硬銑削勢在必行

   時間:2014-03-12 02:24:59
硬銑削勢在必行簡介
    模具加工車間應採用硬銑削工藝,或者到具有這一加工能力的外協工廠完成這一任務。     硬銑削技術是高速加工技術的一個分支……
硬銑削勢在必行正文

  模具加工車間應採用硬銑削工藝,或者到具有這一加工能力的外協工廠完成這一任務。

   硬銑削技術是高速加工技術的一個分支。高速加工的核心就是在非常接近的跨距間隔內進行許多輕微的切削,因此遺留在每道加工區之間的交叉點極少。其目的是為了形成一個加工面,以大幅度地減少後續加工量。為了使刀具獲得一個有效的切屑負荷,其進給速度和主軸轉速必須大大高於傳統加工中應用的正常加工速度,因此將它稱之為高速加工。高速進給也可以使刀具通過工件的走刀次數大幅度增加,使其加工速度比傳統的方法更快。

硬銑削加工

   硬銑削技術又比高速加工的概念邁進了一步。在全部滿足適當工況的條件下,高進給速度的輕微切削與主軸的高轉速結合,可使機床有效地切削淬火狀態下的鋼材。採用小直徑和小半徑刀具進行跨距間隔緊密的加工,可以使表面光潔度接近油石桁磨或手工拋光的水平(根據Greenwald先生的常規報告,必要時,採用硬銑削加工,模具的表面光潔度可達到 10~12 rms)。由於鋼材已經過淬火,因此在加工以後,無需再進行熱處理、消除應力或磨削加工。而更重要的是,該工藝還可以替代許多成本費用很高的EDM加工工藝。

   硬銑削工藝的另一個優點是能夠保持極高精度的公差尺寸(±0.0 004 in或更低),這對模具加工是十分重要的。使得模具輪廓的加工不需要保留在正常情況下手工打磨所需的加工裕量。而且通過零裕量加工的模具,其幾何形狀將完全與CAD模型相符。同樣,這一工藝也可使模具的配合面,按照負切削裕量的條件加工。這一工藝的理念就是沿著模具的分型線來加工模具的閉合面,通常在型腔一側加工,其加工非常精確,但略低於公差尺寸。這樣就會在模具的閉合面之間留下很小的縫隙,而按照常規加工的模具,閉合時其表面之間通常是互相接觸的。由於縫隙很小(一般為0.0 008in,1in=25.4mm),因此在注塑過程中,熔融的塑料不會從縫隙中外流,因為模具的閉合密封性能仍非常有效。而這一縫隙可以讓空氣從模具中排出,當熔融的塑料在模具中模壓成形時,不需要另增通風系統。四周角落上布置的微小接觸墊塊也可保持模具之間的縫隙。這樣,閉合面就不會相互接觸。在通常情況下,這類表面之間的干擾問題必須通過逐點打磨和逐步磨合的方法才能解決,現在就不需要這些步驟了。此外,這條縫隙消除了型芯和型腔兩面閉合時其表面之間的相互影響,從而可完全避免了在分型線處出現飛邊的可能性。

注塑模加工關鍵工藝

   Corey Greenwald先生深諳硬銑削已成為注塑模加工車間的關鍵工藝。他了解如何有效地在車間內進行硬銑削工藝的常規操作。當模具車間向硬銑削工藝轉化時,需要專業車間處理硬銑削問題。

   但是,當真正需要採用硬銑削工藝時,許多模具加工車間並未做好準備。他們仍堅持使用那些傳統的模具加工方法。因此,還要花時間對模具進行手工拋光,然後花更多的時間對模具一邊磨合試驗,一邊逐點打磨。

   Greenwald先生說:「這些額外增加的工時就能表明其在全球模具製造業市場中,是否具有競爭力。」他總結說:「如果這些車間不改變他們的加工方法,就很難長期生存下去。」

   Greenwald 先生確信,採用硬銑削工藝是解答上述問題的最重要答案之一,尤其是對生產小型模具及其插接件的車間。他說,硬銑削工藝可以幫助模具加工車間直接在淬硬的鋼材上加工模具和精加工模具的表面,加工后很少需要或甚至無需手工拋光。這一工藝可以節省模具製造過程中幾個很費時的勞動密集型工序。他補充說,硬銑削工藝還有助於提高模具一側閉合面的表面光潔度,使其達到「負裕量」切削水平。其好處是可以使模具配合面之間留下微小的縫隙,這樣當模具第一次放入到壓力機的時候,可以大大減少模具最後的校正、調試(逐點打磨時間)時間和減輕工作量。而且還可以延長模具的使用壽命和提高模具的運行速度。

   Greenwald先生說:「適當地應用硬銑削工藝,模具加工車間能夠很容易地從機床上卸下模具的零件,然後將它們組裝在一起,放入到注塑機之中,這樣第一次注塑就能獲得一個合格的注塑件。採用硬銑削加工的模具車間,可以從注塑模的加工和打磨過程中節約很多時間和費用。」

