硬質(zhì)材料的銑削加工

發(fā)布日期：2011-11-25    蘭生客服中心    瀏覽：2226

硬質(zhì)材料的銑削加工
作者：Mark Albert 
  模具車間一定會碰到硬質(zhì)材料的銑削加工問題，或者找別人幫他們解決這些問題。

   Corey Greenwald先生就碰到了這樣的問題。他明白，在工廠生產(chǎn)注塑模的時候，硬質(zhì)材料的銑削加工已成為一個主要問題。他懂得如何在他自己創(chuàng)建的車間內(nèi)－Hard Milling Solutions公司－以其獨有的“硬質(zhì)材料銑削方法”，有效地、始終如一地和信心十足地銑削加工硬質(zhì)材料。作為一個模具車間，他了解一定會碰到硬質(zhì)材料的銑削加工問題，他們似乎需要這樣的一個專業(yè)加工車間，才能解決硬質(zhì)材料的銑削加工問題，因為他們既沒有足夠的時間在他們自己的機床上加工，也沒有做好準備在他們自己的設備上銑削硬質(zhì)材料。

    可惜，當碰到需要銑削加工硬質(zhì)材料時，許多模具車間都沒有做好這樣的準備。他們在模具加工方面仍然采用傳統(tǒng)的方法。他們在結(jié)束模具的加工以后，還要花很多的手工作業(yè)時間去拋光模具，最后還要費時間逐點修整、測試和調(diào)配這些模具。
                                                     
      你們采用硬質(zhì)材料銑削技術了嗎？當高速加工技術應用于加工經(jīng)過淬硬的模具元件時，模具車間可以從模具加工工藝中擺脫某些最昂貴和最費時間的加工工序

   Greenwald先生說：“這些額外的附加時間會使全球市場的競爭性與非競爭性模具行業(yè)之間產(chǎn)生很大的不同。”他總結(jié)說：“如果這些模具車間不改變他們的加工方法，他們就很難繼續(xù)生存下去。”

   Greenwald先生確信目前最重要的問題是解決硬質(zhì)材料的銑削加工問題，特別是小型模具和型芯插入件。他說，采用硬質(zhì)材料銑削技術可以幫助車間開始加工淬硬的鋼制模具，而且模腔表面也無需或很少需要進行拋光等作業(yè)。這樣，在模具加工生產(chǎn)中使他們省去了幾道費時、費工的加工工序。他補充說，在采用硬質(zhì)材料銑削技術以后，可提高了模具另一面的閉合面加工水平，從而使它達到“負庫存”條件。這也就是說，在模具的配合面之間留了很小的間隙。這樣，當模具第一次放置到壓力機時，可以大大節(jié)約模具的最終調(diào)試時間和降低勞動強度。而且模具的使用壽命增加，運行的速度提高。

   Greewald先生說：“適當?shù)貞糜操|(zhì)材料銑削技術，模具車間就能夠從機床上直接加工模具元件，然后進行組裝，最后安裝到注塑機上，于是第一次注塑就能生產(chǎn)出一個很好的零件。采用硬質(zhì)材料銑削加工技術以后，模具車間從注塑模的加工和調(diào)試過程中節(jié)約了不少時間和費用。”

   那么采用硬質(zhì)材料銑削加工技術需要什么條件？按照Greenwald先生的說法，采用硬質(zhì)材料銑削技術首先需要有一種全新的思想理念來解決如何加工金屬的問題。硬質(zhì)材料銑削需要采用某種機床、某種刀具和刀柄以及某種加工程序軟件。所有這些技術必須及時到位，并應能十分理想的全面合作。

   Greenwald先生說：“只要一切順利執(zhí)行，并且懂得如何互相配合，那么硬質(zhì)材料銑削技術就會成為一項可靠而富有成效的工藝。”事實證明，在他車間內(nèi)使用的兩臺立式加工中心（專門用于硬質(zhì)材料的銑削加工）實際上24h運行，很少需要有人參與操作。

