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專業(yè)制造高速鍛造模具
摘要
本文主要討論高速銑削技術(shù)在模鍛工具制造中的貢獻(xiàn). 在大多數(shù)情況下，模鍛工具制造高速銑削硬化材料比用EDM技術(shù)所得到的鍛造模具更快、更便宜，而且模具質(zhì)量更高,當(dāng)然模具壽命也更長(zhǎng).論文針對(duì)制造總過程列出了模鍛工具,銑刀長(zhǎng)度與半徑的比這些將對(duì)高速銑削策略和技術(shù)有很大的影響. 整個(gè)鍛造模具設(shè)計(jì)和制造工具是依靠長(zhǎng)遠(yuǎn)的工作方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
@2004 Elsever B.v. 版權(quán)所有
關(guān)鍵詞:高速銑削; 硬銑; 高L/D比; 鍛造模具
1、引言
如今HSC技術(shù)是每個(gè)現(xiàn)代化工具制造公司最基本的技術(shù)組成?？萍几咚俅窘M成部分。隨著HSC技術(shù)的引進(jìn)，模具制造技術(shù)也發(fā)生了改變，主要是模膛的制造,模膛是模具最為重要的部分，所以制造過程中的40﹪時(shí)間用于模膛的制造。按客觀模型腔制造技術(shù)的發(fā)展,如銑刀、 模具及相關(guān)產(chǎn)品的參數(shù)考慮,結(jié)合電火花/高速船或完全取代傳統(tǒng)的模具制造技術(shù)模具電火花沉沒 型腔加工[1]. 每個(gè)模腔本身也應(yīng)查明其中技術(shù)粗糙高速銑/加工整理或高速銑完全是最有利的生產(chǎn)成本和時(shí)間
2、高速電火花和屬性
表[2]列出了高速銑、電火花的優(yōu)缺點(diǎn)以及高速銑削、電火花的局限性. 選擇最適當(dāng)?shù)男颓荒＞呒庸ぜ夹g(shù)能源消耗和生態(tài)也是要重點(diǎn)考慮的。眾所周知的, 電火花技術(shù)需要很大的能耗,因此只有在加工一些產(chǎn)品時(shí)，銑刀形狀或模具相關(guān)技術(shù)性能不允許用告速銑削才使用電火花技術(shù)。
從生態(tài)學(xué)的角度看，目前高速銑削優(yōu)于電火花技術(shù)主要基于以下原因：
-少用能源有利于生態(tài)環(huán)境保護(hù).
-永久的減少切削潤(rùn)滑油和冷卻液將導(dǎo)致干切削.
-為后來(lái)的廢物處理和消耗方便電火花過程必須不斷監(jiān)測(cè)電解質(zhì)[3]
高速銑削技術(shù)的引進(jìn)大幅降低制造成型模具制造的時(shí)間, 不過電火花和高速銑削技術(shù)并不是不能共存,因?yàn)橛行╇娀鸹夹g(shù)能加工出來(lái)的幾何形狀是高速銑削所不能作到的。 [3].
3. 熱鍛模具模膛成型制造技術(shù)
鋼熱軋中的材料必須在高溫下能保持足夠的強(qiáng)度，具有抗熱震強(qiáng)度等重要的性能，這些性能都對(duì)刀具材料的選擇有影響，因?yàn)樵诠ぜ湍＞呓佑|的區(qū)域存在很高的加工溫度。但其中最重要的但不是唯一最重要的特性就是韌性. 韌性是抵抗模具變形和形成裂縫能力的指標(biāo) [4].
結(jié)合高速銑削技術(shù)和銑削刀具表面鍍鈦新技術(shù)成功地降低了硬削的成本和時(shí)間。洛氏硬度在46-62范圍內(nèi)的用于熱鍛的模膛淬硬工具材料的加工就不會(huì)用電火花加工。鍛?；蛏顩_模具成形幾乎都可以通過銑削得到。，這樣加工過程中就不會(huì)出現(xiàn)加工銳角。硬銑比電火花技術(shù)所得到的效果要好，也不需要電極，表面質(zhì)量也更好。 [2].
