现代模具制造水平－－高速铣削方法

顺风

作为现代产品生产的关键工装——模具的设计与生产周期、产品精度和使用寿命，也日益成为企业的新产品开发周期是否具有优势的决定因素。所以中国的模具制造业迎来的是良好的发展机遇，同时也面临着巨大的挑战。 现代模具制造水平的高低、周期的长短取决于多方面技术的支持，主要包括模具的工艺设计、直接影响模具设计和制造水准的软件、模具制造的设备、加工模具的切削刀具、模具的最后精修工艺、备件配件的标准化和通用化、直至模具设计制造工程技术人员的技能水平等诸多方面。本文关注的是模具的加工效率，将从刀具选用和切削工艺选择方面做一些探讨。
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图1  高速铣削方法
; L1 Y2 l: [, C加工特征：采用小的径向切削深度（啮合量）ae（降低切削热产生）；采用小的平均断屑厚度切削hm（降低切削热产生）；采用小的轴向切削深度（余量）ap（降低切削热产生）；采用更耐磨的硬质合金刀片材质等级（因为红硬性好的硬质合金刀片材质等级在高的线速度下以及工件硬度高但线速度相同时，具有更好的刀具寿命）；尽量采用比较锋利的切削刃和槽型设计；采用加冷却液的加工方法使其及时带走因高速切削而产生的大量切削热。（可能因此影响刀具寿命，但是综合经济性反而提高）。
用此方法带来的优点是：大大减少后续抛光所需时间，减少（甚至取消）电火花加工所需时间，缩短3D造型所需时间，节省加工辅助材料的无畏消耗，良好的质量和表面粗糙度Ra，避免或延缓变形，生产效率高，切削热量产生低，从而减少对工件质量的影响。
用此方法需要注意的事项：对编程要求提高，不过随着软件的发展会愈来愈没问题；对操作人员素质要求提高；由于工艺新颖，需要时间学习、优化；必须确保万无一失（新的软件仿真、模拟技术提供强大支援）；适用于计划性良好和有足够利润的中高端产品； 要求系统的同轴度好，刀具径向跳动量小。
大量的试验结果表明：刀具每增加约10 μm的径向跳动量，其使用寿命就会出现20%~50%的下降。适用于高速铣削的刀具夹持产品有热胀式刀柄、D型精密夹头刀柄和液压刀柄。
热胀式刀柄的最高转速为45000 r/min。D型精密弹簧夹头刀柄的最高转速为100 000r/min。HSK-A63型液压刀柄的转速上限为40 000 r/min，3倍刀具直径处的径向跳动量为3μm。



图2  摆线铣削方法
“剥皮”铣削方法
, ?" ]5 _5 M  }+ F" c0 Z加工特征：采用较小的径向切削深度（啮合量），较大或大的轴向切削深度，高切削线速度，螺旋切削刃设计要求，不仅起到粗加工的效果，还可以省却半精加工过程。“摆线”铣削方法是与“剥皮”铣削方法类似的一种加工方法。它通过降低切削径向深度（啮合量）arc，减少切削热的产生和积聚。采用小的切削径向深度（啮合量），采用实际较大的铣削摆动直径。由于刀具切削过程中切削热有效分散，刃口得到充分冷却所以允许采用比常规方法更大的轴向切削深度或更高切削线速度。
; G0 a; ]( S1 h" C高进给铣削方法



0 t' `9 l: _2 i7 v" p图3  高进给铣刀与圆刀片铣刀相比较
其加工特征为：采用较小的轴向切削深度，采用非常高的每齿进给量，采用较高的切削线速度。不仅起到粗加工的效果，还可以省却半精加工过程。在预硬模具钢或难加工模具钢零件加工中，如果采用山高的F15M刀片材质等级结合这种高进给铣削工艺，加工效果会特别好。
耐磨焊条1.采用高进给铣削的优点
& `$ P' A! U/ _" _' [( `0 k; V（1）尽管采用较小的轴向切削深度，似乎加工效率还不如用传统圆刀片，但实际上由于采用了比传统大得多的每齿进给量（尤其是当加工大悬伸深模腔时传统圆刀片铣刀轴向切深往往也不大），所以实际金属切除率明显提高。
0 C7 G8 L# f* y# V. U（2）切削力方向以轴向力为主，有利刀具切削刚性提高，尤其当加工大悬伸深模腔时，表现优于传统圆刀片铣刀。
目前模具粗开型腔普遍使用的是圆刀片铣刀（俗称牛鼻刀），圆刀片铣刀刀片的直径基本采用的是10mm或12mm的，为了确保粗加工后的粗糙度不至于很差，走刀量一般不大于0.3mm/齿，而山高刀具采用标准凸三角弧形刀片设计的高进给铣刀系列（R220/217.21）进给量可达0.5~1.5mm/齿。尽管轴向切深一般只控制在0.6mm以下，但就以加工钢件模具为例，实际金属切除率可高达700cm3/min，加工时间比常规圆刀片铣刀节省2/3。不仅如此，由于这种铣刀比圆刀片铣刀有更低的径向切削分力，所以即使刀杆比较长也不至于产生明显的切削振动，刀片使用寿命得到提高。
2.加工案例
2 h. l% F! V0 e% w- N' k工件名称：扳手手柄模具型腔，预硬模具钢HRC56，山高第7组材料
- J+ I. K/ K! F# \7 ~  a, B3 y  P刀杆型号：MM10-10045.0-007（Ф 10 mm）
刀片型号：MM10-10.50-HF-MD08, F15M  
; V. U; u/ V) N9 u- h  u) u& R% ^5 B切削参数： Vc = 200 m/min          N = 6350 r/min
& s' V, t# {& i' W$ K8 Dfz = 0.50 mm/齿   
Vf = 6350 mm/min
* ]' W" L$ Z6 Kap = 0.5 mm
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# K" c% U) K2 B  sae = 75%
插铣铣削方法


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图4  插铣铣削方法
其加工特征如下：这种方法主要适用于大长径比的加工或机床刚性差的工况；采用常规的切削线速度；不同工件材料均适用的一种加工选择；常用作深腔模具及复杂模具的粗加工，金属去除率很高，表现出难以匹敌的高效率。
5 M$ ^& Z4 l* Z随着机床Z轴进给功能的日趋普及和完善，插铣方法和插铣刀应用越来越多，尤其在模具加工中经常遇有深型腔和深凸模等刀具不得不采用大长径比的工况。对于这样的加工，如采用传统的圆刀片铣刀进行等高线铣削或仿形铣削，为避免切削振动只能采用较小的切削深度、小进给量、有效切削刃数量少的低效率加工方法；而改用插铣的方法，由于切削力基本上完全沿主轴方向，所以刀具刚性极佳，切削效率比传统方法至少提高2~3倍，刀片使用寿命也明显改善。
以上介绍了应用于模具铣削加工的现代铣削方法，但需要在实际应用中结合模具自身的特点组合应用，有利于提高加工效率，为降低加工成本打下扎实的基础。当模具制造的各个方面都取得长足的进步后，我国将变成模具制造的强国。