模具加工車間的誕生

   Greenwald先生是如何成為受人尊敬的實踐家和硬質(zhì)材料銑削技術的強力推薦者的？這里有一段不尋常的故事。最初，他是一位生產(chǎn)工程師，后來他在底特律市郊的一家模具工廠涉足模具車間的管理。他所經(jīng)歷的其中一個項目就是安裝一臺加工中心，用于金屬連桿熱鍛成形沖壓模的硬質(zhì)材料銑削加工。

  結(jié)果給人留下了深刻的印象。沖壓模的生產(chǎn)從30天縮短到了6天，這遠遠超過了車間老板的希望，這正是他們求之不得的事情。而且，Greenwald先生甚至還找到了更有發(fā)展?jié)摿透芄?jié)約費用的硬質(zhì)材料銑削技術。

   Greenwald先生在底特律模具行業(yè)的一位朋友Graig Sizemore先生對這一硬質(zhì)材料銑削加工技術也非常感興趣。他的工廠——Cut-Rite EDM公司，專門從事先進的線切割電加工機床(EDM)，他也正在尋求一種硬質(zhì)材料的銑削技術，以作為EDM加工技術的補充或替代EDM加工技術。在得到Sizemore先生支持以后，Greenwald先生在密西根州的Shelby鎮(zhèn)開辦了一家Hard Milling Solutions硬質(zhì)材料銑削加工公司，該地離底特律市以北約30英里。與Sizemore先生的車間相鄰。盡管Greenwald先生不像Sizemore先生那樣，經(jīng)過作為機械師或模具制造商那樣的培訓。他惟一的經(jīng)歷就是曾與以前的老板在硬質(zhì)材料銑削加工技術方面有著密切的合作關系。

   正是這一原因鼓勵成全了Greenwald先生，作為一個生產(chǎn)工程師，他對硬質(zhì)材料的銑削加工有足夠的認識，他意識到必須堅韌不拔地努力工作。擺在他面前的任務是必須努力學習實踐知識，如何進行硬質(zhì)材料的銑削加工，如何裝備一個車間，使其能有效地進行工作。為此，Greenwald先生與密西根州Auburn Hills地區(qū)的Single Source技術公司聯(lián)系，該公司是Makino公司（在俄亥俄州的Mason地區(qū)）和其他制造廠提供的加工中心和EDM加工設備的經(jīng)銷商。Single Source技術公司一直在底特律地鐵站地區(qū)積極地推銷高速加工和硬質(zhì)材料銑削加工機床，并與其以前的老板一起幫助Greenwald先生建立了硬質(zhì)材料銑削加工廠。

   他在Single Source技術公司參加了車間高性能加工技術培訓課程，這次培訓為他在硬質(zhì)材料銑削加工技術方面取得成功奠定了基礎。當Hard Milling Solutions公司開始營業(yè)時，有一名雇員負責操作一臺Makino V56加工中心。

   雖然Greenwald先生在開始工作時借助了外力，但他很快意識到硬質(zhì)材料銑削加工仍然需要依靠他自己開創(chuàng)新的路子。由于這一車間是專為硬質(zhì)材料的銑削加工所設立，因此他開始承接各種硬度達60 hRc的硬質(zhì)鋼材銑削加工任務。Single Source技術公司所提供的一些加工數(shù)據(jù)表為他的工作奠定了基礎，但大部分工作還需要實踐試驗和進行試切削加工。
今天，車間內(nèi)的大部分工作是加工塑料注塑模，而大部分的注塑模采用H13和S7工具鋼制成。該車間也專門承接醫(yī)療器械零件的加工，還包括鍛模以及模具零件、鑄模型腔插件、粉末冶金件和硬度達65 hRc的其他任何零件�，F(xiàn)在，車間的加工設備中又增添了一臺V56型立式加工中心，同時雇傭了具有30年工作經(jīng)驗的模具工Kevin Hunter先生負責這臺機床的操作。

   由于他的車間專門承接一切硬質(zhì)材料的銑削加工任務，因此Greenwald先生說他在這方面幾乎已經(jīng)變成了相當高級的專家。無論從自私和大公無私的角度來說，他都希望看到硬質(zhì)材料銑削技術能被美國模具制造商廣泛應用。由于更多的工廠投資這一技術，他確信他們公司的工作量也會越來越大，特別是一些困難的工作。更為重要的是，他認為硬質(zhì)材料銑削技術是美國模具制造業(yè)未來的發(fā)展方向。他說：“面臨越來越多的模具從低工資的國家進口，目前實在是沒有更好的辦法可以讓模具制造業(yè)獲得利潤。”
                                              