   那麼如何進行硬銑削加工呢?按照Greenwald先生的說法,採用硬銑削工藝需要創立一套新的思想方法,應考慮如何加工金屬。硬銑削加工需要採用某種特定的機床、某種特定的刀具和刀夾以及某種特定的編程軟體。

   Greenwald先生說:「一旦準備就緒,並了解了如何相互搭配,就可以預見硬銑削工藝必將成為一項可靠而富有生產成效的工藝。」

從保護刀尖開始

   像其他CNC加工工藝一樣,硬銑削加工工藝也取決於機床的功能、合適的刀具/刀夾系統以及有效的刀具路徑程序。然而不像其他加工工藝那樣,這些因素之間的互動關係更為複雜和更為動態化。Greenwald先生說:「掌握硬銑削技術可以說是一次挑戰,了解硬銑削技術的方法應懂得如何保護刀具的刀尖。一切歸結於如何讓刀具的刀尖安全而有效地進行切削加工。只要處理好這些互動關係,立銑刀的刀尖就能進行自由切削,與切削材料之間保持恆定的接觸面。其他一切均按部就班。」。

   刀具:Hard Milling Solutions公司一般採用球端立銑刀進行粗加工、半精加工和精加工。精加工時一律採用雙切削槽球端立銑刀,在硬銑削工藝中,這類精加工刀具是最關鍵的元素。在精加工過程中,立銑刀必須滿足兩個基本要求:一方面,刀具必須具有一個近乎完美的半徑以及毫無瑕疵的刀刃。半徑的精度必須高度精密,只有這樣,高切削槽或低切削槽都不會造成不均衡的金屬切削現象,以免降低幾何精度、影響表面質量和刀具壽命。車間中用於精加工的立銑刀,其半徑精度至少應達到 ±5μm(±0.0 004 in)。車間里還使用過直徑0.012 in的立銑刀,其半徑精度達±0.0 002 in。

   帶切削槽的刀刃必須保持儘可能少的顯微切屑、裂縫或其他不規則的缺陷。如果存在這些缺陷,就意味著刀刃容易在接觸工件的過程中加速磨損。這必將導致表面光潔度變得更加粗糙,而且會縮短刀具的使用壽命。當機床在無人化操作的情況下,刀具的壽命成為一個很大的問題,因為車間完全依賴於立銑刀的使用壽命,並儘可能使其延長到人們所期望的目標。

   目前,像OSG 公司和NS Tool刀具公司等一類供貨商可以提供這些規格要求的刀具,不過這些產品的價格要比標準的刀具更加昂貴。然而,採用這一品質的刀具是絕對必要的,價格不應該成為一個問題。Greenwald先生說:「這些刀具為超越拋光和打磨工藝的可能性奠定了基礎,因此是硬態銑削工藝中不可缺少的基本投資。」

   刀夾:刀夾能起到保護立銑刀半徑和刀刃質量的作用。Greenwald先生確信,帶有HSK介面的縮套刀夾可提供最好的保護。在夾緊方法中,縮套夾緊能保證最低的徑向跳動誤差,因此可使刀具偏離中心旋轉的誤差降低到最低限度。徑向跳動誤差可使帶一個切削槽的刀具造成切削過量的問題,因而增加了切削槽上的切屑負荷,縮短刀具使用壽命。

   Hard Milling Solutions公司的刀具採用了Haimer縮套系統。按照Greenwald先生的說法,交換刀具、重新裝夾及返回自動換刀裝置的整個過程不到 1min。根據他的經驗,縮套夾緊方法通常可以使徑向跳動誤差保持在0.0 001 in以下。車間只購置經過平衡處理的HSK刀夾,以免造成不必要的任何其它麻煩。HSK介面已成必不可少的裝置,在主軸夾緊系統中,比其它錐套夾緊的方法更為牢固、更為精確和更為安全。

   主軸:正如刀夾起到立銑刀刀刃保護的作用那樣,主軸可用於保護刀具/刀夾組件的一體化。當然,主軸的設計也必須具有高速旋轉的性能,這是硬銑削加工所不可缺少的條件。控制主軸的熱量和振動是非常重要的。直接驅動的主軸(動力系統不通過齒輪或皮帶驅動)和內部的冷卻通常取決於硬銑削的應用情況。在Hard Milling Solutions公司內安裝的兩台V56型立式加工中心,其主軸都具備這些特性。這兩台機床主軸的轉速均高達20 000 r/min。

   機床的結構:在探討這類機床的主軸時不能不談及機床的整體結構,因為這是機床的一個重要部分。Greenwald先生說:「毫無疑問,用於硬態銑削加工的機床必須具有極高的剛性。」當然,精度也十分重要。

   從熱穩定性和剛性而言,車間內機床的設計特別適合於所要求的應用範圍。這些機床的某些結構特點與通用機床不同,其中包括:

   配置重型基座和重型立柱重量超過20  000lb,1lb=0.45kg)。

   主軸採用中心冷卻。

   主軸箱導軌採用線性滾珠軸承。

   採用雙支撐滾珠絲杠。

   Greenwald 先生說:「最重要的是儘可能減少刀具的振動和累積誤差。不管切削使用的是40 ipm(1m/min)條件下的0.5mm立銑刀,還是380ipm條件下的6mm立銑刀,精度保持在十分之幾in的範圍內,但系統的變數效應是會放大的。所以一切因素都必須得到控制。」

