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硬质材料的铣削加工

时间:2021-09-07 15:25人气:编辑:钢铁之家
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  你们采用硬质材料铣削技术了吗?当高速加工技术应用于加工经过淬硬的模具元件时,模具车间可以从模具加工工艺中摆脱某些最昂贵和最费时间的加工工序 Corey Greenwald先生就碰到了这...

硬质材料的铣削加工

你们采用硬质材料铣削技术了吗?当高速加工技术应用于加工经过淬硬的模具元件时,模具车间可以从模具加工工艺中摆脱某些最昂贵和最费时间的加工工序

    Corey Greenwald先生就碰到了这样的问题。他明白,在工厂生产注塑模的时候,硬质材料的铣削加工已成为一个主要问题。他懂得如何在他自己创建的车间内-Hard Milling Solutions公司-以其独有的“硬质材料铣削方法”,有效地、始终如一地和信心十足地铣削加工硬质材料。作为一个模具车间,他了解一定会碰到硬质材料的铣削加工问题,他们似乎需要这样的一个专业加工车间,才能解决硬质材料的铣削加工问题,因为他们既没有足够的时间在他们自己的机床上加工,也没有做好准备在他们自己的设备上铣削硬质材料。

    可惜,当碰到需要铣削加工硬质材料时,许多模具车间都没有做好这样的准备。他们在模具加工方面仍然采用传统的方法。他们在结束模具的加工以后,还要花很多的手工作业时间去抛光模具,最后还要费时间逐点修整、测试和调配这些模具。

    Greenwald先生说:“这些额外的附加时间会使全球市场的竞争性与非竞争性模具行业之间产生很大的不同。”他总结说:“如果这些模具车间不改变他们的加工方法,他们就很难继续生存下去。”

    Greenwald先生确信目前最重要的问题是解决硬质材料的铣削加工问题,特别是小型模具和型芯插入件。他说,采用硬质材料铣削技术可以帮助车间开始加工淬硬的钢制模具,而且模腔表面也无需或很少需要进行抛光等作业。这样,在模具加工生产中使他们省去了几道费时、费工的加工工序。他补充说,在采用硬质材料铣削技术以后,可提高了模具另一面的闭合面加工水平,从而使它达到“负库存”条件。这也就是说,在模具的配合面之间留了很小的间隙。这样,当模具第一次放置到压力机时,可以大大节约模具的最终调试时间和降低劳动强度。而且模具的使用寿命增加,运行的速度提高。

    Greewald先生说:“适当地应用硬质材料铣削技术,模具车间就能够从机床上直接加工模具元件,然后进行组装,最后安装到注塑机上,于是第一次注塑就能生产出一个很好的零件。采用硬质材料铣削加工技术以后,模具车间从注塑模的加工和调试过程中节约了不少时间和费用。”

    那么采用硬质材料铣削加工技术需要什么条件?按照Greenwald先生的说法,采用硬质材料铣削技术首先需要有一种全新的思想理念来解决如何加工金属的问题。硬质材料铣削需要采用某种机床、某种刀具和刀柄以及某种加工程序软件。所有这些技术必须及时到位,并应能十分理想的全面合作。

    Greenwald先生说:“只要一切顺利执行,并且懂得如何互相配合,那么硬质材料铣削技术就会成为一项可靠而富有成效的工艺。”事实证明,在他车间内使用的两台立式加工中心(专门用于硬质材料的铣削加工)实际上24h运行,很少需要有人参与操作。


    模具加工车间的诞生

    Greenwald先生是如何成为受人尊敬的实践家和硬质材料铣削技术的强力推荐者的?这里有一段不寻常的故事。最初,他是一位生产工程师,后来他在底特律市郊的一家模具工厂涉足模具车间的管理。他所经历的其中一个项目就是安装一台加工中心,用于金属连杆热锻成形冲压模的硬质材料铣削加工。

    结果给人留下了深刻的印象。冲压模的生产从30天缩短到了6天,这远远超过了车间老板的希望,这正是他们求之不得的事情。而且,Greenwald先生甚至还找到了更有发展潜力和更能节约费用的硬质材料铣削技术。