                                             Corey Greenwald先生（上圖右邊）和Kevin Hunter先生正在檢驗由Makino V56立式加工中心生產(chǎn)的其中一個模具塊。這一模具塊（下圖）由H13淬硬工具鋼制成。在這一加工項目中，采用了一把直徑為1.0 mm的球面端銑刀，其長度和直徑之比為12:1，這是一種最小的加工工具，采用這一銑刀后，EDM機床的加工量大大減少，而且還為客戶省去了拋光加工工藝

適于在核桃殼內(nèi)加工的硬質(zhì)材料銑削技術

    硬質(zhì)材料銑削技術是高速加工技術的一個分支。高速加工技術的核心是以緊密的步距進行多道輕微切削加工，從而使加工面上只留下極微小的刀具加工痕跡。其目標是為了使加工面大大減少以后的加工要求。對于刀具而言，為了達到有效的切屑負荷，刀具進給速度和主軸速度必須大大提高，以便超過傳統(tǒng)加工工藝中應用的正常加工速度，因此將該工藝命名為高速加工。高速進給也使刀具走刀量大大提高，因此加工工件的速度要比采用傳統(tǒng)的方法更快。

    硬質(zhì)材料銑削技術又比高速加工的概念前進了一步。高速輕型切削與高速主軸相結(jié)合的方式可有效地切削加工淬硬狀態(tài)下的鋼材，這樣可保持材料原有的特性。同時，采用小直徑圓頭端面銑刀進行緊密步距間隔的高速加工，其所加工的表面光潔度接近手工打磨和拋光的水平。（根據(jù)Greenwald先生報告，在必要時采用硬質(zhì)材料銑削技術，其表面光潔度往往可以達到10～12 rms的水平。）因為鋼材是在淬硬的情況下加工的，因此無需后面的熱處理、消除應力或磨削等工序。更重要的是，這一工藝也可以代替許多加工費用極高的EDM加工工藝。

   采用硬質(zhì)材料銑削加工技術的另一優(yōu)點是可以保證十分精密的公差尺寸（±0.0004in），這一點對于模具加工來說是彌足珍貴的。加工后的模具不需由人工逐點修整。而且，由于加工后達到無需手工修整的程度，模具的幾何形狀完全與CAD設計模型相吻合。而且模具配合面的加工也達到了無需任何修整的水平。其概念是沿著分型線，一般在模腔一端，精確地稍微加工一點，使其略低于公稱尺寸。這樣，當模具兩半閉合時，可使模具接觸面之間留出一點間隙。但該間隙非常�。ㄒ话阒挥�0.008in），這樣，在注塑時，可以讓一部分塑料流出來，不過模具仍然能有效地保持閉合狀態(tài)。而且，當熔融的塑料注入模具時，這一間隙也可以讓空氣從縫隙中排除出去，不需要事先通風。角落上的小接觸墊塊繼續(xù)保留這一間隙，否則，閉合面之間就不能互相接觸。一般來說，這些配合面之間的干擾問題必須在逐點修整和匹配過程中解決，現(xiàn)在就不存在這一問題了。在模芯和模腔閉合時，因有了這一間隙，消除了表面之間相互影響，因此分型面完全得到了保護，所生產(chǎn)的零件不會出現(xiàn)飛邊。

從刀尖上提高效率

   Greenwald先生說，像任何CNC加工工藝那樣，硬質(zhì)材料銑削加工技術取決于一臺高性能的機床、合適的刀具和刀柄系統(tǒng)以及有效的刀具運行程序。然而不像其他的加工工藝那樣，這些元素的相互作用存在著比較復雜的動態(tài)關系，當然也并非不可逾越，新的用戶只要下定決心，不怕困難，就可以改變這種關系和解決問題。

