分析模具高速精加工能力的工艺方案

小黄豆

模具的高速精加工依靠如今的机床主轴转速能力是部分可行的。不管使用的设备是小型立式加工中心还是最新的大型卧式加工中心，现在的主轴能很容易地达到10000r/min的转速。这种速度很容易被今天的刀具安全夹持方式所承受，这些夹持方式包括精密弹簧夹头或热胀刀柄、机械或液压夹头。一个同等重要的模具高速精加工概念是刀具的高进给率。与更高的转速结合在一起，在获得良好表面光洁度所需的小切深和小步距条件下，高进给率产生极佳的加工结果。目前，可应用于淬硬至55hrc的模具高速铣的山高公司刀具能正常地以1200mm/min的进给量进行加工，使用pvd涂层的细颗粒硬质合金刀片可获得ra0.63μm的光洁度。轴向和径向切深分别为0.05mm和0.25mm。
; h3 C4 q0 B( _　　刀具选项阵列
　　为迎合大多数模具加工的要求（包括高速精加工），山高推出了一种通用的分体式可转位铣刀新包装。这种分体式铣刀包括价格适中的钢制刀杆和螺纹旋入的各种型式的切削刀头。提供标准设计的用于粗加工和半精仿形加工的球头刀头和一种用于大切深或侧面铣削的玉米刃型式球头刀头。后面这种设计，刀头上的周边刀片排列成螺旋刃形式，粗加工时可对宽模具材料提供平稳、避振的切削。山高的这种设计还在标准的刀杆式球头立铣刀扩充系列里提供。在新的分体铣刀系列里，还提供针对直壁零件高效高速精加工的120°球头和能用于高金属切除率仿形粗加工的纽扣型刀头。
4 H, E2 m$ w+ _! A( z# U1 [　　为了完善模具刀具的系列，山高提供小直径球头立铣刀（10～16mm），特别设计用于高速精加工，它是受欢迎的“小魔王”模块化立铣刀系统的一部分。这些刀具容易组装，通过简单地把精密磨削的硬质合金刀片旋入一种可重复使用且价格适中的钢制刀杆中即可。
" l3 U' W8 ]2 j2 C8 q; d/ H; |　　直壁零件的高效高速精加工
" D, I, ~7 N* m　　迄今，直壁零件已成为模具高速精铣生产的绊脚石。在每一次向下撞击后，传统的90°球头立铣刀通常使得加工的那些零件缩回，中断了加工循环并使刀具受摩擦影响而引起刀片磨损。山高对于这个问题已有解决方案，在刀杆和刀片背部前延伸一个120°切削刃的切削头。这种设计的刀具使得背部的切削刃与正面的切削刃一样能进行切削，允许在一系列连续下行和上行中切除金属。这不仅提供了一个不间断和更快的加工循环，还消除了刀具摩擦和由此引起的刀片磨损，从而获得更长的刀具寿命和更好的表面光洁度。
　　针对大金属切除率的钮扣式立铣刀
　　在模具加工里的术语“高速加工”实际上意味着两个不同的方面。首先，它意味着在很高主轴转速和超高进给率的精加工中保证加工表面光洁度好到足以明显减少甚至消除在钳工台上的辅助手工精加工。另外，这个术语还指在加速的金属切除率下进行重载粗加工。
　　在这个意义上，所谓的“钮扣”立铣刀作为一种重要的新刀具已经出现。这种立铣刀的典型特征是很厚的、有山高专利设计可提供极佳强度和安全性的集成刀垫的圆刀片。组合特殊的正角槽形，它们能承受很高的金属切除率。
　　在山高用于模具加工的分体式铣刀里，提供能用于仿形粗加工的钮扣刀头，在加工深的封闭型腔时，其金属切除率是传统球头铣刀的四倍。山高已经开发了这些刀具作为封闭型腔粗加工的一个选择（有这样的目标去延伸其使用范围，但不是定义）。对传统球头立铣刀满意的工具制造者可继续使用原来的刀具。但是更多的积极进取的工厂可能想要考虑用于重粗加工的钮扣式立铣刀带来的好处。在封闭型腔加工时，它们不仅能更高效地切除金属，通常还能提供比球头铣刀更长的寿命，这是因为有时在球头铣刀的应用里有严重的摩擦。
　　针对淬硬材料的锋利切削刃