    Greenwald先生在底特律模具行业的一位朋友Graig Sizemore先生对这一硬质材料铣削加工技术也非常感兴趣。他的工厂——Cut-Rite EDM公司,专门从事先进的线切割电加工机床(EDM),他也正在寻求一种硬质材料的铣削技术,以作为EDM加工技术的补充或替代EDM加工技术。在得到Sizemore先生支持以后,Greenwald先生在密西根州的Shelby镇开办了一家Hard Milling Solutions硬质材料铣削加工公司,该地离底特律市以北约30英里。与Sizemore先生的车间相邻。尽管Greenwald先生不像Sizemore先生那样,经过作为机械师或模具制造商那样的培训。他惟一的经历就是曾与以前的老板在硬质材料铣削加工技术方面有着密切的合作关系。

    正是这一原因鼓励成全了Greenwald先生,作为一个生产工程师,他对硬质材料的铣削加工有足够的认识,他意识到必须坚韧不拔地努力工作。摆在他面前的任务是必须努力学习实践知识,如何进行硬质材料的铣削加工,如何装备一个车间,使其能有效地进行工作。为此,Greenwald先生与密西根州Auburn Hills地区的Single Source技术公司联系,该公司是Makino公司(在俄亥俄州的Mason地区)和其他制造厂提供的加工中心和EDM加工设备的经销商。Single Source技术公司一直在底特律地铁站地区积极地推销高速加工和硬质材料铣削加工机床,并与其以前的老板一起帮助Greenwald先生建立了硬质材料铣削加工厂。

    他在Single Source技术公司参加了车间高性能加工技术培训课程,这次培训为他在硬质材料铣削加工技术方面取得成功奠定了基础。当Hard Milling Solutions公司开始营业时,有一名雇员负责操作一台Makino V56加工中心。

    虽然Greenwald先生在开始工作时借助了外力,但他很快意识到硬质材料铣削加工仍然需要依靠他自己开创新的路子。由于这一车间是专为硬质材料的铣削加工所设立,因此他开始承接各种硬度达60 hRc的硬质钢材铣削加工任务。Single Source技术公司所提供的一些加工数据表为他的工作奠定了基础,但大部分工作还需要实践试验和进行试切削加工。

    今天,车间内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工具钢制成。该车间也专门承接医疗器械零件的加工,还包括锻模以及模具零件、铸模型腔插件、粉末冶金件和硬度达65 hRc的其他任何零件。现在,车间的加工设备中又增添了一台V56型立式加工中心,同时雇佣了具有30年工作经验的模具工Kevin Hunter先生负责这台机床的操作。

    由于他的车间专门承接一切硬质材料的铣削加工任务,因此Greenwald先生说他在这方面几乎已经变成了相当高级的专家。无论从自私和大公无私的角度来说,他都希望看到硬质材料铣削技术能被美国模具制造商广泛应用。由于更多的工厂投资这一技术,他确信他们公司的工作量也会越来越大,特别是一些困难的工作。更为重要的是,他认为硬质材料铣削技术是美国模具制造业未来的发展方向。他说:“面临越来越多的模具从低工资的国家进口,目前实在是没有更好的办法可以让模具制造业获得利润。”


    Corey Greenwald先生(上图右边)和Kevin Hunter先生正在检验由Makino V56立式加工中心生产的其中一个模具块。这一模具块(下图)由H13淬硬工具钢制成。在这一加工项目中,采用了一把直径为1.0 mm的球面端铣刀,其长度和直径之比为12:1,这是一种最小的加工工具,采用这一铣刀后,EDM机床的加工量大大减少,而且还为客户省去了抛光加工工艺


    适于在核桃壳内加工的硬质材料铣削技术

    硬质材料铣削技术是高速加工技术的一个分支。高速加工技术的核心是以紧密的步距进行多道轻微切削加工,从而使加工面上只留下极微小的刀具加工痕迹。其目标是为了使加工面大大减少以后的加工要求。对于刀具而言,为了达到有效的切屑负荷,刀具进给速度和主轴速度必须大大提高,以便超过传统加工工艺中应用的正常加工速度,因此将该工艺命名为高速加工。高速进给也使刀具走刀量大大提高,因此加工工件的速度要比采用传统的方法更快。

