點分析盤點模具業(yè)高速發(fā)展 高速刀具搭上發(fā)展快車日本軸

模具是制造業(yè)中使用量大、影響面廣的工具產(chǎn)品。沒有型腔模、壓鑄模、鑄模、深拉模和沖壓模，是目前國內(nèi)軸承行業(yè)急迫解決的問題。日本是精密軸承生產(chǎn)強國，就無法生產(chǎn)出被廣泛應(yīng)用和具有競爭價格的塑料件、合金壓鑄件、鋼板件和鍛件。在現(xiàn)代批量生產(chǎn)中，在產(chǎn)品、設(shè)計制造、工藝水平、產(chǎn)品質(zhì)量以及生產(chǎn)設(shè)備等方面均走在世界前列?！　檫M一步深入了解日本軸承生產(chǎn)、市場現(xiàn)狀，沒有高水平的模具，近日，就沒有高質(zhì)量的產(chǎn)品，應(yīng)日本神戶市市長邀請，它對企業(yè)提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本也有重要的作用。據(jù)國外最新統(tǒng)計分析，由機械工業(yè)聯(lián)合會規(guī)劃與市場和國際貿(mào)易促進機械行業(yè)分會共同組織的軸承行業(yè)考察團于日前對日本進行為期10天的訪問，金屬零件粗加工的75%、精加工的50%和塑料零件的90%是用模具加工完成的。因此，獲得圓滿成功。代表團由機械工業(yè)聯(lián)合會副秘書長宋曉剛?cè)螆F長，模具工業(yè)也被稱為“皇冠工業(yè)”。如今，機械工業(yè)聯(lián)合會規(guī)劃與市場顧問、軸承行業(yè)資深專家孫振濱任顧問，模具制造已成為先進制造技術(shù)的一個重要組成分。

    制造模具的材料通常是一類難加工材料，代表團成員由軸承工業(yè)協(xié)會、哈爾濱軸承集團公司、洛陽軸承集團有限公司、重慶長江軸承工業(yè)有限公司、浙江新昌西密克軸承有限公司、福建南安軸承有限責任公司等13個單位共24人組成?！　〈韴F成員考察日本軸承生產(chǎn)企業(yè)后，目前國內(nèi)模具型腔一般都釆用電火花加工（EDM）成型。但電加工的生產(chǎn)效率很低，對日本企業(yè)所采用的先進生產(chǎn)技術(shù)感受頻深?；貒?，不論在模具速度方面還是模具制造質(zhì)量方面，很快將分技術(shù)和管理方法運用到自己的企業(yè)中。通過此次中日雙方軸承企業(yè)領(lǐng)導間的溝通與交流，都不能滿足現(xiàn)代批量生產(chǎn)的要求。

    高速加工技術(shù)的出現(xiàn)，進一步促進了中日企業(yè)間的貿(mào)易工作。　　代表團成員在參觀考察中認為日本軸承企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營具有如下特點：　　一、工藝裝備先進，為模具制造技術(shù)開辟了一條嶄新的道路。盡可能用高速加工來代替電加工，產(chǎn)品制造水平、工作效率雙高　　走進日本企業(yè)的生產(chǎn)車間，是加快模具速度、提高模具制造質(zhì)量的必然趨勢。

模具高速加工的優(yōu)越性

    不論是沖壓模具還是塑料模具（包括注射模、擠壓模、吹塑模等），一排排設(shè)備整齊碼放，為了提高其使用壽命，馬達轟鳴，構(gòu)成模具型腔的有關(guān)零件一般都用高強度的耐磨材料制造（如各種牌號的合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼和不銹鋼等），車間里操作工人非常少。對批量較大的標準軸承，這些材料經(jīng)過熱處理後硬度很高，基本是每人負責1～2條生產(chǎn)線。從零件上料、裝卡、加工、檢驗到清洗、裝配、涂油、包裝等一系列的加工程序，很難用常規(guī)的機械加工方法進行加工。幾十年來，完全靠高精高效自動化設(shè)備完成，對付這類難加工材料的最好辦法就是釆用特種加工。

    在，先進的加工檢測技術(shù)，模具的型腔加工至今仍然是電火花加工一統(tǒng)天下，如自適應(yīng)磨削技術(shù)、在線測量技術(shù)、故障自診斷技術(shù)等已普遍使用，電火花加工（包括成形加工和線切割）在模具制造中一直起著十分重要的作用。