   他指出：“掌握硬質(zhì)材料銑削技術可能是一種挑戰(zhàn)。但有一種方法可以使您的思想圍繞這一目標努力。”他說，了解硬質(zhì)材料銑削技術的方法就是要懂得如何去保護刀具的刀尖。“集中力量，努力使您刀具的刀尖能夠安全有效地進行切削。如果理解這一點，那么就能夠逆向思維工作，就會理解系統(tǒng)的要求以及它們之間的相互作用。如果能將這一切有條不紊地進行管理，那么端銑刀的刀尖就能與加工的材料融合在一起，自由地進行切削加工。一切其他事項均能按部就班地順利執(zhí)行。”他補充說，如果系統(tǒng)中的任何一個部分受到忽視或中斷，那么刀具的刀尖就會遭殃，整個工藝就會遭到失敗。
                                   
   這一模具的模腔表面完全是在淬硬的狀態(tài)下進行銑削加工的，其加工后的表面光潔度為12 rms, 無需鉗工進一步加工，從而節(jié)約了逐點修整配合加工時間。所匹配的型芯也采用硬質(zhì)材料銑削加工技術。加工后，其型腔一側(cè)的閉合面加工精度達0.0008in。利用這一模具加工，第一次就能生產(chǎn)出很好的零件

   對于從端銑刀著手工作的問題，Greenwald先生列出了應當注意的幾項主要因素。

    刀具：Hard Milling Solutions公司一般采用圓頭端銑刀進行粗加工、半精加工和精加工。帶有兩條排屑槽的圓頭端銑刀專門用于精加工，在硬質(zhì)材料銑削加工中，這些精加工用的刀具是非常關鍵的因素。作為精加工用的圓頭端銑刀必須滿足兩個關鍵的要求：即刀具必須具有一個近乎完美的半徑和實際上毫無瑕疵的切削刃。刀刃的半徑精度必須極高，這樣，無論是高或低的排屑槽都不會引起金屬排屑的不平均狀態(tài)，以免影響幾何形狀、降低表面質(zhì)量和刀具使用壽命，車間內(nèi)用于精加工的端銑刀，其半徑精度至少應達到±0.0004in。偶爾，車間內(nèi)也使用過0.012in直徑的圓頭端銑刀，其半徑精度為±0.0002in。

   排屑槽的切削刃必定會出現(xiàn)一些微量的切屑、斷裂或其他不規(guī)則形狀。出現(xiàn)這些缺陷說明它們在接觸工件時，發(fā)生加速磨損現(xiàn)象。這種情況會導致出現(xiàn)比較粗糙的光潔度，縮短刀具的使用壽命。刀具的使用壽命是一個非常關鍵的因素，因為當機床處于無人化操作時，車間完全依賴于端銑刀能工作到所期望的期限。

   OSG公司（在伊利諾斯州的Glendale Heights）和NS Tool公司（在北美由Single Source技術公司代理分銷）一類的供貨商可以提供滿足上述規(guī)格要求的刀具，但其價格要比標準的刀具高得多。使用這一質(zhì)量等級的刀具是絕對必要的，費用不應成為一個問題。Greenwald先生說：“這些刀具是模具加工的基礎，使用它們可以省去模具的拋光工序和對模具的逐點修整工藝，在硬質(zhì)材料銑削加工工藝中，添置這些刀具是十分重要的投資。”

  刀柄：刀柄可以對端銑刀的半徑和刀刃質(zhì)量起到保護作用。Greenwald先生確信，采用熱套安裝的刀柄帶有HSK接口，可提供最好的保護。采用熱套夾緊的方法，其偏置量極低，優(yōu)于現(xiàn)今任何一種夾緊方法，使刀具的偏心旋轉(zhuǎn)降到最低程度。因為偏置誤差會導致刀具一個排屑槽的過量切削，增加那個排屑槽上的切削負荷，從而縮短刀具的使用壽命。

   Hard Milling Solutions公司采用Haimer熱套安裝系統(tǒng)。按照Greenwald先生的說法，不到一分鐘時間就可更換并重新夾緊刀具，然后返回到自動換刀裝置。根據(jù)他的經(jīng)驗，采用熱套夾緊法，可使夾緊偏置精度達到0.0001in以下。

