模具的高速硬铣
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技术综合
图1 通过高速硬铣简化模具的生产工艺流程
专业人员的素质和经验是重要前提
加工中心。除聘用和培训专业人员外，与机床制造厂、刀具厂以及专业研究机构进行合作是一个重要途径。在模具加工中，进行必要的工艺试验对优化工艺过程也是十分重要的。例如我国一家玩具制造厂的注塑模，加工机床是德国Hermle公司C800V立式加工中心，采用9把不同类型的立铣刀和球头铣刀，加工时采用大流量冷却润滑，加工时间为125分钟。为了制造型腔底部的花纹图案，在铣削加工后接着要进行电火花加工。根据中德“在中国工具和模具制造中的高速加工”研究项目，为优化该模具的生产工艺流程，德国Darmstadt工业大学的生产管理、工艺和机床研究所(PTW)在Hermle公司的C30U加工中心上进行了铣削试验，模具型腔底部的花纹图案的加工并拟通过高速精铣工艺替代电火花加工。试验结果表明，目前加工只需采用6把刀具，减少了3把刀具，这样，除节省刀具费用外，还减少了换刀次数，从而减少了30%的辅助时间，整个加工时间仅需99分钟，加工时间比原先减少了26%。加工时采用微量润滑，减少了刀具磨损。由于免去了电火花加工(也就省掉电极制造)，使花纹图案的表面粗糙度降低了50%，同时也避免了由电火花加工造成的模具加工表层的损伤(白色层)。
图2 注塑模：材质40CrMnNiMo8.6.4，硬度35HRC
机床、刀具和刀夹是重要保证
- 机床
- 采用的高速加工中心应具有较高的主轴转速、大的功率、高的刚性、高的动态性能以及良好的阻尼特性，并备有快速的控制系统。目前，加工模具的高速机床，主轴转速一般均在40000～42000(r/min.),如Mikro公司第一代高速铣削中心HSM400、HSM700和第二代的HSM600u(五轴联动高速铣削中心)，DMG的DMC100V ，Hermle的C800V(36000r/min.)，Digma的700GC、850HSC，R歞ers的RFM 600和PTW的Hi-Dyn(60000r/min.)等。这样的主轴转速基本上能满足常用小直径铣刀(2mm～12mm)的加工需要。但是对于更小直径的铣刀(0.2mm～1mm)，这样的主轴转速就不能使刀具达到理想的切削速度。例如，当采用160m/min.的切削速度时，对于直径为1mm的铣刀就需要51000r/min.的主轴转速；而对于0.2mm的铣刀，则需高达250000r/min.的转速，而在主轴最高转速为42000r/min.的情况下，对于上述两种铣刀只能分别以132m/min.和26m/min.较低的切削速度进行铣削，例如一个齿轮模的加工，采用的最小铣刀直径为0.2mm，机床主轴最高转速为40000 r/min.，此时只能达到25m/min.这样低的切削速度。因此，为适应微细切削的发展，需要开发更高转速的机床。
图3 齿轮模：材质X155CVMo12-1,60HRC，最高进给速度5000mm/min，加工时间9小时- 目前，高速加工机床的轴加速度一般达1～2g，个别有达到3g(Mikron 的HPM800)。较高的轴加速度，意味着机床具有较高的动态性能，这在加工模具的自由曲面、进给方向不断变化的情况下，仍可保持调定的进给速度。从而有利于提高模具自由曲面的加工精度和表面质量，据业界人士预测，机床的轴加速度在最近的3～4年内可望达到3～5g。
- 五轴联动高速加工中心虽在价格上要比三轴联动机床高很多，但它特别适合用来加工复杂曲面的型腔。在加工较深型腔和对凸台清根时，可以通过附加的两个回转轴(通过转矩电机直接驱动的C轴和B轴，可提供与直线轴相配匹的加速度和进给速度)的同步运动从而可采用悬伸较短的立铣刀，由此增强了刀具刚性，并避免刀具和刀杆与型腔壁的碰撞，减少了刀具加工时的抖动或刀具破损的危险，从而有利于提高模具的表面质量、加工效率和延长刀具的寿命。