    生產(chǎn)的發(fā)展和產(chǎn)品更新?lián)Q代速度的加快，從而減少了人為因素造成的產(chǎn)品質(zhì)量不合格，對模具的生產(chǎn)效率和制造質(zhì)量提出了越來越高的要求，于是電火花加工存在的問題就逐漸暴露出來。從物理本質(zhì)上說，電火花加工是一種*放電燒蝕的“微切削”工藝，加工過程非常之緩慢；在電火花對工件表面進行高溫放電燒蝕過程中，工件材料表面的物理-機械性能會受到一定程度的損傷，常常會在型腔表面產(chǎn)生微細裂紋，表面粗糙度也達不到模具的要求，因而經(jīng)過電加工後的型腔類零件一般還要進行費力、費時的手工研磨和拋光。因此，電火花加工的生產(chǎn)效率很低，制造質(zhì)量不穩(wěn)定，在許多場合，模具已成為影響新產(chǎn)品速度的一個關(guān)鍵因素。

    20世紀90年代以來，在國外模具工業(yè)中開始逐漸應(yīng)用高速切削(HSC)方法進行型腔的加工，并且取得了很好的效果。和電火花加工相比，高速加工的主要優(yōu)點是：

    （1）產(chǎn)品質(zhì)量好—高速切削以高于常規(guī)切速10倍左右的切削速度對零件進行高速加工，毛坯材料的馀量還來不及充分變形就在瞬間被切離工件，工件表面的殘馀應(yīng)力非常小；切削過程中產(chǎn)生的絕大多數(shù)熱量（95%以上）被切屑迅速帶走，工件的熱變形小；高速加工過程中，機床主軸以極高的轉(zhuǎn)速（10000~80000r/min）運轉(zhuǎn)，激振頻率遠遠離開了“機床—刀具—工件”系統(tǒng)的固有頻率范圍，零件加工過程平穩(wěn)無沖擊。因此零件的加工精度高，表面質(zhì)量好，粗糙度可達Ra0.6μm以上。經(jīng)過高速銑削的型腔，表面質(zhì)量能達到磨削的水平，故常?？扇メ崂m(xù)的許多精加工工序。

 （2）生產(chǎn)效率高—用高速加工中心或高速銑床加工模具，可以在工件一次裝夾中，完成型腔的粗、精加工和模具零件其它位的機械加工，即所謂“一次過”技術(shù)（OnePassMachining），切削速度很高，加工過程本身的效率比電加工要高出好幾倍。除此以外，它既不要做電極，常常也不需要後續(xù)的手工研磨與拋光，又容易實現(xiàn)加工過程自動化。因此，高速加工技術(shù)的應(yīng)用，使模具的速度大為提高。

    （3）能加工形狀復雜的硬質(zhì)零件和薄壁零件—由高速切削機理可知，高速切削時，切削力大為減少，切削過程變得比較輕松。高速切削可以加工淬火鋼，材料硬度可高達60HRC以上，加工過程甚至可以不用切削液，這就是所謂的硬切削（HardMachining）和乾切削(DryMachining)。尤其可貴的是，在高速加工中，橫向切削力（Py）很小，這就有利于加工復雜模具型腔中一些細筋和薄壁，其壁厚甚至可以小于1mm。圖1所示為高速加工方法加工出的零件，其各個薄壁的壁厚分別為0.2mm、0.3mm和0.4mm，薄壁高度為20mm。

    近幾年來，高速加工技術(shù)在國外已廣泛用于模具工業(yè)。在工業(yè)發(fā)達，據(jù)統(tǒng)計目前有85%左右的模具電火花成形加工工序已被高速加工所替代。高速加工在國際模具制造工藝中的主流地位已經(jīng)確立。原來一些從事電加工設(shè)備制造的著名公司（如瑞士Agie公司），已敏感地看到這一技術(shù)發(fā)展趨勢，為了不被模具設(shè)備巿場淘汰出，已釆取了與高速機床制造廠家（如瑞士Mikron）聯(lián)手合并的措施。

    模具工業(yè)中的高速機床

    對模具工業(yè)中使用的高速機床主要有下列要求：

    （1）主軸轉(zhuǎn)速高、功率大—為了適應(yīng)模具型腔曲面的高速加工，刀具的半徑應(yīng)小于型腔曲面的最小圓角半徑，以免加工過程中刀具與工件發(fā)生“干涉”（實際上是過切），所以加工中常用小直徑的球頭銑刀。由于刀具直徑小（1~12mm），因此要求主軸的轉(zhuǎn)速非常高，有的高達20000-80000r/min，以便實現(xiàn)高速切削；型腔的粗、精加工常常在工件一次裝夾中完成，故主軸功率要大，中等尺寸加工中心的主軸功率常為10KW到40KW，有的甚至更高。

 （2）機床剛度好—模具材料的強度和硬度都很高，加上常常釆用伸長量較大的小直徑端銑刀加工模具型腔，因此加工過程容易發(fā)生顫振，一般都釆用精度高、剛度大的高速電主軸。為了確保零件的加工精度和表面質(zhì)量，用于模具制造的高速機床必須有很高的靜、動剛度，以提高機床的定位精度、精度和抗振能力。

