速,其關鍵是主軸的軸承支承方式。高速旋轉的主軸要求軸承具有高承載能力、高剛度、高回轉精度以及高使用壽命。高速主軸常采用靜壓軸承、磁懸浮軸承等支承結構形式。

高速電主軸技術是近十多年快速發展起來的,電主軸是高速機床的最重要的主軸單元。電主軸又稱內裝式電機主軸單元,其主要特征是將電機置于主軸內部,通過驅動電源直接驅動主軸進行工作,從而實現了電機、主軸一體化功能。電主軸現在國內已有專業化生產廠家,產品可系列化供應,如:洛陽軸承研究所、無錫博華、江蘇星輪、洛陽帥旗、上海富田等企業均生產不同系列的高速電主軸。電主軸的特點主要有:

氣浮、磁浮軸承無磨擦,不需潤滑,轉速高,適用范圍廣,使用壽命長;

轉速可調,變頻電源調速平穩、質量可靠;

起動性能好,力矩大、運轉平穩、效率高、精度高;

自動換鉆頭電機可更換鉆頭、銑刀,從而做到了方便、迅速、定位準確。

2、高速機床動態特性

高速切削機床對其支承件的靜態、動態特性要求很高,機床床身要具有高的靜剛度、動剛度、熱剛度,好的結構剛性,足夠的支承強度,高水平的阻尼特性,從而使機床固有頻率遠離高速切削時發生顫振的頻率,進而使機床具有好的動態響應特性。目前高速機床的床身材料多采用非金屬大阻尼材料作支承件,如聚合物混凝土(或稱人造花崗巖),這種材料阻尼特性為鑄鐵的7~10倍,比重只有鑄鐵的三分之一;盡可能減小導軌、滾珠絲杠運動副的摩擦阻尼,使運動部分適應快速移動和高加速、減速的要求。


3、高速切削刀具

高速切削刀具的關鍵在于刀具結構和刀具材料。高速切削刀具的結構主要采用空心錐部和主軸端面同時接觸的雙定位式刀柄(如美國Kenamental公司的KM刀柄、德國OTT公司的HSK刀柄等),其軸向定位精度可達1μm。在刀具高速旋轉時,離心力使刀夾鎖緊更為牢固,其徑向跳動不超過5μm。

采用新型刀具材料可使切削加工速度大大提高,從而提高生產率,延長刀具壽命。目前用于高速切削加工常用的刀具材料有:硬質合金及其涂層、陶瓷、立方氮化硼(CBN)、聚晶立方氮化硼(PCBN)、超硬材料金剛石、聚晶金剛石和金剛石涂層等。


在高速切削刀具技術中,除了合理選用刀具材料外,還必須解決刀體材料與結構、刀具幾何參數、刀片夾緊結構、刀具與機床連接裝夾方式、高速主軸中刀具夾緊措施,以及回轉刀具的動平衡等問題,一般高速切削刀具的前角比普通切削刀具前角約小10o,而后角約大5~8o 。

高速數控切削刀具與普通切削刀具相比,應具有以下特點:

剛性好,熱變形小,切削加工精度高;

抗振性好,切削過程不易產生顫振,加工表面質量好;

刀具結構設計合理,能可靠斷屑,排屑方便;

刀具耐用度高,切削性能好;

刀柄結構設計合理,便于快速換刀,而刀具調整方便,則提高了換刀調整效率;

系列化、標準化,互換性好,便于數控編程和刀具管理。


4、高速切削機床的數控編程

作為模具加工的前沿技術,高速加工技術應用于模具制造使得CAD/CAM技術得到快速發展。由于模具的型面復雜,現在模具設計通常采用CAD三維設計軟件建模,即先將Pro-E、UG等三維設計軟件應用于產品的三維實體建模,使產品設計更加快捷、方便,然后通過CAM技術將三維模型轉換為數控加工代碼傳輸給高速數控加工銑床或數控加工中心進行加工?;贑AD/CAM的這種要求,高速加工機床具有如下功能:

數控系統具有高速編程計算功能;

CAM系統必須具備刀具路徑優化功能,以及具有智能化全程過切防護功能;

能保持最大和穩定的切削速度,避免不連續和突然的加速度變化;

應保持刀具軌跡的平穩,避免刀具軌跡方向的突然變化,以免局部過切而損壞刀具或設備;

切削時保持恒進給速度,盡可能保持切削進給平穩;

應適當控制切削寬度,避免全刀寬切削,以避免損壞刀具和切削顫振的發生;

對于殘余量加工,應采用系列刀具從大到小分次加工,以達到所需尺寸,避免一次加工完成。殘余量加工方法是提高加工質量和加工效率的有效措施;

刀具軌跡應避免多余空刀,可通過對刀具軌跡的鏡像、復制、旋轉等功能,避免重復計算。高速機床的這種刀具軌跡編輯、變換、優化處理等功能非常重要;

高速機床應具有刀具軌跡裁剪修復功能,可通過精確裁剪以減少或避免空刀,同時減少刀具切入材料時的沖擊,提高切削加工安全性。

高速切削技術是未來切削加工的方向,高速切削加工技術的發展不僅體現在其關鍵技術的高速機床設備、數控軟件、電器控制、刀具技術的進步,而且也推動了其它相關技術的快速發展。全球化制造市場經濟環境給高速加工技術的飛速發展創造了條件,高速加工技術將在眾多制造企業中得到廣泛應用。盡管與工業發達國家相比,我國在高速切削加工技術及應用領域還處于起步階段,有些技術領域幾乎還是空白,但近年來該技術已經引起了我國包括模具企業在內的眾多制造企業的廣泛關注。我國要在高速加工技術占得一席之地,就必須以跨越式的態勢發展。由于高速加工技術的開發與應用必須集成、優化多種學科領域的知識,實施系統技術工程,故而,我國應加大投入,有效組織開展有關高速切削加工技術的開發與應用。只有這樣,才能盡快縮短我們與國外先進水平的差距,并提升我國的制造業水平。

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