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行業動態

高速加工技術在現代模具制造中的應用

日期:2011/4/13 | 閱讀(

一、概述
目前模具制造的發展現狀和趨勢
模具作為重要的工藝裝備,在消費品、電器電子、汽車、飛機制造等工業部門中,占有舉足輕重的地位。模具作為重要的工藝裝備,在消費品、電器電子、汽車、飛機制造等工業部門中,占有舉足輕重的地位。工業產品零件粗加工的75%,精加工的50%及塑料零件的90%將由模具完成。目前中國模具市場需求已達500億元之規模。汽車模具、特別是覆蓋件模具年增長速度將超過20%;建材模具也迅速發展,各種異型材模具、墻面和地面模具成為模具的新增長點,今后幾年塑料門窗和塑料排水管增長將超過30%;家電模具年增長速度將超過10%;IT業年均增長速度超過20%,對模具的需求占模具市場的20%。2004年中國機床工具工業產值將繼續增長。我國模具制造市場潛力巨大。根據資料統計,近年來,我國模具的年總產值達到30億美元,進口超過10億美元,出口超過1億美元。增長從1995年的25%增加到2005年的50%。國外專家預言:亞洲在全球模具制造中占據的份額,將從1995年的25%增加至2005年的50%。
中國模具工業發展迅速,形成了華東和華南兩大基地,并且逐漸擴大到其他省份。(山東,安徽,四川)1996年~2002年,模具制造業產值年平均增長14%,2003年增長25%。2003年我國模具產值為450億人民幣。總產量位居世界第3,出口模具3.368億美元,比上年增長33.5%。但是,我國技術含量低的模具已供過于求,精密、復雜的高檔模具很大部分依靠進口。每年進口模具超過10億美元。出口超過1億美元。
密模具精度要求在2μm~3μm,大型模具需要滿足8000kN合模力注塑機的要求;小型模具需滿足直徑1mm塑料管的要求。目前,采用高速切削生產模具已經成為模具制造的大趨勢,在國外一些模具生產廠家,高速機床大面積取代電火花機床,高速切削大大提高了模具生產效率。機床企業瞄準模具生產企業,有的加工中心生產廠機床的60%以上賣給模具加工企業。高速切削逐漸取代電火花精加工模具在國外的模具制造企業已經普遍采用,高速切削生產模具已經成為逐漸模具制造的大趨勢,大大提高了模具生產效率和質量。采用高速切削替代電火花生產模具,可以明顯提高效率、提高模具精度、使用壽命長。
高速加工在模具制造中的應用
高速切削的優點:
1、刀具的高轉速和機床的高進給以及高加速度,大大提高金屬切除率;
2、高速切削減小切削力;
3、高速切削熱大部分由切屑帶走,工件發熱少;
4、高速切削減少振動,提高加工質量;
5、高速加工應用于模具加工的效益
6、快速粗加工和半精加工,提高加工效率;高速高精度精加工硬切削代替光整加工,表明質量高,形狀精度提高,比EDM加工提高效率50%,減少手工修磨;
7、硬切削加工最后成型表面,提高表面質量、形狀精度,(不僅是表面粗糙度低,而且表面光亮度高),用于復雜表面的加工更具優勢;
8、避免EDM加工產生的表面損傷,提高模具壽命20%;
9、結合CAD/CAM技術快速加工電極,特別是形狀復雜、薄壁類電極。
采用高速切削加工模具需要解決的問題
在國內,由于資金、技術等方面的原因,應用高速切削生產模具還處于初期階段。還存在機床、刀具、工藝以及其他方面的一些問題需要逐步解決。
缺點是加工成本高,對刀具的使用有較高的要求,不能使用過大的刀具,要有復雜的計算機編程技術做支持,設備運行成本高。
二、加工模具的高速加工機床
模具精加工和硬切削加工需要數控高速機床,模板、模架加工需要精密、高效數控機床等。許多機床企業瞄準模具生產,有的加工中心生產廠機床的60%以上賣給模具企業。模具行業今后幾年年均有50億元的固定資產投入,其中80%是購買模具加工設備,也就是說每年有40億元人民幣要購買金切機床。
目前我國數控機床的平均利用率大約20%,高速機床的利用率3%~5%。模具企業也有相當的單位購買高速機床,從6000r/min~40000r/min的都有。