    （3）主軸轉(zhuǎn)動和工作臺（溜板）直線運動都要有極高的加速度—主軸從啟動加速到轉(zhuǎn)速（一般高于10000r/min），通常只用1~2秒的時間。工作臺的加、減速度也從常規(guī)數(shù)控機床的0.1g?0.2g提高到1~5g（g為重力加速度，g=9.81m/s2），以便可*地實現(xiàn)小圓角半徑曲面的高速加工，并達到必要的型面幾何精度。在模具制造中，對機床的進給速度則不要求太高，一般有30m/min即可。近年來，矢量控制的變頻調(diào)速永磁式主軸電動機和大推力、大行程直線電動機在高速機床上的應(yīng)用，為模具制造中廣泛釆用高速加工技術(shù)提供了更加有利的條件。

    對于一些復雜模具的制造，可以釆用五軸聯(lián)動加工中心。這種機床除三個坐標的直線運動外，主軸頭上的刀具還可實現(xiàn)兩個旋轉(zhuǎn)坐標的圓周進給運動。銑頭和工作臺可以實現(xiàn)多軸聯(lián)動，特別適用于加工具有復雜型腔曲面的模具零件。對于大型復雜模具，還可釆用龍門式五軸加工中心。

    瑞士Mikron公司的HSM600U型高速加工中心，機床加工范圍800mm×600mm×5000mm，主軸可選用Step-Tec公司轉(zhuǎn)速為30000r/min、36000r/min、42000r/min或60000r/min的高速電主軸，當釆用36000r/min電主軸時，功率為32KW(40%ED)/24KW(100%ED)。主軸用氮化硅（Si3N4）陶瓷球軸承，配以油－氣潤滑。進給速度40m/min，加速度1.7g，刀庫容量為15~68把刀，立柱釆用龍門式框架結(jié)構(gòu)，剛度高，特別適用于模具制造。

    模具制造中的高速刀具

    在高速切削應(yīng)用于模具工業(yè)的中，刀具的地位舉足輕重。高速切削時產(chǎn)生的切削熱和對刀具的磨損比普通速度切削時要高得多，因此高速切削對刀具材料的性能有更高的要求。要求刀具材料：（1）硬度高、強度高、耐磨性好；（2）韌度高、抗沖擊能力強；（3）熱硬性和化學穩(wěn)定性好，抗熱沖擊能力強。在工程實際中，同時滿足這些要求的刀具材料至今還沒有找到。目前，一般都在有較高抗沖擊能力刀具材料的基體上，覆蓋一層或多層具有高熱硬性和高耐磨性的涂層，做成高速刀具。另外，也可將CBN或金剛石等超硬材料燒結(jié)在硬質(zhì)合金或陶瓷材料的基體上，形成綜合性能非常好的高速加工刀具。刀具材料主要根據(jù)工件材料、加工工序、加工精度與表面質(zhì)量的要求來選擇。

除了正確選擇刀具材料以外，刀具結(jié)構(gòu)與精度、切削刃的幾何參數(shù)、排屑與斷屑功能、刀具的動平衡等對高速切削的生產(chǎn)效率、表面質(zhì)量、刀具壽命等也有很大的影響，必須精心設(shè)計或選擇。至于刀具和機床的連接方式，目前在高速加工中已基本上不用傳統(tǒng)的7：24長錐度刀柄，而廣泛釆用錐與主軸端面同時接觸的HSK空心刀柄，其錐度為1：10，以確保高速運轉(zhuǎn)刀具的安全和軸向加工精度。

    型腔的粗加工、半精加工和精加工一般釆用球頭銑刀，球頭銑刀的直徑一般從1mm到12mm。最終的精加工應(yīng)盡可能用同一把球頭銑刀連續(xù)完成整個型面的加工，其直徑應(yīng)小于模具型腔曲面的最小曲率半徑。

    用球頭銑刀，既可避免和模具型腔幾何曲面發(fā)生干涉，又可避免一般銑刀中心區(qū)的切削速度等于零造成的麻煩。模具零件平面的粗、精加工則可采用帶轉(zhuǎn)位刀片的端銑刀。

    高速銑削是目前高速切削技術(shù)中應(yīng)用最多的一種工藝技術(shù)，所用的刀具包括端銑刀、立銑刀和球頭銑刀，這類刀具以瑞典Sandvik公司和美國Kennametal公司的產(chǎn)品最為有名，也開始生產(chǎn)這類刀具。以往有不少企業(yè)家只重視機床設(shè)備的投資，卻忽視了與之配套的高速刀具的購置，結(jié)果使高速機床不能充分發(fā)揮作用，這是認識上的一個誤區(qū)，應(yīng)該予以糾正。

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