　　所有山高小魔王模具刀具采用pvd涂层的细颗粒硬质合金可转位刀片，它有精密磨削过的两个有效切削刃。这些刀片的一个显著特性是它们超锋利的切削刃——这体现了一种不同于传统上认为在很高进给率下需要用超强切削刃抵抗淬硬材料观点的创新思想。
　　在研发这些刀片时，山高把重点放在高生产率下获得良好表面光洁度所需的高速高进给的自由切削槽形。在小的轴向切深和极小的径向切深使得步距最小化，锋利的切削刃对穿透淬硬工件材料和直接利用自由切削是必须的。正是这种槽形使得提供高生产率、可靠的刀具性能和良好的刀具寿命成为可能。山高还提供用于淬硬模具钢高速粗加工和精加工的镶焊pcbn的小魔王球头立铣刀。这里主轴必须倾斜30度以防止在刀鼻处的零速度。
0 ]' ?7 h" t) f  O　　其它的发展和思考
$ Y/ ]+ ~( n8 z4 M9 Y　　除了刀具的发展，许多其它的发展支持模具加工生产率的新水准。一个例子是cnc卧式加工中心，它正迅速替换用于模具和航空工业的传统立式cnc加工中心。卧式加工中心的主要好处是允许自然排屑，大大减少封闭型腔加工的切屑再切削问题。
- e9 |. H5 ^: F( K& I0 r6 Z　　另一个技术发展允许提高球头立铣刀的性能。这是一种首先由欧洲推出的调整技术，因为考虑到刀片中心的零切削速度引起的摩擦。为了消除摩擦和由此引起的光洁度变差及刀片快速磨损，一种应用日益增多的操作是把机床主轴倾斜30度，使得刀鼻处移至一个有效切削直径而获得有效的切削。
, c% J( C6 G4 \: J1 m1 u! a8 I　　还有其它的技术发展，为了在模具生产中减少对粗加工的需求，计算机生成接近最终外形的铸件正在欧洲被广泛使用。虽然竞争压力肯定不可避免地在世界范围内延伸这个技术，但在美国和加拿大的模具工厂几乎持续排外主义地用整体硬质合金刀具加工他们的模具。对于现在，那比给予对粗加工刀具的创新更重要，如玉米刃、球头和钮扣式立铣刀能以更高的进给率切除淬硬材料。
　　对于模具加工里所有的高速应用，注意力也一定要有一些更远的考虑。例如必须牢记高速主轴在提高切削速度的同时允许进给率大幅提高。这使得小直径刀具既能用于粗加工也能用于精加工成为可能，在同样的时间获得相同或更好的生产率，同时允许以更接近的近似值来得到最终外形。基于选择正确的刀杆设计，刀具平衡还对于防止过量的振动和由此的能对刀具寿命、表面光洁度、尺寸精度甚至是主轴寿命有不良影响的刀具跳动是重要的。
2 @) @3 @( x0 \, A, ^8 Y$ J2 h9 N# k& K( u　　还有其他关于cnc机床的考虑。为了在很高的速度和进给量下有效加工模具的复杂雕刻表面，使用的机床应该是有“前瞻”功能的cnc。这是在正执行的运动之前扫描100到120行机床将要执行的程序块的能力，其结果是控制能对刀具轨迹和角度变换得出优化的进给率。用这个方式，机床能在加工复杂表面时维持高速和高精度，可能除了那些深型腔和复杂的外形。
　　前瞻
: a$ d' @( t4 g( J  |# l　　什么是将来的发展方向？一个确定的事情是更高的切削速度。主轴转速在60000～80000r/min之间的几种加工中心模型不久将推出，驱动马达的功率在100马力以上（约略的估计是1马力一定至少提供主轴转速1000rpm。）不用说，这些快速有力的机床将对机床制造商在很多领域安置新的需求，包括安全性（经常被忽视的）。当前，取决于刀具的直径，例如山高小魔王系列的球头立铣刀能安全地运行在切削速度高到大约3600m/min。但是这是一个可能不被很多其它的小直径刀具匹配的标准，尤其是那些中心锁紧螺钉或用于刀片固定的压块设计。虽然你的机床可能具备高速加工能力，但你不能自动地假定你的刀具也具备这样的能力。确信这一点是重要的。