模具高速加工的工艺及策略

陈文勇

[摘要]切削加工是机械加工中应用最广泛的加工方法之一,而高速是它的重要发展方向,其中包括高速软切削、高速硬切削、高速干切削、大进给切削等。高速切削能大幅度提高生产效率和单位时间内的材料切除率,改善加工表面质量,降低加工费用等优点。高速切削技术在模具制造业的引用,将给模具制造业注入新的活力。

[关键词]高速切削加工工艺模具制造

中图分类号:TG7文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0820116-01

一、高速切削的特征及其切削要求

(一)高速切削的定义。高速切削是指在比常规切削速度高出很多的速度下进行的切削加工因此,有时也称为超高速切削。

(二)高速切削的特征。1.切削力低;2.热变形小;3.材料去除率高;4.加工高精度;5.经济效益高。在高速切削机理研究方面,对高速切削过程中切屑形成的机理、切削力和切削热的变化规律对加工精度、表面质量、加工效率的影响还在进一步的研究中。对于黑金属及难加工材料的高速切削机理现在也处于研究的热点。

(三)高速切削的切削要求。高速切削要解决的一个重要问题是刀具磨损。虽然高速切削时刀具与工件的接触时间、接触频率与普通加工不同,而且切削过程所产生的热量对刀具的影响,加工中刀具的磨损机理与普通加工也有较大的区别。另外高速加工时产生的离心力和振动对刀具的平衡性、安全性有直接影响。所以高速加工刀具的设计和选择必须综合考虑磨损、刚度、强度、精度和安全等方面的因素。

二、高速切削加工工艺的确定

高速切削的工艺技术也是成功进行高速加工的关键技术之一。切法选择不当,会使刀具加剧磨损,完全达不到高速加工的目的。实践证明,如果只有高速机床和刀具而没有良好的工艺技术作指导,昂贵的高速加工设备也不能充分发挥作用。高速切削的工艺技术包括对各种不同材料的切削方法和切削参数的选择优化,刀具材料和刀具几何参数的选择等。

(一)切削方法的选择。在高速切削加工中,应尽量选用顺铣加工。直接垂直向下进刀极易崩刃,不宜采用。斜线轨迹进刀方式是逐渐加大轴向切深运动到设定的轴向切深值,铣削力是逐渐加大的,因此对刀具和主轴的冲击比垂直下刀削,可明显减少下刀崩刃的现象。螺旋式轨迹进刀方式从工件上面开始,螺旋向下切入。由于采用的连续加工的方式,可以比较容易的保证加工精度。而且,由于没有速度突变,可以用较高的速度进行加工。螺旋进刀最适合型腔高速加工的需要。

(二)保持恒定的金属去除率。高速切削加工适于浅的切深,这是为避免刀具的位置偏差,确保加工模具的几何精度。保持恒定的金属去除率,保证加在工件上的切削载荷是恒定的,以获得下面几点好的加工效果:(l)可保持的恒定切削负载;(2)可保持切屑尺寸的恒定;(3)有较好的热转移;(4)刀具和工件均保持在较冷的状态;(5)不必熟练操作进给量和主轴转速;(6)可延长刀具的寿命;(7)能保证较好的加工质量等。

(三)走刀方式的选择。对于带有敞口型腔的区域,尽量从材料的外面走刀,以实时分析材料的切削状况。而对于没有型腔的封闭区域,采用螺旋进刀方式,在局部区域切入。

(四)尽量减少刀具的急速换向。速换向尽量减少刀具的急速换向,由于之字形模式主要应用于传统加工,在高速切削加工中主要选择回路或单一路径切削。这是因为在换向时NC机床必须立即停止(紧急降速)然后再执行下一步操作。由于机床的加速局限性,而容易造成时间的浪费,急停或急动则会破坏表面精度,且有可能因为过切而产生拉刀或在外拐角处咬边。选择单一路径切削模式来进行顺铣,尽可能地不中断切削过程和刀具路径,尽量减少刀具的切人切出次数,以获得相对稳定的切削过程。

三、高速切削技术在模具制造中的应用

近年来,随着计算机技术、自动化技术、网络通信技术的高速发展,给现代制造技术准备了技术条件和奠定了物质基础。现代模具制造是伴随这些技术的发展而提出并得到了实质性应用。现代模具制造能够利用CAD/CAE/CAPP/CMA技术和数控加工技术有效地对整个设计制造过程进行预测评估,迅速获得样品,有利于争取定单、赢得客户,同时节省大量的模具试制材料费用,减少模具返修率,缩短生产周期,大大降低了模具成本。高速切削技术的发展给模具业注入了新的生机,模具制造现代化正成为国际模具业发展的一种趋势。国内模具业也正从传统模具制造模式向着现代模具制造模式过渡。

高速切削加工技术引进模具工业,主要应用于以下几个方面:

1.淬硬模具型腔的直接加工。利用高速切削可加工硬材料的特点直接加工淬硬后的模具型腔,提高了模具加工的质量和效率,可取代电火花加工。2.EDM(电火花)电极加工。应用高速切削技术加工电极对提高电火花加工效率起到了很大作用。高速切削电极提高了电极的表面质量和精度,减少了后续加工工序。3.快速样件制造。利用高速切削加工效率高的特点,可用于加工塑料和铝合金模型。通过CAD设计后快速生成3D实体模型,比快速原型制造效率高、质量好。4.模具的快速修复。模具在使用过程往往需要修复,以延长使用寿命,过去主要是靠电加工来完成,现在采用高速加工可以更快地完成该工作,而且可使用原NC程序,无须重新编制。

高速切削加工技术是切削加工技术发展的主要方向之一,它除依赖于数控技术、微电子技术、新材料和新颖构件、CAD/CAM等基础技术的发展外,自身也存在着一系技术问题,如刀具磨损严重,高速切削刀具切入切出时破损问题,高速切削用刀具材料价格昂贵,铣、镗等回转刀具及主轴需要动平衡,刀具夹持要牢靠安全,主轴系统昂贵且寿命短,而且所用高速加工机床及其控制系统价格昂贵,使得高速切削的一次性投入较大,这些问题制约着高速切削的进一步推广应用。这些方面需要我们进一步研究攻克。

四、结束语

随着科技的进步,高速切削加工技术的应用将更深更广。用高速切削加工代替EDM是加快模具开发速度,实现工艺换代的重大举措。推广应用高速切削加工技术应用于模具制造业,不但可以大幅度提高机械加工的效率、质量,降低成本,而且可以带动一系列高新技术产业的发展。因此如同数控技术一样,高速切削和高速加工已成为21世纪机械制造业一场影响深远的技术革命。

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