3.1長(zhǎng)/半徑比例大的硬銑
鍛造零件幾何形狀定義了零件平面,因此需要銑刀長(zhǎng)度/直徑比. 后者對(duì)加工精度和表面質(zhì)量很大影響.
高主軸速度會(huì)增加刀具尖端的振動(dòng). 保護(hù)刀具壽命和表面質(zhì)量,需要找到高剛度的刀具材料。說到底就是要用盡可能的便用短的刀具，這樣就可以便波動(dòng)最小，可以得到大范圍面穩(wěn)定的切削中心。 [5].
在圖. 1和2,列出了影響高速銑削的兩個(gè)最重要的因素。切削用量的深度ap主要決定于材料的硬度和銑刀強(qiáng)度，后者最要是用長(zhǎng)度和直徑比例來(lái)定義。
ap: RK2K3
因此切削用量ap可以定義為銑刀半徑R，刀具材料硬度系數(shù)K2及系數(shù)K3的乘積。
當(dāng)材料硬度高達(dá)52HRC時(shí)刀具材料硬度系數(shù)K2便取0.1到0.12。 材料硬度更高低于62HRC的情況下系數(shù)K2的取值0.04至0.05.
當(dāng)L/D=5時(shí)細(xì)系數(shù)K3的值為1，當(dāng)L/D=10時(shí)其值迅速減致0.1。因此當(dāng)L/D>10高速銑削硬材料時(shí)須采取特殊措施 [6].
另一方面, 能夠采取光切削的和使用精密刀具提高了銑削的能力，精密刀具與其刀具半徑有很大的關(guān)系。這至少在以下兩方面有利：
-銑深腔或銑深槽
-用尺寸小的刀具銑削表面質(zhì)量要求高的特征[5].
在銑刀長(zhǎng)度/直徑比較大時(shí)，刀具在切削過程中的擺動(dòng)增大，這可能導(dǎo)致工件脫離銑刀和刀具剛度降低。刀具擺動(dòng)和銑削方案將會(huì)影響尺寸精度和加工表面粗糙度。高速干銑削硬度為50HRC的材料是非常成功的 [7].
4.工業(yè)實(shí)例中的硬銑深腔、精密成型
4.i. 典型工業(yè)鍛造模具性情
在圖. 3中例出了淺模鍛造模具，是用優(yōu)質(zhì)鋼淬硬到50HRC的材料制造的，用于確定的M16平板的熱鍛模制造。
表2例出了用于熱加工的工具鋼的化學(xué)結(jié)構(gòu)。所有的合金元素都是在典型的熱軋工具鋼的標(biāo)準(zhǔn)化范圍內(nèi)鍛造工藝是基于兩個(gè)階段鍛造. 在圖. 4及5中列出了鍛造階段及一些細(xì)節(jié)。
4.2加工技術(shù)
表3是加工模膛具體部位的參數(shù)。
應(yīng)用硬質(zhì)合金球頭端銑刀具U5286d4r2精加工模具內(nèi)腔 (列圖. 4)，即在圖. 6.中所示的為刀桿以下部分直徑較小的切割銑刀， 適合銑垂直端面。否則銑刀柄會(huì)接觸到已加工表面,會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p傷已加工表面和刀具。小脛刀桿長(zhǎng)度可通過額外精磨得到.