  該公司只購置已經(jīng)過平衡的HSK刀柄，以防止再進行不必要處理。HSK接口是一種強制性使用的接口，因為與其他錐套夾持方式相比，它更加堅固耐用、精度更高、可更安全地夾緊到主軸上。

   主軸：正如刀柄用于保護端銑刀的刀刃和精密的半徑，主軸用于保護刀具和刀柄組件的整體性。當然，主軸的設計還應具有硬質(zhì)材料銑削加工所需要的高速旋轉(zhuǎn)性能�？刂浦鬏S所產(chǎn)生的熱量和振動是非常重要的。直接驅(qū)動的主軸（不通過齒輪或皮帶傳動）及其內(nèi)冷方式專門適用于硬質(zhì)材料的銑削加工。

   安裝于Hard Milling Solusions公司的這兩臺V56立式加工中心，其主軸都具有上述特性。這兩臺機床的主軸轉(zhuǎn)速達20,000 r/min。

   機床的結(jié)構：在探討這類機床的主軸問題時可以與機床的整體結(jié)構分開討論，盡管它們都屬于機床不可分割的一部分。Greenwald先生說：“毫無疑問，用于硬質(zhì)材料銑削加工的機床剛性必須要十分剛強。”當然，其整體精度也非常重要。

該公司機床的熱穩(wěn)定性和剛性要求是專為其應用目的而設計制造的。這類機床的某些結(jié)構特點不同于通用型機床，其中包括：

● 配有重型基座和立柱（這類機床的重量超過9072kg）。
● 配有中心冷卻主軸。
● 主軸箱中安裝線性滾子軸承。
● 雙重支承的絲杠。

    Greenwald先生說：“根據(jù)我的看法，最重要的是應當盡量降低機床的振動和累積誤差，這些因素可能會影響到刀具的切削精度。不管我們所使用的是40 ipm的0.5mm端銑刀還是380 ipm的6mm端銑刀，其精度始終保持在1/10，但系統(tǒng)的變量效應會隨之放大，因此對每一因素必須嚴格控制。”

這類機床的CNC處理器和侍服系統(tǒng)也是為硬質(zhì)材料的銑削加工專門設計的。其特點如下：

● 兩套RISC處理器，其中一套專用于數(shù)據(jù)的必要轉(zhuǎn)換，將編好程序的刀具加工路線變成侍服指令。
● 120個程序塊的前瞻功能，以避免刀具行程的上沖或下沖。
● 對精確定位控制的高分辨率編碼器反饋進行有效的插補。
● 光柵能以50nm增量級反饋。

編程軟件

    然而，一臺剛性良好、反應靈敏的機床，其性能取決于NC的編程輸入。在硬質(zhì)材料銑削加工中，Greenwald先生對這方面的知識比較缺乏，但對驅(qū)動CNC的刀具運行軌跡則有一定研究。

他解釋說：“問題又回到我們在開始時所探討的刀尖問題。”

   當加工淬硬的材料時，為了保證安全、精確定位切削，刀具理想的圓角半徑和刀刃是很重要的，但還得依賴于機床“平穩(wěn)的運行”。正因為這個原因，大部分CAM軟件都不適于硬質(zhì)材料的銑削加工。生成刀具運行路線的算法不是專為這種硬質(zhì)材料銑削加工所設計，因為后者要求按公差平穩(wěn)、精確地運動，允許模具車間繞開模具制造工藝的全部加工步驟。

   正如Greenwald先生所看到的那樣，典型CAM軟件的設計可以很快地生成刀具加工線路，因此大部分系統(tǒng)應用可有效生成編碼的處理捷徑。這種軟件對普通的銑削加工非常有用，因為這些捷徑不會產(chǎn)生很大的效率。但問題是，據(jù)他所說，這一優(yōu)點在硬質(zhì)材料銑削加工中變成了缺點。

   他們車間中應用CAM-TOOL作為其編程軟件。這一軟件由日本人開發(fā)，在美國由北美Graphic產(chǎn)品公司發(fā)售。該公司設立在安大略省的Windsor地區(qū)，其新的總裁名叫Randy Nash。該公司的一名銷售和應用軟件專家Chris Renaud先生曾與Hard Milling Solutions公司合作，因此他對這種軟件的應用十分了解。他說：“Corey先生的車間代表了硬質(zhì)材料銑削加工方面的需要，特別是模具加工業(yè)。”