    硬质材料铣削技术又比高速加工的概念前进了一步。高速轻型切削与高速主轴相结合的方式可有效地切削加工淬硬状态下的钢材,这样可保持材料原有的特性。同时,采用小直径圆头端面铣刀进行紧密步距间隔的高速加工,其所加工的表面光洁度接近手工打磨和抛光的水平。(根据Greenwald先生报告,在必要时采用硬质材料铣削技术,其表面光洁度往往可以达到10~12 rms的水平。)因为钢材是在淬硬的情况下加工的,因此无需后面的热处理、消除应力或磨削等工序。更重要的是,这一工艺也可以代替许多加工费用极高的EDM加工工艺。

    采用硬质材料铣削加工技术的另一优点是可以保证十分精密的公差尺寸(±0.0004in),这一点对于模具加工来说是弥足珍贵的。加工后的模具不需由人工逐点修整。而且,由于加工后达到无需手工修整的程度,模具的几何形状完全与CAD设计模型相吻合。而且模具配合面的加工也达到了无需任何修整的水平。其概念是沿着分型线,一般在模腔一端,精确地稍微加工一点,使其略低于公称尺寸。这样,当模具两半闭合时,可使模具接触面之间留出一点间隙。但该间隙非常小(一般只有0.008in),这样,在注塑时,可以让一部分塑料流出来,不过模具仍然能有效地保持闭合状态。而且,当熔融的塑料注入模具时,这一间隙也可以让空气从缝隙中排除出去,不需要事先通风。角落上今天钢材价格的小接触垫块继续保留这一间隙,否则,闭合面之间就不能互相接触。一般来说,这些配合面之间的干扰问题必须在逐点修整和匹配过程中解决,现在就不存在这一问题了。在模芯和模腔闭合时,因有了这一间隙,消除了表面之间相互影响,因此分型面完全得到了保护,所生产的零件不会出现飞边。


    从刀尖上提高效率

    Greenwald先生说,像任何CNC加工工艺那样,硬质材料铣削加工技术取决于一台高性能的机床、合适的刀具和刀柄系统以及有效的刀具运行程序。然而不像其他的加工工艺那样,这些元素的相互作用存在着比较复杂的动态关系,当然也并非不可逾越,新的用户只要下定决心,不怕困难,就可以改变这种关系和解决问题。

    他指出:“掌握硬质材料铣削技术可能是一种挑战。但有一种方法可以使您的思想围绕这一目标努力。”他说,了解硬质材料铣削技术的方法就是要懂得如何去保护刀具的刀尖。“集中力量,努力使您刀具的刀尖能够安全有效地进行切削。如果理解这一点,那么就能够逆向思维工作,就会理解系统的要求以及它们之间的相互作用。如果能将这一切有条不紊地进行管理,那么端铣刀的刀尖就能与加工的材料融合在一起,自由地进行切削加工。一切其他事项均能按部就班地顺利执行。”他补充说,如果系统中的任何一个部分受到忽视或中断,那么刀具的刀尖就会遭殃,整个工艺就会遭到失败。 

    这一模具的模腔表面完全是在淬硬的状态下进行铣削加工的,其加工后的表面光洁度为12 rms, 无需钳工进一步加工,从而节约了逐点修整配合加工时间。所匹配的型芯也采用硬质材料铣削加工技术。加工后,其型腔一侧的闭合面加工精度达0.0008in。利用这一模具加工,第一次就能生产出很好的零件


    对于从端铣刀着手工作的问题,Greenwald先生列出了应当注意的几项主要因素。

    刀具:Hard Milling Solutions公司一般采用圆头端铣刀进行粗加工、半精加工和精加工。带有两条排屑槽的圆头端铣刀专门用于精加工,在硬质材料铣削加工中,这些精加工用的刀具是非常关键的因素。作为精加工用的圆头端铣刀必须满足两个关键的要求:即刀具必须具有一个近乎完美的半径和实际上毫无瑕疵的切削刃。刀刃的半径精度必须极高,这样,无论是高或低的排屑槽都不会引起金属排屑的不平均状态,以免影响几何形状、降低表面质量和刀具使用寿命,车间内用于精加工的端铣刀,其半径精度至少应达到±5mm(±0.0004in)。偶尔,车间内也使用过0.012in直径的圆头端铣刀,其半径精度为±0.0002in。

    排屑槽的切削刃必定会出现一些微量的切屑、断裂或其他不规则形状。出现这些缺陷说明它们在接触工件时,发生加速磨损现象。这种情况会导致出现比较粗糙的光洁度,缩短刀具的使用寿命。刀具的使用寿命是一个非常关键的因素,因为当机床处于无人化操作时,车间完全依赖于端铣刀能工作到所期望的期限。