   這些機床上的CNC處理器和侍服系統也是專門為硬銑削工藝而設計的,其中包括下列特點:

   採用雙RISC處理器,其中一個處理器專門用於數據的轉換,將編程刀具路徑轉換成必要的侍服指令。

   具有120個程序塊的前瞻功能,可防止刀具行程的過量或不足。

   為精密定位控制的需要,對高解析度編碼器的反饋進行有效的插補。

   裝有反饋玻璃光柵尺,解析度為50nm增量級。
   編程軟體

   剛性良好、反應靈敏的機床性能還取決於NC編程輸入。Greenwald先生認為,這是在硬態銑削工藝中,刀具路徑對驅動CNC系統的影響。

   他解釋說:「一切都要重新回到開始時的刀尖問題上來。」

   當加工淬火的材料時,刀具的理想半徑和刀刃依賴於是否能夠「平穩地騎在工件上」安全和精確地進行切削加工。正是因為這一原因,大部分CAM軟體都不適合於硬銑削加工工藝。生成刀具路徑的運演算法不是為這種硬銑削工藝所要求的平穩和精確運動而設計。

   正如Greenwald先生所看到的那樣,典型的CAM軟體是專門為刀具路徑的快速生成而設計的,因此大部分系統是採用處理捷徑來有效地生成代碼的。對於一般的銑削應用領域而言,這一軟體的開發是非常偉大的,因為這些捷徑的效果無關緊要。對於這種工作而言,其輸出的精度已經足夠。他說,問題是,在硬銑削領域中,這一優點卻變成了一個缺點。

   Greenwald先生的車間採用CAM-TOOL計算機輔助生產工具作為其編程軟體。這一軟體是日本開發的,其美國的銷售商為Graphic Products North America北美圖像產品公司,總部設立在安大略省的Windsor市,其新的總裁Randy Nash先生。該公司的其中一名銷售和應用專家Chris Renaud先生已與Hard Milling Solutions公司合作多年,非常了解其應用情況。他說:「Corey先生的車間對硬銑削工藝的需求具有一定的代表性,特別是對模具加工而言。」

   按照Renaud先生的說法,這一軟體無法創建一個輪廓幾何表面的三角網近似值,因為這些近似值影響了硬銑削所需的精度,其測量精度為百萬分之幾英寸。相反,該軟體是根據從幾何形狀上直接獲得的各個點來計算刀具路徑的。他說,事實上,這些點可以用數學的方法連接成與各點最相適應的特定曲線,它與整個輪廓中採用直線段連接網路中每一個三角形中心點的情況恰好相反。由於其產生的路徑是一系列的曲線,因此在短線段形成的方向上,由刀具路徑定義的運動缺少突變。以納米級解析度反饋的機床將毫不妥協地沿著這些線段運動,造成一個斷續而不穩固的效果,使刀具處於風險境地。

   按照Renaud先生的說法,對硬銑削的有效刀具路徑還提出了其他一些要求,它們必須:

   在切削過程中,控制刀具的如何進入和退出。

   通過控制刀刃與工件材料之間接觸量,保持恆定的切屑負荷。

   在每道粗加工或精加工過程中,提供恆定的加工裕量條件。

   Renaud先生說,精確分析工件幾何加工形狀的演算法是達到這些目標的關鍵因素。用於硬銑削的刀具路徑不能與刀具的能力和工作條件發生矛盾,只有這樣才能保證模具的加工精度和表面光潔度,使其能夠很好地在注塑壓力機之中工作。

可靠性進一步提高

   如果刀具的刀尖與編程軟體之間的鏈接沒有薄弱環節,那麼硬銑削的可預測性和可靠性將進一步提高。這就是為什麼無人化操作可行的原因。實際上,Hard Milling Solutions公司每天正是這麼做的。
Greenwald 先生說:「我們的每台機床,每星期平均約有100h以上的工作時間很少需要有人干預操作。」大約有90%的加工業務完全採用無人化操作。他說:「如果必須站在機床的前面從事這些加工作業,那麼操作人員就無法正確地編程。」只有當他和Hunter先生兩人中的其中一人用以前從未碰到過的較小刀具或對更硬的材料進行試切削時,他或Hunter先生才會密切地注視某一工件的加工情況。

   然而,他強調說,在硬態銑削加工中,採用無人化操作的模式進行常規操作並不是一個選項或一種獎勵。他說,機床幾乎24h連續運行的方式是機床本身獲得回報的惟一途徑,也是公司回收投資和健康發展的有效途徑。無人化操作體現了機床的高產出和勞動力低投入的優越性。這一工藝也節約了大量的鉗工和手工打磨作業所需的工時,從而節省了很高的勞務費用。

   硬銑削工藝應該對模具製造商具有很大的吸引力。為了消除或大幅度降低電極銑削加工、EDM加工、磨削加工和在壓力機上的拋光加工及逐點打磨加工,硬銑削工藝代替了在模具製造過程中的某些最昂貴和最費時的工藝步驟。

  

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