    按照Renaud先生的說法，這一軟件不能創(chuàng)建一個三角形的近似于帶輪廓的幾何形狀表面網(wǎng)眼，因為這些近似值會影響硬質(zhì)材料銑削加工所需的百萬分之一in的精度。相反，這一軟件可以根據(jù)直接從幾何形狀所取的各測量點，計算刀具加工路線。他說，實際上這些點可通過數(shù)學規(guī)定的、最適配這些點的曲線連接起來，然后用直線段將分布于輪廓圖網(wǎng)眼中的每一三角形中心點連接起來，然后將它們相互對照。由于所產(chǎn)生的路徑是一系列的曲線，因此刀具加工路線中定義的運動在短線段創(chuàng)建的方向上缺乏陡峭的變化。試圖讓帶有微米級反饋分辨率的機床毫不含糊地沿著這些線段運動，一定會產(chǎn)生不良的效果，使加工的刀具處于冒風險的境地。

   按照Renaud先生的想法，對硬質(zhì)材料銑削加工的有效刀具加工線路還有其他要求。它們必須：

● 控制刀具在切削過程中如何進、退。
● 通過對刀刃與工件材料接觸程度的控制，使切屑負荷保持恒定不變。
● 為以后的每一道粗加工或精加工工序提供恒定的庫存條件。

    Renaud先生說，用于以加工方式精確分析幾何形狀的算法是達到這些目標的關鍵。適于硬質(zhì)材料銑削的刀具加工路線不能創(chuàng)建與刀具工作能力相反的條件，以便使模具的加工精度和表面光潔度完全與壓力機相適應。
                                                      
   切削刀具的一個完整而精確的模型有助于編程軟件檢查工件中可能存在的碰撞或刨削槽，
精確度可達100%,從而實現(xiàn)無人切削

集中全部優(yōu)勢

    當?shù)毒叩牡都馀c編程軟件的連接鏈不存在任何薄弱環(huán)節(jié)時，硬質(zhì)材料銑削加工技術就能達到預期的可靠目的。正是由于這一原因，無人化操作才變得切實可行。這就是Hard Milling Solutions公司天天所做的實踐工作。Greenwald先生說：“我們每臺機床，平均每星期工作100h以上，大部分處于無人化操作的情況。”大約90%左右的加工工作完全無人參與。他說：“如果您必須站在機床前工作，那么就說明機床的編程出了問題。”當使用較小的刀具進行試切削時，或加工以前從未碰到過的硬質(zhì)材料時，他或Hunter先生才會站在機床前密切注視材料的加工情況，從而學習和掌握該系統(tǒng)的工作性能。

   然而，他強調(diào)指出，對硬質(zhì)材料的銑削加工，日常使用的無人化操作模式并不是一個選項或是作為一種獎勵。他說，機床幾乎24h不停運轉(zhuǎn)的目的是為了支付機床本身的代價，以便健康地回收投資。無人化操作更體現(xiàn)了機床低勞務投入和高產(chǎn)出的目標。而且這一工藝也替代了鉗工幾百個小時的模具打磨和逐點修整等需要支付高昂勞務費用的工作。

對于購置模具的客戶而言，其好處是顯而易見的，因此他們?nèi)绱似惹械叵Ｍ操|(zhì)材料銑削加工技術應該成為模具制造商必不可少的一項加工工藝。在模具制造工藝中，采用硬質(zhì)材料銑削加工技術可以取代某些最昂貴和最費時的加工步驟，可消除或大大減少電極銑削、EDM加工、磨削、拋光、在壓力機上的逐點修整等工作。由于這一原因，Greenwald先生認為硬質(zhì)材料銑削加工是一項關系到美國模具車間成敗的關鍵技術。

   它們的存在保證了他的生存，因為他知道還有更多的硬質(zhì)材料的銑削加工任務等待著他去完成，在他前進的道路上，還有更多不尋常的困難在等待著他。

更多相關信息