模具加工中的硬铣
<p> 目前，硬铣加工已在工具、模具制造业的较大范围内获得应用，工具和模具制造企业面对日益加大的竞争压力，应通过采用快速和柔性的加工工艺来应对。大多数情况下，这种竞争压力并非是加工时间本身。因为加工时间是可以通过采用现代化机床和铣刀技术来缩短的。而问题却在于安排在前面和中间的工艺过程，例如淬火，淬火处理需要很多时间，而且会增多物料的后勤工作，这在模具制造时会延长生产时间。通过各种不同的实验表明，经过硬铣的工件表面可以大大减少人工修磨，也就是可以减少例如抛光这样的作业。这样的效果，主要在于硬铣可以获得比磨削加工更均匀的微观几何表面，此外，硬铣时还不会出现表面层的热影响，而这种表面层热影响，在电火花加工中被称之为“白色表层”，且这种白色表层必须通过人工的修磨才来去除。</p><p> 硬加工粉末冶金制造的工具钢时，对机床和铣刀有特殊的要求，对模具(57HRC)进行硬精铣表明，与模具制造业中的传统生产工艺流程相比，硬铣具有很大的应用潜力。所以对于本文开头所述硬铣的应用增长20%是完全可以实现的。尽管如此，也不是所有的情况采用硬铣都是可行的或是有效果的。因为所有的加工都存在着是否经济的问题。如果加工高强度特殊材料，加工花纹图案和极小的零件或是几何形状特别复杂的零件。即使在今天，对于可以采用的加工工艺还是有一定的适用范围。因此，本文根据当前一些实例对目前硬铣的可行性、当今开发的重点和其今后的发展前景作一概述。</p>
<p> 愈来愈小的模具——不断小型化的发展趋势</p>
<p> 如今，压铸件上狭小和微小的模腔数量明显在增多，要是同整个微型系统的技术产品加在一起来看，这种小型模具加工则是一个强劲增长的领域。此外，由于模具对精度和表面质量要求极高，这是一种精密的壁龛产品。如果采用有效的加工工艺来加工这类产品，那么对于德国和欧洲的企业来说，恰恰是在未来提供了一个很大的潜在市场。基于某些基本的考虑，硬铣工艺对于制造微型结构的模具来说，有着很大的优势。仅仅一个事实是，构件可以在一次装夹下完成加工，从而显著提高加工精度。按这种加工方式，可明显减少为了工件换夹所需附加的加工余量。由于机床领域的新发展，在当今即使加工大型模腔，可以可靠地保持小于±0.01mm的公差。对于特殊的应用情况，机床也能较好地确保1μm的精度。在今天，直径为0.1mm的硬质合金铣刀已列入产品目录，个别也有更小直径的产品。对于淬硬材料的加工，当然是采用涂层刀具，这已经通过很多实验得到了确认。</p>
<p> 如果加工深的槽，就需采用小直径的刀具，这样，铣削加工与电火花加工骤然发生了竞争。在这种情况下，在典型的模具制造中，大多数情况都会因为有利因素使得企业决定采用铣削替代电火花加工。但是，小型模腔铣削的优点首先在于可获得较好的表面质量和简化的生产工艺流程。这对于小型模具的加工显然是非常有益的。</p>
<p> 高硬度工具钢——粉末冶金工具钢的加工</p>
<p> 通过粉末冶金制造的工具钢，由于其良好的性能，可明显提高热硬度、耐磨性和韧性。这些是作为工具钢使用的重要性能，然而在加工时这些特性则往往会导致刀具耐用度的很快降低和不好的加工效果。Fraunhofer生产技术研究所曾采用由精细颗粒硬质合金的涂层刀具进行切削实验。粉末冶金的细密组织是使硬铣产生一系列变化的原因。碳化物细密的分布之优点是，在铣削时不会像加工传统材料中粗大和条状分布的碳化物，而使切削刃突然加重负载。在切削传统的冶炼冷作工具钢时，粗大和条状碳化物常常会导致严重的崩刃，由此使刀具过早的损坏。在加工粉末冶金的材质时，由于大量的碳化物而产生磨粒磨损和强烈的粘结，从而加快了刀具磨损。这也是为什么铣刀(特别在精加工时)耐用度迅速降低的原因。</p>