高速機床的技術參數要求
加工中心主軸大功率、高轉速,滿足粗精加工;精加工模具要用小直徑刀具,機床一般要達到15000r/min~20000r/min。通常主軸轉速在10000rpm以下的機床可以進行粗加工和半精加工,達不到精加工的精度;無法達到400m/min以上的切削速度。
快速進給的一般要求和汽車、飛機企業的區別;快速進給30m/min~60m/min。
根據模具生產種類選擇立、臥式加工中心或龍門式加工中心。
具有好的高速控制系統:高精度插補、輪廓前瞻控制、高加速度、高精度位置控制等。
因此,選擇高速加工模具的機床必須考慮具體的生產情況。
五軸機床的應用增加趨勢
1、加工路線靈活,表面形狀復雜;
2、加工范圍大,適合多種類型模具加工;
3、切削條件好,減少刀具磨損,提高刀具壽命;
4、針對模具類型,選擇工作臺式或銑頭式五軸機床。
5、多頭機床和多電主軸頭可以更好的擴大加工范圍。
購買CAD/CAM軟件和高速機床配套
據統計,每年有幾十億美元用于進口機床,大部分電加工機床和高速機床需要進口。
三、高速切削模具的刀具技術
高速切削刀具需要解決的問題:
1、刀具成本
2、刀具耐用度
3、適合于刀具的切削工藝參數
解決方法:
1、發展高速切削國產涂層刀具、刀柄。
2、根據刀具本身性能的差異、模具材料的差異、機床的差異等進行實際工藝試驗取得數據,參考刀具生產廠的參數。
3、利用各方面力量開展研究和應用,如產學研結合、國家基金支持。
高速切削加工還需配備適宜高速切削的刀具。高速加工刀具材料的進展促使了高速加工的發展。硬質合金涂層刀具、聚晶增強陶瓷刀具使得兼顧高硬度的刀刃部和高韌性的基體成為可能。聚晶立方氮化硼(PCBN)刀片,其硬度可達3500HV~4500HV。聚晶金剛石(PCD)其硬度可達6000HV~10000HV。近年來德國SCS、日本三菱(神鋼)及住友、瑞士山特維克、美國肯納飛碩等國外著名刀具公司都先后推出了各自的高速切削刀具,不僅有高速切削普通結構鋼的刀具,還有能直接高速切削淬硬鋼的陶瓷刀具等超硬刀具,尤其是涂層刀具異軍突起,在淬硬鋼的半精加工和精加工中發揮著巨大作用。新刀具材料和刀具技術的出現已經使高速加工上的瓶頸問題不再會出現在刀具上。
但是,進口刀具的昂貴價格也阻礙高速切削模具的重要因素。
一般來說,刀具以及刀夾的加速度達到3g以上,刀具的徑向跳動要小于0.015mm,而刀的長度不能大于4倍的刀具直徑。根據SANDVIK公司的實際統計,在使用碳氮化鈦(TiCN)涂層的整體硬質合金立銑刀(58HRC)進行高速銑削時,粗加工刀具線速度約為100m/min,而精加工和超精加工時,其線速度超過了280m/min。這樣對刀具的材料(包括硬度、韌性、紅硬性)、刀具的形狀(包括排屑性能、表面精度、動平衡性等)以及刀具壽命都有很高的要求。
根據國內模具高速精加工的經驗,采用小直徑球頭銑刀進行模具精加工時,線速度超過了400m/min~800m/min。選擇足夠高速度的機床硬切削模具精加工。
Delcam采用0.8mm直徑的刀具加工窄槽,轉速40000r/min,0.1mm深度,進給速度30m/min。
根據不同的加工對象合理選擇刀具:硬質合金涂層刀具、CBN和金剛石燒結層刀具。采用小直徑球頭銑刀進行模具表面精加工;根據Millstar公司的介紹TiAlN(鋁氮化鈦)超細晶粒硬質合金涂層刀具由于潤滑條件好,比(TiCN)硬質合金涂層刀具抗磨損性能更好。切削模具鋼。
選擇刀具參數,如負前角刀具等。刀具要求比普通加工要求抗沖擊韌性更高,還要求抗熱沖擊能力強。
采取多種方法提高刀具壽命,降低刀具成本。
采用高速刀柄,目前應用最多的是HSK刀柄,熱壓裝夾刀具。注意刀具裝夾后的整體動平衡。
當前的刀具企業在解決高速切削刀具技術方面已經做了很多工作,面向加工的刀具服務會幫助解決很多問題,刀具生產廠家成為主體,參考刀具生產廠家提供的技術參數。
四、提高高速切削模具效率的工藝技術