    OSG公司(在伊利诺斯州的Glendale Heights)和NS Tool公司(在北美由Single Source技术公司代理分销)一类的供货商可以提供满足上述规格要求的刀具,但其价格要比标准的刀具高得多。使用这一质量等级的刀具是绝对必要的,费用不应成为一个问题。Greenwald先生说:“这些刀具是模具加工的基础,使用它们可以省去模具的抛光工序和对模具的逐点修整工艺,在硬质材料铣削加工工艺中,添置这些刀具是十分重要的投资。”

    刀柄:刀柄可以对端铣刀的半径和刀刃质量起到保护作用。Greenwald先生确信,采用热套安装的刀柄带有HSK接口,可提供最好的保护。采用热套夹紧的方法,其偏置量极低,优于现今任何一种夹紧方法,使刀具的偏心旋转降到最低程度。因为偏置误差会导致刀具一个排屑槽的过量切削,增加那个排屑槽上的切削负荷,从而缩短刀具的使用寿命。

    Hard Milling Solutions公司采用Haimer热套安装系统。按照Greenwald先生的说法,不到一分钟时间就可更换并重新夹紧刀具,然后返回到自动换刀装置。根据他的经验,采用热套夹紧法,可使夹紧偏置精度达到0.0001in以下。

    该公司只购置已经过平衡的HSK刀柄,以防止再进行不必要处理。HSK接口是一种强制性使用的接口,因为与其他锥套夹持方式相比,它更加坚固耐用、精度更高、可更安全地夹紧到主轴上。

    主轴:正如刀柄用于保护端铣刀的刀刃和精密的半径,主轴用于保护刀具和刀柄组件的整体性。当然,主轴的设计还应具有硬质材料铣削加工所需要的高速旋转性能。控制主轴所产生的热量和振动是非常重要的。直接驱动的主轴(不通过齿轮或皮带传动)及其内冷方式专门适用于硬质材料的铣削加工。

    安装于Hard Milling Solusions公司的这两台V56立式加工中心,其主轴都具有上述特性。这两台机床的主轴转速达20,000 r/min。

    机床的结构:在探讨这类机床的主轴问题时可以与机床的整体结构分开讨论,尽管它们都属于机床不可分割的一部分。Greenwald先生说:“毫无疑问,用于硬质材料铣削加工的机床刚性必须要十分刚强。”当然,其整体精度也非常重要。

    该公司机床的热稳定性和刚性要求是专为其应用目的而设计制造的。这类机床的某些结构特点不同于通用型机床,其中包括:

●  配有重型基座和立柱(这类机床的重量超过9072kg)。
●  配有中心冷却主轴。
●  主轴箱中安装线性滚子轴承。
●   双重支承的丝杠。

    Greenwald先生说:“根据我的看法,最重要的是应当尽量降低机床的振动和累积误差,这些因素可能会影响到刀具的切削精度。不管我们所使用的是40 ipm的0.5mm端铣刀还是380 ipm的6mm端铣刀,其精度始终保持在1/10,但系统的变量效应会随之放大,因此对每一因素必须严格控制。”

    这类机床的CNC处理器和侍服系统也是为硬质材料的铣削加工专门设计的。其特点如下:

●  两套RISC处理器,其中一套专用于数据的必要转换,将编好程序的刀具加工路线变成侍服指令。
●  120个程序块的前瞻功能,以避免刀具行程的上冲或下冲。
●  对精确定位控制的高分辨率编码器反馈进行有效的插补。
●  光栅能以50nm增量级反馈。


    编程软件

    然而,一台刚性良好、反应灵敏的机床,其性能取决于NC的编程输入。在硬质材料铣削加工中,Greenwald先生对这方面的知识比较缺乏,但对驱动CNC的刀具运行轨迹则有一定研究。

    他解释说:“问题又回到我们在开始时所探讨的刀尖问题。”

    当加工淬硬的材料时,为了保证安全、精确定位切削,刀具理想的圆角半径和刀刃是很重要的,但还得依赖于机床“平稳的运行”。正因为这个原因,大部分CAM软件都不适于硬质材料的铣削加工。生成刀具运行路线的算法不是专为这种硬质材料铣削加工所设计,因为后者要求按公差平稳、精确地运动,允许模具车间绕开模具制造工艺的全部加工步骤。