表4給出切割的幾何形狀和一些典型的需要硬銑的幾何形狀。自由角α取最小值，前角γ可忽略，這樣可得到較高的切削穩(wěn)定性但前刀面的磨損卻較大，表面銑要求較鋒利的銑刀。應(yīng)用的L/D的值是一個(gè)臨界值，這適合于大部分正常情況下的硬銑。
在圖.7列出了滲碳球頭端銑刀具OSG FXRB-EBD D0.6R0.3，用于余量銑削，詳細(xì)信息如圖5所示。所應(yīng)用的L/D值高達(dá)30。銑削刀具是將刀桿直徑減少到一定的直徑，但刀桿直徑必須足夠大以保證能與夾具相接觸。如圖8所示為一個(gè)更好的小刀桿銑刀例子，其直徑是通過一個(gè)角度逐漸減少的，這樣可以更好保證刀具剛度。在這種情況下L/D值準(zhǔn)確率不能成立.
硬磨技術(shù)是基于高頻重復(fù)光切削,這是由軸向和徑向切削深度和進(jìn)給量所確定的. 表3介紹軸向和徑向切削深度尤其適合所推薦的銑刀. 在圖. 9介紹了徑向和軸向切削深度的定義.
高速銑削得到的鍛造模具要比相同電火花加工鍛造模的使用壽命長(zhǎng)大約30%.
5. 經(jīng)驗(yàn)工作
為不斷優(yōu)化鍛造模具制造中高速銑削和硬切削技術(shù)，工業(yè)生產(chǎn)上積累了不少經(jīng)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上開發(fā)出了成型工具制造經(jīng)驗(yàn)系統(tǒng)。主要目的是為了方便確定精加工成型模膛表面時(shí)的銑刀的L/D值。
制備實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以列出所有業(yè)界的合理的經(jīng)驗(yàn)值.平均熱模鍛工具類典型材料和硬度、幾何平均腔表面質(zhì)量要求和制造技術(shù)都有待研究.
試驗(yàn)的目的是基于采取快速拍攝來(lái)確定銑刀在銑選擇不同的L/D值來(lái)銑削典型的表面的過程中其擺動(dòng).
5. 1.實(shí)驗(yàn)零件的準(zhǔn)備
如圖. 10所示為實(shí)驗(yàn)零件的草田圖. 零件的材料是用于熱加工的工具鋼wnr.1.2344淬硬到50HRC。此零件上有三個(gè)不同方向的典型加工表面，代表了模具型腔三個(gè)不同的加工表面：
-水平面
-曲面過渡
-垂直表面.
所有的表面都要經(jīng)過磨，為了保證典型零件的精確定位及在相同銑削參數(shù)下使用不同角度的平面和不同的L/D值。
5.2加工技術(shù)
選用三板斧高速銑硬質(zhì)合金球頭銑刀鍍鈦來(lái)完成硬銑。
制造模膛時(shí)銑刀直徑的選擇取決于其細(xì)節(jié).在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中選擇了直徑4毫米的銑刀,因此它可應(yīng)用于大多數(shù)模膛的加工。若刀桿直徑與零件直徑一樣大，那么便可使得銑刀的L/D值的選擇計(jì)算變得精簡(jiǎn)。同時(shí)銑刀的偏差可像刀桿直徑更大的銑刀那樣集中，這可以使銑削過程中銑刀的穩(wěn)定性增強(qiáng)。
如前所述,目的是觀察在表面處理過程中所需的實(shí)驗(yàn)條件,調(diào)整加工技術(shù)以得到特定類型的切割過程.
