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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(guò)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(guò)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(méi) 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(guò)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(guò)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(guò)銑削得到。，這樣加工過(guò)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(shuō)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(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)渡
-垂直表面.
所有的表面都要經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)來(lái)則取最小值。
順銑要比逆銑在切削過(guò)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(guò)程中用力較大但它仍能保證較少的刀具磨損?，F(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(guò)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(guò)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(shuō)，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。現(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(wèn)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）