- 采用的高速加工中心应具有较高的主轴转速、大的功率、高的刚性、高的动态性能以及良好的阻尼特性，并备有快速的控制系统。目前，加工模具的高速机床，主轴转速一般均在40000～42000(r/min.),如Mikro公司第一代高速铣削中心HSM400、HSM700和第二代的HSM600u(五轴联动高速铣削中心)，DMG的DMC100V ，Hermle的C800V(36000r/min.)，Digma的700GC、850HSC，R歞ers的RFM 600和PTW的Hi-Dyn(60000r/min.)等。这样的主轴转速基本上能满足常用小直径铣刀(2mm～12mm)的加工需要。但是对于更小直径的铣刀(0.2mm～1mm)，这样的主轴转速就不能使刀具达到理想的切削速度。例如，当采用160m/min.的切削速度时，对于直径为1mm的铣刀就需要51000r/min.的主轴转速；而对于0.2mm的铣刀，则需高达250000r/min.的转速，而在主轴最高转速为42000r/min.的情况下，对于上述两种铣刀只能分别以132m/min.和26m/min.较低的切削速度进行铣削，例如一个齿轮模的加工，采用的最小铣刀直径为0.2mm，机床主轴最高转速为40000 r/min.，此时只能达到25m/min.这样低的切削速度。因此，为适应微细切削的发展，需要开发更高转速的机床。
- 刀具
- 高速硬铣最常用的是小直径(12mm以下)立铣刀，主要有双刃球头铣刀、双刃圆刀片铣刀、端齿六刃立铣刀和装有两个可转位圆刀片的立铣刀。其中整体硬质合金立铣刀则具有圆跳动误差小和刚性高的优点。
- 合适的硬质合金刀体、耐热的硬涂层和负的刀具角度是硬铣获得成效的重要刀具参数。铣刀主要采用具有很好韧性的精细晶粒(0.5μm～0.8μm)和超细晶粒(0.2μm～0.5μm)的硬质合金制成。刀具的耐磨性则通过具有较高抗氧化性能和较低内应力的氮铝化钛(TiAlN)或TiAlCN涂层来改善，单涂层厚度为(2～3)μm，采用PVD工艺进行涂敷。
- 目前，在有利的几何边界条件下，硬铣可以加工硬度为65HRC的工件，而在实际生产中，模具的硬度多数在47～54HRC范围内。
- 采用超细晶粒硬质合金和TiAlN涂层的铣刀，在硬铣时切削速度可达200～350m/min.，每转或每齿进给量为0.1mm～0.2mm。
- 加工模具应尽可能采用粗铣和精铣两道工序，通过高速铣削铣去大部分材料余量，留接近成品轮廓的0.05 mm加工余量，然后采用较小的行距宽度进行精铣。所采用的行距宽度在很大程度上影响到加工时间、质量和表面粗糙度。
- 刀夹
- 加工模具时由于采用的是细长的小直径铣刀，铣削时切屑厚度较小，切削速度又高，加工过程易受圆跳动误差和振动的影响。因此，要求刀夹不仅要具有回转对称的细长结构，同时还要具有刚性好、圆跳动误差小、夹持力大和滑转力矩高等特性。从综合性能看，目前最能满足这些要求的是一种采用空心锥柄(HSK)的热装冷缩式刀夹。这种刀夹的圆跳动误差仅为3μm(在悬伸长度为3×d的检验棒上测量)，如对于装刀直径为6mm的刀夹，可传递22Nm的转矩。这种刀夹，在模具加工中已较普遍采用，用来装卸刀具的感应加热仪往往已作为模具高速加工机床的随机配套附件。
- 为获得较长的刀具寿命和较好的加工表面质量，机床—刀夹—刀具系统的圆跳动误差应在12μm之内，最好不要超过10μm，这就需要选用比普通铣刀更精密的铣刀，这种铣刀的圆跳动误差一般要在5μm之内。这样，如把主轴的圆跳动误差(一般是：主轴直径φ70mm为2μm，φ90mm为2.5μm)、刀夹(3μm)和铣刀(5μm)的圆跳动误差按极限情况进行叠加,其总的圆跳动则达到10.5μm。
高速硬铣时的润滑或冷却
图4 锻模模芯，硬度61HRC
图5 对切削刀刃进行吹屑的装有喷嘴的塑料软管
高速硬铣应遵循的原则
- 刀具的悬伸应尽可能短，而在热装冷缩式刀夹中刀具刀柄应有足够长的夹紧长度。
- 应采用顺铣方式，以便提高刀具的寿命(至少20%)和获得较好的加工表面质量。
- 立铣刀的圆跳动误差应尽可能小些。
- 应放弃湿式加工，尽可能采用致冷的压缩空气进行吹屑和冷却刀具。
- 应根据模具的材质、硬度和加工条件选用合适的切削速度和进给速度。
- 粗铣时应尽可能切除大部分材料余量，即为精铣约留0.05 mm的加工余量，免去半精铣工序以缩短生产工艺流程。
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