高速切削在模具加工中的應(yīng)用

發(fā)布日期:2012-08-29    蘭生客服中心    瀏覽:2933

“高速切削”一詞在金屬加工行業(yè)中非常流行。不論是機械制造商、刃具制造商、或從事金屬加工的廠商等都在熱衷探討中。所謂高速切削,廣義來說是以立銑刀作高速旋轉(zhuǎn),及機床以速度高的進給來進行切削或加工,而在不同行業(yè)的領(lǐng)域或應(yīng)用上其定義有所不同。高速切削并不等同代表高生產(chǎn)量或高制造量,但可以肯定的是,這有助于提升生產(chǎn)量及有關(guān)的質(zhì)量。

    在20世紀30年代航空業(yè)的需求下,非鐵金屬(以鋁合金為主)的零部件加工數(shù)量逐漸增加。約于1931年,一名德國工程師“Carl Salomon”提出“高速切削理論 每 以高切削速度來加工(5-10倍的傳統(tǒng)切削速度;以硬質(zhì)合金刀具為例,以往傳統(tǒng)機床能抵受的最高切削速度約為600 SFM [180m/min],而進給則約為40IPM [1m/min]),降低切屑從刃口逃出時的溫度……”,目的是以此提升材料的移除速率,增強生產(chǎn)力以應(yīng)付所需。由于當時的冶金、機床、控制、刃具等各方面的技術(shù)并不如現(xiàn)今發(fā)達,所以只能在探研的初級階段。如提升切削速度時,只能以增加刀具的直徑、增加刀具的切削刃數(shù)以替代高進給等,效果當然并不理想,F(xiàn)代的研究仍未能完全證實理論的實踐性,但高速切削卻可降低切屑從刃口逃出時的溫度,鋁及非鐵金屬較鐵質(zhì)合金及生鐵有顯著的效果(圖1);這可以有助增加刀具的壽命。

    對高硬度金屬來說,放電加工是最有效的加工方法之一,但放電加工所需的時間很長,且成品的精準度及表面的光滑情況等的控制并不容易,且表面或局部材料的性質(zhì)將會被放電時所產(chǎn)生的高溫(局部可達8,000℃或以上)所改變。

    隨著機械制造、電子計算器、伺服控制系統(tǒng)等技術(shù)的進展,高速切削的應(yīng)用得以日趨成熟。除應(yīng)用于非鐵金屬之外,于上世紀90年代期間更被引進到鐵金屬及其它合金金屬的加工方面去,而更盛行于模具制造行業(yè)。直接對模具作出復(fù)雜的三維高速切削可大大縮減加工時間(對深穴或其它特殊加工除外),且可獲更佳的效果;以高速切削加工石墨電極會有更佳的回報。

    高速切削也適合加工復(fù)合零部件,如渦輪增壓機的葉輪及葉片等。而現(xiàn)時一般對應(yīng)用于加工鋼材的高速切削基本準則:被加工材料的硬度為洛氏50℃或以上,表面切削速度在300m/min或以上,可編控的進給速度為25m/min或以上。從研究與實踐來看,以4至6倍傳統(tǒng)的切削速度來加工高硬度的鋼材,已有了不俗的表現(xiàn),也能平衡各方之間的利益,如用戶,機床、控制系統(tǒng)等的制造商。

“高速切削”在模具加工方面的優(yōu)越性和效益

1. 經(jīng)有限元分析(圖2)而設(shè)計制造的機床比傳統(tǒng)的要纖巧一些,但具較強的剛性,可抵御高速切削時急速移動帶來的動態(tài)變化,保持位移的精確度。

2. 加工體積不大于400(長)x 400(寬)x 150(高)的模具為最具經(jīng)濟效益。

3. 經(jīng)熱處理后,硬度達洛氏63℃的鋼材,仍可以應(yīng)用高速切削來作出修正。

4. 采用合適高速切削的計算機輔助設(shè)計軟件及控制系統(tǒng),可使高速切削更加流暢和順滑。

5. 使用通過動平衡修正的刀具夾頭(HSK類型)及整體性硬質(zhì)合金刀具,這有助降低對主軸及刃具所造成的振動,保持工作面應(yīng)有的光潔程度。

6. 采用適當?shù)谋壤齺韸A持立銑刀(刃具在刀夾內(nèi)的最少長度為2倍刃具的直徑)可增加其剛性,減少振顫的情況出現(xiàn);不良的夾套,或不合適的鎖緊將使刃具產(chǎn)生翹起的現(xiàn)象。熱縮性設(shè)計的刀頭,具有較強的剛性及同心性,故有助增加表面的光潔度。

7. 刃具的工作長度以短為佳,因撓度與長度成正比;在一般加工情況下,刃具外露于夾套的長度在3倍刃具直徑或以下時,將有較佳的工作效果(敬請考慮實際加工情況所需及請參考各刃具生產(chǎn)建議的切削指引或參數(shù))。

8. 銑削不同硬度的材料時,刃具的涂層也需作出考慮;如涂有TiN 或 TiCN的硬質(zhì)合金刃具較適合銑削洛氏硬度42或以下的合金鋼材,如涂有TiAlN 的硬質(zhì)合金刃具較適合銑削洛氏硬度42以上的合金鋼材,多晶立方氮化硼涂層刀片較適合切削洛氏硬度60~65的硬質(zhì)材料(請參考各刃具生產(chǎn)建議的切削指引或參數(shù))。

