用PCD和CBN刀具高速干铣削
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即使对于日常使用的简单物品(如牙刷或洗澡用具)设计人员也越来越多地采用难加工的具有任意曲面的三维模具。因而,刀具和模具制造业就不得不面临着对用于钢模电火花加工所必需的电极的设计和制造木断提高的要求。人们经常不用电火花加工的方法而直接通过高速硬铣来加工复杂的三维模具。除了合适的机床和加工工艺外决定性的首先是刀具在硬铣和加工石墨电极时的技术和经济效果。

CAD-CAM一体化设计

Quattroform股份有限公司,在Ettenheim/Baden的精密模具制造厂专门致力于具有复杂的三维几何形状的零件的注塑模的加工。这个企业设计和制造特别是用于多色和多组分注塑的注塑模。设计人员通过软盘或远距离数据传输(ISDN)得到要求的图纸和数据。由此他们从CAD-AM系统上得到所需注塑模的总图和单个零件图。他们以并行工程的形式也越来越多地与用户紧密地合作进行设计和方案制订,以便优化零件性能、钢模加工和注塑过程。
CNC程序通过网络到达车间内的数控系统。需要时,机床操作者可以从服务器中调出程序把它输入机床数控系统的存储器内。如果操作者在机床上对程序进行了优化,那么他便将新的程序通过网络再送回服务器或者工艺和NC编程部门。由此确保始终提供NC程序的现行版本,并可以为所有参与编程和工艺制订的员工使用。

用CBN硬铣

对于洗澡用具来说,Ettenheim的设计人员和模具制造者开发了钢制模具。它几乎完全是硬加工而成的。只有铣刀无法到达的、带有小的过渡圆角的部分还用电火花加工。铣削后只需略作手工抛光,以便产生铮亮的表面。这里硬铣首先具有精度高的优点。
为了确保在注塑时或轻金属压铸时模具在分型面处保持密封,在加工以后这一部位的精度必须高于0.01mm。在尺寸较小的注塑模中精度必须保持在5µm至3µm范围内。这只有用硬铣才能达到。
这种方法还有这样的优点,即在铣削时直接形成硬的、封闭表面。取消了为去除因电火花加工后形成的所谓软化层所进行的昂贵的、大多是手工的后续加工。
用带有立方氮化硼(CBN)刀片的铣刀精加工钢模。图2中所示的铣刀加工碎硬的铸钢时,能在切削速度为600m/min,单齿进给量高达0.2mm的条件下精加工。因此,模具制造者推荐可用比普通刀具高的切削速度和单齿进给量进行加工。经验表明这样将达到更长的使用寿命和更好的表面质量。因为CBN刀片易崩裂,必须尽可能选择连续的。不中断的切削的铣削方案。在精铣和硬铣大表面三维形面时,一般是很容易实现的。

图1硬铣过的淋浴器喷嘴柄钢模

图2 用于模具和工具制造的带PCD和CBN镀层的铣刀

图3 Mikron公司用于硬铣石墨及铜电极加工的HSM700高速切削铣床
Lahr公司的CBN刀具可以提供直径3mm至32mm的环面和球头铣刀。直径12mm以下的圆柱形刀柄由硬质合金制成。这在高速铣削时特别合适,因为一方面硬质合金吸振性好,另一方面在撞刀时刀具脆性断裂,减小刀具碎片四处飞射的危险。
小直径环面铣刀特别适合于铣削窄而深的沟槽和小的圆角。对于高的表面质量和安全的铣削来说,起决定性作用的是短的悬伸长度和装夹在精细平衡过的刀杆内(HSK-E)。铣刀安装在液压拉紧或热收缩夹头内。这在径向跳动精度很高的情况下能可靠地传递大的扭矩。

用聚晶金刚石铣削石墨零件

Ettenheim的模具制造厂利用相同尺寸的带有聚晶金刚石(PCD)刀片的刀具铣削石墨电极。用硬质合金刀具铣削石墨时,在短时间内或者在较短的切削行程以后,刀刃就已经严重磨损。因此,在铣削一批20件石墨电极时必须较早地并要经常地更换铣刀。另外,由于刀具切削刃的磨损会导致超过0.01mm的形状误差和几何误差。
因此,许多工艺专家用 PCD铣刀在瑞士 Mikron Nidau公司生产的高速切削铣床上铣削石墨电极。采用PCD铣刀的主要原因是聚晶金刚石刀具在铣削石墨时有很高的耐磨性。因此,现在可以不用换刀就能一次加工20件牙刷电极。其中由于刀刃磨损所引起的形状和几何误差保持在小于0.01mm的范围内。
与硬质合金刀具相比,PCD铣刀可以达到10倍的使用寿命。与目前常用的实体硬质合金的铣刀相比减少5至7次换刀。加工时间只有目前的三分之一至四分之一。可以在700m/min的切削速度和0.2mm至0.25mm单齿进给量的情况下精铣石墨电极。高速切削铣床精铣一个电极需要约25分钟。
机床具备一个带PC的数控系统。10M字节的贮存容量可以贮存很多任意曲面的NC程序。只有1ms的语句更换时间使得有可能在很高的进给速度时铣削。通过计算机操作系统,数控系统可以通过企业内部网络与其他计算机直接交换数据。标准化的工件安装和在交换工作台上的多工件夹紧有利于缩短辅助时间和准备时间。
尽管PCD刀具费用较高,Ettenheim的模具制造厂用这种刀具加工还是比较经济。可以取消硬质合金刀具的刃磨和与此有关的场地费用。PCD刀刃非常锋利,也就是说没有刀棱圆角。这使得精加工可以达到所要求的小于0.01mm的尺寸和几何形状精度,而不需要费用高昂的后续手工加工,通过采用PCD和CBN刀具加工时间总共可以降低到目前的三分之一至四分之一。
本文作者:孙季初(编译)
原载:《世界制造技术与装备市场(WMEM)》2002年10月号
上载于:2004-3-11 20:04:07

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