所有切削參數(shù)是根據(jù)銑刀生產(chǎn)者所為單獨(dú)的不同傾斜面的推薦的參數(shù)[11]. 只要選定了三個(gè)不同傾斜面的參數(shù)ap和ae那么切屑的理論厚度便都是一樣的，這里就不再考慮切削力的影響。綜全考慮不同的方案干切是最好的選擇。
在圖. 11所示的是順銑和逆銑。當(dāng)切削刃是向下銑時(shí)那么切屑的厚度便取其最大值，而反過來(lái)則取最小值。
順銑要比逆銑在切削過程中產(chǎn)生更多的熱量，因?yàn)轫樸姇r(shí)的摩擦比較大。
因此,在現(xiàn)代高速銑逆銑用得較普遍. 盡管它需要較大的切削力使得切削過程中用力較大但它仍能保證較少的刀具磨損。現(xiàn)在的刀具都具有較高的剛度，這就是為什么允許使用逆銑的原因。
5.3測(cè)量實(shí)現(xiàn)
所的實(shí)驗(yàn)都知道立銑中心Mori Seike Frontier-M.在圖12描述了測(cè)試零件的尺寸鏈. 用攝像機(jī)銑削過程中所有現(xiàn)象和曲面及L/D值都能完全演示出來(lái)。將已接收的偏差信息圖片進(jìn)行分析，由此銑刀的基本信息便可分析出來(lái)。完成模擬制造后，加工表面的表面粗糙度也得出來(lái)了。
5.4 結(jié)果
表6列出了測(cè)量的偏差值。每個(gè)具體的偏差值是三次相同表面傾角和L/D值切削值的平均值。這個(gè)值并不包括第一次切削值，因?yàn)榈谝淮蔚那邢鞯钠钪禃?huì)比較大，在實(shí)踐中第一次的切屑會(huì)比較厚而且會(huì)得到不同形狀的切屑。
選擇較小的L/D值其偏差值也會(huì)較小，但不同傾斜角度這間的偏差值相差不大。代表幾乎是水平面的兩個(gè)L/D值所引起的偏差是最大的。這是因球鼻銑刀中心的切削條件太惡劣所導(dǎo)致的，特別是在拋光模膛表面這種小切削量的加工過程中尤其明顯。
其它兩個(gè)傾斜角度的平面的偏差更大，由此推出了球鼻銑刀用側(cè)面銑削的法則。獲得的數(shù)據(jù)可由銑刀的傾角β=10-20°來(lái)分析，這樣可得出最好的切削結(jié)果所需切削條件。球頭端銑銑削傾斜角不變的平面的情況可應(yīng)用于五板平板銑削技術(shù)。
由于加工表面粗糙度橫向和縱向的Ra值可確定銑削路徑。圖13和14所示的是L/D=7時(shí)所測(cè)得的工表面粗糙度。圖15和16所示的是同樣條件下L/D=10時(shí)的值。大體來(lái)說，L/D=10和橫截面所應(yīng)用的特殊的L/D值時(shí)的表面粗糙度Ra值會(huì)比較大，根據(jù)每種不同的L/D值與一定角度增加所引起的Ra值變化可確定平面的傾角的變化量。
水平面的最大銑削偏差不會(huì)導(dǎo)致最高的表面粗糙度。相反，最低表面粗糙度卻一定是因球頭端銑刀中心的切削條件引起的。
由于尺寸精度而產(chǎn)生了偏差。L/D=10 的平均尺寸精度在緞造中還是可以接受的。
6. 總結(jié)和展望
一般而言,在允許的情況下會(huì)盡可能的減少電火花加工技術(shù)的應(yīng)用。因此高速銑技術(shù)與兩個(gè)極限應(yīng)用,硬銑和高L/D值銑日益取代了電火花加工制造技術(shù)在模膛一些特征的加工。低切削力高速加工,確保了產(chǎn)品的的質(zhì)量[14].
合適的L/D值還取決于材料硬度、尺寸精度要求、表面粗糙度要求及最小內(nèi)徑要求?，F(xiàn)階段粗糙度要求適中和較低的加工的L/D值的選取都是比較方便的。
選擇較高的L/D值來(lái)精加工模膛表面的主要問題是接近垂直的表面的粗糙度，這種子情況下銑刀的偏差將對(duì)表面粗糙度和尺寸精度有很大的影響。
至于銑刀具磨損水平表面，特別是在三板銑切削中球頭端銑中心的切削條件很惡劣時(shí)尤為嚴(yán)重。五板銑現(xiàn)在還在研究階段，因?yàn)槠涑杀竞芨叨液苋菀装l(fā)生刀具斷裂。
參考資料（略）