9. 采用快速排屑形刃具(直徑與排屑槽長度的比例應(yīng)在1~1.5),將有效防止切屑在工作表面上堆積,及產(chǎn)生不必要的熱地區(qū)。

10. 以刃具在加工時,接觸到工件的有效工作直徑(Deff) (圖3)來運算主軸的轉(zhuǎn)速,較以刃具的直徑來計算為佳。計算出最佳轉(zhuǎn)速后,須考慮切削時刃口與工件接觸的頻率,是否與自然頻率(2000Hz)產(chǎn)生諧振,使刀具產(chǎn)生不必要的振顫影響工件表面。

11. 采用淺薄式的軸向進刀 (ap)(圖3),有助減輕刀刃的負荷及刃具的變形量,但效率仍能保持;每次ap的進刀量,應(yīng)不大于刃具直徑的10%(粗切削:6~8%,中切削:4~6%,精切削:3% 或以下;請參考各刃具生產(chǎn)建議的切削指引或參數(shù)),但也需對被加工材料的硬度及加工所需的精度作出適量的調(diào)整。

12. 徑向進給量(ae;節(jié)距 - p)(圖3)影響著工件表面的圓滑情況;ae應(yīng)小于有效切削直徑的35%(粗切削:25~30%,中切削:15~20%,精切削:10%或以下;請參考各刃具生產(chǎn)建議的切削指引或參數(shù)),但也需對被加工材料的硬度及加工所需的精度作出適量的調(diào)整。

13. 進給將影響著刃具的壽命及工件表面的光潔度;每刃的進給量盡可能在0.2~0.02mm 范圍以內(nèi),而被切削材料的硬度、刃具的涂層及長度也需考慮(請參考各刃具生產(chǎn)建議的切削指引或參數(shù))。

14. 采用油霧方式(壓縮空氣混合適量的低黏度切削液),以替代傳統(tǒng)水劑冷卻液及直接沖走方式;一般來說,冷卻液的黏度較高,并不一定能將切屑帶走,且可能將切屑黏附在刃具上去,阻礙進行中的切削。

15. 計算機輔助制造系統(tǒng)內(nèi)高速的切削模擬,可有助減少在高速切削時發(fā)生不必要的錯誤。

16. 用戶明白到加工前對主軸作出預(yù)熱的重要性,但卻忘記加工后對主軸作出降溫工序的重要性。雖然一般的高速運轉(zhuǎn)主軸已配置冷卻的裝置,以保持或降低主軸在工作時所產(chǎn)生的溫度(以主軸的內(nèi)部為主)。但經(jīng)長時間的工作后,主軸外圍部分及周邊的溫度也有顯著的變化;故主軸停止工作后,由于兩者的溫度差異情況增加,這將會使空氣中的水份在主軸外殼等表面上凝結(jié),最后銹蝕將會在無保護或運動量較少的部件表面上產(chǎn)生,間接或直接影響到機床的運作。所以建議,在加工完結(jié)后,將主軸移放到一安全位置,以中及低速各空運轉(zhuǎn)10來分鐘,以降低溫差的差異程度,從而減少上述情況發(fā)生的可能性。

高速切削對工具機與資料傳送上的需求(*次要需求)

1. 高剛性機座并須具吸納振動能力

2. 主軸轉(zhuǎn)速范圍:相約于20,000 rpm(不低于10,000 rpm)

3. 主軸功率:相約22 kW

4.可編程進給速度:20~40m/min

5. 快速移動:相約40m/min

6. 坐標加速或減速能力:約1g

7. 指令句處理時間:1~20ms

8. 以太網(wǎng)資料傳送速度:250Kbits/s

9. 增量值(線性):5~2μm

10. 通過NURBS來執(zhí)行圓弧插補

11. 主軸內(nèi)應(yīng)耐高溫及高穩(wěn)定性—主軸軸承有適當?shù)念A(yù)壓及冷卻

12. 多元性的差誤補償:溫度上(工作間、機床部件運動時的相互摩擦),滾珠絲桿等

13. 貫通主軸吹風(fēng)或高壓冷卻液傳送系統(tǒng)*

14. 數(shù)控系統(tǒng)配先進的工作預(yù)檢功能*

切削計算范例:

假設(shè)2刃球形立銑刀直徑 (Dc)= 8mm;半徑 c = 4mm

而軸向進刀量(ap)為刃具直徑的8%

ap = 8 x 0.08 = 0.64mm

故球立銑刀的有效工作直徑 Deff = 2 x [42 - (4 - 0.640)2]0.5 ≈4.34mm

假設(shè)被切削材料的切削速度 Vc = 300m/min

故主軸速 N = [Vc x 1000] / [π x Deff]

= [250 x 1000 / 3.1416 x 4.34]

≈18,500rpm

假設(shè)球形立銑刀每刃的進給量Fz = 0.05mm;刃數(shù) Z = 2

故機床的進給速度 Vf = N x Fz x Z / 1000

= 18,500 x 0.05 x 2 / 1000

= 1.85m/min

假設(shè) 徑向進給量 [ae] 為有效工作直徑的30% ae = 0.3 x 4.34 = 1.3mm

移除量 Vr = Vf x ap x ae

= 185 x 0.064 x 0.1302

= 1.542cc/min [cm3/min] 

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