    正如Greenwald先生所看到的那样,典型CAM软件的设计可以很快地生成刀具加工线路,因此大部分系统应用可有效生成编码的处理捷径。这种软件对普通的铣削加工非常有用,因为这些捷径不会产生很大的效率。但问题是,据他所说,这一优点在硬质材料铣削加工中变成了缺点。

    他们车间中应用CAM-TOOL作为其编程软件。这一软件由日本人开发,在美国由北美Graphic产品公司发售。该公司设立在安大略省的Windsor地区,其新的总裁名叫Randy Nash。该公司的一名销售和应用软件专家Chris Renaud先生曾与Hard Milling Solutions公司合作,因此他对这种软件的应用十分了解。他说:“Corey先生的车间代表了硬质材料铣削加工方面的需要,特别是模具加工业。”

    按照Renaud先生的说法,这一软件不能创建一个三角形的近似于带轮廓的几何形状表面网眼,因为这些近似值会影响硬质材料铣削加工所需的百万分之一in的精度。相反,这一软件可以根据直接从几何形状所取的各测量点,计算刀具加工路线。他说,实际上这些点可通过数学规定的、最适配这些点的曲线连接起来,然后用直线段将分布于轮廓图网眼中的每一三角形中心点连接起来,然后将它们相互对照。由于所产生的路径是一系列的曲线,因此刀具加工路线中定义的运动在短线段创建的方向上缺乏陡峭的变化。试图让带有微米级反馈分辨率的机床毫不含糊地沿着这些线段运动,一定会产生不良的效果,使加工的刀具处于冒风险的境地。

    按照Renaud先生的想法,对硬质材料铣削加工的有效刀具加工线路还有其他要求。它们必须:

●  控制刀具在切削过程中如何进、退。
●  通过对刀刃与工件材料接触程度的控制,使切屑负荷保持恒定不变。
●  为以后的每一道粗加工或精加工工序提供恒定的库存条件。

    Renaud先生说,用于以加工方式精确分析几何形状的算法是达到这些目标的关键。适于硬质材料铣削的刀具加工路线不能创建与刀具工作能力相反的条件,以便使模具的加工精度和表面光洁度完全与压力机相适应。

 


    切削刀具的一个完整而精确的模型有助于编程软件检查工件中可能存在的碰撞或刨削槽,精确度可达100%,从而实现无人切削


    集中全部优势

    当刀具的刀尖与编程软件的连接链不存在任何薄弱环节时,硬质材料铣削加工技术就能达到预期的可靠目的。正是由于这一原因,无人化操作才变得切实可行。这就是Hard Milling Solutions公司天天所做的实践工作。Greenwald先生说:“我们每台机床,平均每星期工作100h以上,大部分处于无人化操作的情况。”大约90%左右的加工工作完全无人参与。他说:“如果您必须站在机床前工作,那么就说明机床的编程出了问题。”当使用较小的刀具进行试切削时,或加工以前从未碰到过的硬质材料时,他或Hunter先生才会站在机床前密切注视材料的加工情况,从而学习和掌握该系统的工作性能。

    然而,他强调指出,对硬质材料的铣削加工,日常使用的无人化操作模式并不是一个选项或是作为一种奖励。他说,机床几乎24h不停运转的目的是为了支付机床本身的代价,以便健康地回收投资。无人化操作更体现了机床低劳务投入和高产出的目标。而且这一工艺也替代了钳工几百个小时的模具打磨和逐点修整等需要支付高昂劳务费用的工作。

    对于购置模具的客户而言,其好处是显而易见的,因此他们如此迫切地希望硬质材料铣削加工技术应该成为模具制造商必不可少的一项加工工艺。在模具制造工艺中,采用硬质材料铣削加工技术可以取代某些最昂贵和最费时的加工步骤,可消除或大大减少电极铣削、EDM加工、磨削、抛光、在压力机上的逐点修整等工作。由于这一原因,Greenwald先生认为硬质材料铣削加工是一项关系到美国模具车间成败的关键技术。

    它们的存在保证了他的生存,因为他知道还有更多的硬质材料的铣削加工任务等待着他去完成,在他前进的道路上,还有更多不寻常的困难在等待着他。

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