<p> 此外，材料的韧性会造成切屑对刀具切削刃的粘结，而这种粘结通过周期性的切屑滑离也会明显增加切削振动。此外，如果刀具的几何角度不合适，还会加剧成形毛刺。特别是在采用很小的刀具加工槽时，这被证明是进行可靠加工的很大障碍。</p>
<p> 总的来说，在粗加工时，粉末冶金工具钢与传统冶炼的工具钢相比，具有良好的切削性能。如果采用较小的切削厚度，这也许是在精加工或是在用极小直径的刀具进行加工时所采用的切削用量，加工时将加剧磨粒磨损，显然这样便抵消了材料良好切削性能所带来的优点。</p>
<p> 5轴加工或还只是“3+2”？</p>
<p> 有关采用5轴联动控制的机床来加工模具型腔所具有的很多优点，早在上世纪九十年代初已进行过介绍并为人们所认识。5轴加工首先是要求较宽的行距，悬伸长度短而刚性高的铣刀，几乎可以加工任意几何形状的模具，并具有显著稳定的工艺过程。但环顾当今的众多模具企业，发现只是在个别情况下才能看到真正的5轴联动加工。是不是在许多场合下，可使用的机床设备大多数是3轴或最多是采用添加第4个轴或第5个轴来进行加工。</p>
<p> 就铣削工艺未来应用潜力对企业所进行的调查表明,采用高速铣和硬铣削是发展的趋势</p>
<p> 事实上，因为5轴联动加工的编程比较费事，且在许多情况下没有足够的技术诀窍，这样，在通盘考虑时便会局限于其经济性，致使3轴加工看来仍是比较合适的。此外，至今还没有成熟的CAM战略，使得5轴联动硬铣加工成为企业合理得选择。而这种5轴联动硬铣特别适合于粗加工和半精加工，在加工时，保持刀具恒定的切削条件和负载条件具有特别重要的意义。</p>
<p> 但是，在对一些企业进行考察时，发现了一个令人感兴趣的前景：目前涡轮叶片(特别是所谓的整体叶片毛坯，即一种整体叶轮)就是针对类似的边缘条件进行开发的。因此，在不久的将来，必须着手研究和开发模具加工工艺，进一步减少编程费用，即使只是加工一个模具型腔，也要改善其加工的经济性。</p>
<p> 这里所述的内容，也是由欧洲委员会推动和为期2年的“Hard Precision”项目的目标之一。这个项目已于2005年12月份在Fraunhofer生产技术研究所正式启动。为开展这项目，由包括来自全欧洲的研究所，机床制造厂和CAM软件公司，刀具生产厂和涂层公司，测量设备和夹具制造厂以及工具和模具的不同行业的最终用户组成临时性联合组织，以进行广泛合作。目标是成功地使5轴硬铣能用来既经济又精密地加工淬硬的工具和模具。要实现这一目标，除了采用新颖的全流体静压支承的机床外，还要重视研究硬铣的整个加工工艺流程，只有这样，才能实现确定的目标。</p>
<p> 为了减少磨损，用来进行硬铣的极细小的铣刀应进行涂层。</p>
<p> 硬铣作为加工工艺流程的一部分</p>
<p> 通过采用新的机床、新的控制系统和改进的工艺技术，以使硬铣这样的单个加工工艺更加具有综合性，而通过合适的生产规划，NC编程和在企业的生产工艺流程中集成铣削，使企业获得更强的竞争优势。</p>
<p> 在生产中，采用的工件材料不仅种类多，工具和模具的品种也很繁多，这导致运用工艺优化设计的工艺知识也愈来愈复杂。当今，CAM系统通过储存参数和刀具数据的数据库可以帮助这种决策。正确选择NC编程的铣削战略，对加工的质量和经济性有很大影响。因此，恰恰在对于工艺设计时采用硬铣加工时，必须给予特别重视——考虑所要求的构件特征是与考虑刀具和机床上所承受的负载是一样的。如果考虑到了这些边缘条件，那么硬铣加工的应用还将有进一步增长的可能，即使是加工狭槽，硬铣工艺也将获得推广应用。</p>
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