高速切削加工模具的基本要求:
1、高切削速度>400m/min。小直徑刀具,高轉速。
2、小進給量,小刀紋。每齒0.01mm~0.1mm。
3、切削負載連續穩定,減少突變,緩退緩進。
4、保持單刃切削。
5、保持均勻精加工余量。
目的:減少刀具磨損,提高表面質量。
國外高速銑削加工零件材料質量較好,材料質量標準相同,加工性能比較穩定;而國外公司生產的刀具也是以他們的材料標準做試驗;推薦的加工參數一般比較適合他們的標準,如果使用他們的刀具,與國內的零件材質有一定的區別,在高速銑削時,這種差別表現得較為明顯,有些參數可以直接應用,但有些效果就比較差。而國內企業一般選用零件材質有一定的標準,所使用的零件材料,特別是能用高速加工的零件材質,一般會局限在某些零件材料范圍內,這對我們應用高速加工技術也提供了有利的條件,會在較少的加工材料范圍內應用。這里要強調的是,一定要在這些材料上選取優化出一套適合本企業的加工工藝參數,并且納入企業標準。
選用國產刀具,很少有推薦高速銑削的技術參數的,有必要做試驗,取得比較滿意的參數,最好選用固定的刀具生產廠家,減少試驗的次數,形成加工技術標準,這樣可以提高設備有效利用率,降低生產成本,可以取得較好的經濟效益。
五、高速切削的加工刀具路徑和編程
1、平面進給路徑選擇
2、輪廓加工路徑選擇
3、保持切削載荷平穩
4、保持相對平穩的進給量和進給速度
5、在平面切削中保持園拐角
6、合理選擇精加工余量
7、HSC精加工對CAM的編程要求:
8、盡量避免拐角的銑削運動;
9、盡量避免工件外的進刀與退刀運動,直接從輪廓進入下一個深度。或者采用螺旋線或斜向進給切入;
10、恒定每刃進給,提高質量,延長刀具壽命;
11、輪廓加工保持在水平面上等。
12、高速切削CAM軟件:Delcam公司幾年前就開始了高速切削加工編程技術的研究,開發了高速切削自動編程軟件模塊;最近,MasterCAM公司也開發了高速切削自動編程軟件模塊;國內北航海爾也在開發高速切削自動編程軟件模塊。
高速切削模具的編程軟件特點:
1、根據高速切削特點確定切削參數。
2、需要特殊的刀具進給運動軌跡。
3、保護刀具,減少磨損。
六、高速機床數控系統的特點
1、高速數據處理
2、拐角預測處理
3、NURBS非有理樣條插補曲線加工
4、高速切削模具的安全問題
5、刀具磨損和破壞的監測;
6、刀片連接的強度;
7、和普通機床加工不同,安全防護和開機前對機床和刀具的嚴格檢查非常重要。
八、目前我國在采用高速加工模具技術中存在的問題
機床
1、國產高速機床整體性能尚有差距,功能部件性能還不能滿足要求。包括電主軸的功率和轉速,進口機床價格高;
2、機床的高速下動態特性研究還不夠,因而影響整機的性能;
3、五軸機床還不夠成熟,進口機床價格太高;
4、配套技術和設備還不完全。
刀具
1、國產刀具還不能夠適應高速切削的應用,特別是高速硬切削光整加工。進口刀具價格高。刀具技術是影響高速切削加工模具的一個重要因素。
2、配套技術還不夠,包括刀柄、成套在線動平衡等。
高速模具加工工藝技術及實驗
1、由于高速加工模具的歷史比較短,缺乏應用經驗積累;
2、對高速切削工藝研究比較少,投入不夠,立項比較困難;
3、缺少高速切削數據庫或手冊,目前還是空白;
4、模具生產廠家對高速切削的認識不夠,缺乏長期效益的分析對比;
5、缺乏高速切削自動編程軟件;
6、缺乏五軸聯動高速切削自動編程CAM軟件。
九、結束語
模具市場對高速加工有強烈需求,但是技術跟不上。起步晚,基礎較差,整體技術水平不高,發展緩慢。需要各個方面協調發展,產學研結合,加大投入,綜合利用各個方面力量推動高速切削在模具制造中的應用。我們希望,通過各方面的努力,在市場需求的推動下,通過技術進步,像汽車、機床、家電一樣,在不遠的將來,我國不但要成為模具生產大國,而且要成為模具生產強國。
 
本文作者:北京機械工業學院 楊慶東

 



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