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探讨模具加工的高速切削加工工艺及优化
Date: 2014-03-16    Hits: 537
摘要:高速切削技术已经成为现代模具制造业发展的方向,对模具的加工工艺带来了重大的改变。本文重点研究了高速切削对模具粗糙度的影响,并探讨了适合模具加工的高速切削加工工艺及优化。

近年来,在欧美等发达国家,高速切削加工技术得到了越来越广泛的应用。以模具加工为例,大量的高速切削机床正在逐步取代电加工设备,对模具型腔进行高效的精密加工。目前,在国内的模具制造加工,主要还是以普通机加工和电火花加工为主。工艺繁琐、效率低、周期长,在当今市场上产品更新换代日益加快的趋势下显得愈来愈力不从心。高速切削技术以其高速、高质、能直接加工淬硬钢的特点,在缩短模具制造周期并降低成本方面有着很光明的应用前景。

高速切削技术可以追溯到20世纪30年代德国CarlSalomon博士提出的高速切削理论。与传统切削相比,高速切削具有更高的切削速度和加工效率;并且加工后的表面质量高,可直接加工硬度达50-60HRC的淬硬材料以实现“以切代磨”。对比传统模具加工中的电火花加工,高速切削节省了电极设计加工的过程,加工精度显著提高,大幅度减少甚至取消了钳工的抛光量与打磨配研量,加工效率得到大幅度的提高。有统计证明:对于复杂程度一般的模具,高速切削至少可减少40%的加工周期甚至更多。即使对于一些形状特别复杂(例如带有深槽、窄缝)的模具型腔面,仍需要采用电火花加工,高速铣削也可帮助获得更高质量的电加工石墨电极。

1高速切削中模具表面粗糙度的研究

表面粗糙度是模具表面质量中一个很重要的指标,高速切削对表面粗糙度的影响可以通过实验来完成,实验条件:切削材料为模具钢3Cr2Mo,刀具材料为SG4陶瓷,刀具直径100mm,主偏角75°,轴向前角和径向前角都为0°,单刃。实验通过改变切削速度、进给速度、轴向和径向切削深度来观察对表面粗糙度的影响。

实验结果可以看出:随着切削速度的提高,粗糙度呈减小趋势。在速度达到1000mm/min时,表面粗糙度达到最小值,完全达到磨削的效果。在高速切削过程中,由于切削速度的增加使得刀具与工件的接触挤压时间缩短,工件的塑性变形减少。高的切削速度也不利于积屑瘤的形成,因此能获得较好的表面质量。另一方面主轴的高转速也使得切削时机床的激振频率很高远大于工艺系统的固有频率,减少了发生共振的可能性,有利于提高加工精度和表面质量。实验中切削速度超过1000mm/min后,Ra又出现上升趋势,主要是由于刀具磨削引起的。

相对于切削速度,高速切削中进给速度、轴向切深、径向切深这些参数的增大会使得表面粗糙度呈变大的趋势。因此由实验可以得出结论,实际高速切削选择切削用量时,应选择较高的切削速度,较小的进给速度和切深更有利于提高表面粗糙度。

2模具高速切削加工工艺

2.1切削方式在确定模具加工工艺时要考虑适应高速切削的要求,尽量选用顺铣加工,在顺铣时,刀具刚切入工件产生的切屑厚度为最大,随后逐渐减小。在逆铣时则刚好相反,所以逆铣中刀具与工件的摩擦更大,在刀刃上产生的热量要比在顺铣时来的多,径向力也大为增加,从而降低了刀具的寿命。

2.2进刀方式加工模具时要避免直接垂直向下的进刀方式。采用斜线进刀或者螺旋进刀更适合模具型腔高速加工的需要。斜线进刀方式是逐渐加大轴向切深运动到设定的轴向切深值,铣削力是逐渐加大的,对刀具和主轴的冲击较小,可明显减少下刀崩刃的现象。螺旋式进刀从工件上面开始,螺旋向下切入工件。由于采用的连续加工的方式,可以比较容易的保证加工精度,而且没有速度突变,可以用较高的速度进行加工。

2.3走刀方式高速切削中对刀具的走刀轨迹的设置提出了更高的要求,在高速切削中由于切削速度和进给速度都很快,如果走刀方式不合理,在切削过程中就极容易引起切削负荷的突变,从而给加工带来冲击,破坏加工质量,损伤刀具甚至设备,这种损害要比在普通切削时严重的多。因此,高速切削中应根据不同的加工对象以及形状而选择相应的走刀路径,不能一味追求高速高效。

在模具型腔的加工中,刀具的运动轨迹大部分不是简单的直线而是曲线运动,这时高速运动带来的惯性影响特别要注意。在切削方向发生改变时,使得变化是逐渐而不是突发的。例如在切削模具型腔拐角处时,尽量采用圆弧过渡,使转向变得平稳,同时如果能让你给配合适当降低进给速度,效果更好。这样的设置可以减少对系统的冲击,避免过切造成刀具或工件的损坏。在型腔拐角传统的加工方法中,一般是采用直线切削,接近到拐角处时,运动速度减慢,同时完成进给换向。在这期间刀具的运动是不连续,间歇的过程中会产生大量摩擦和热量;把拐角设置成圆弧过渡后,数控机床的圆弧插补运动是连续过程,就不会产生刀具的间歇运动,从而减少了刀具与工件接触长度和时间,避免因过热影响到模具的表面质量。

高速切削中还要保持刀具轨迹的平稳,避免急剧的速度变化。因为突然的加速或减速都会引成切削厚度的瞬间变化,从而导致切削力变化,使加工变得不平稳,由此使工件加工质量下降。现代很多CAM软件都提供了优化切削速度的功能,因此要根据需要选择适合的切削速度以及加减速的策略,以降低速度变化对加工的影响。

3结束语

采用高速切削于模具型腔加工,可以大大提高模具制造的加工效率,对于国内的模具行业有很好的推广前景。在高速切削实际应用时,不同于传统加工,要根据模具的具体要求和高速切削的特点,选择合理切削参数,结合合适的加工工艺,才能充分发挥出高速切削加工的优势。
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