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使用高速切削 提升模具制造水平


模具加工是使用高速切削技术的一大领域,而塑料模具又是模具中的重要组成部分。

据模具行业信息统计,塑料模具在整个模具产品中所占比例约占30%。塑料模具用量巨大,只要涉及到塑料成型就离不开塑料模具,在我国其用量尤以汽车(含摩托车)行业、建材行业、家电行业为最大。近年来随着我国这些行业的高速发展,极大地带动了我国对于塑料模具的需求增长。我国目前已成为世界第三大汽车生产国,而每一种型号的汽车都需要大量的塑料模具;塑料建材可大量替代钢、木材等传统建材,2005年我国建筑用塑料制品已占总产量的16%,预计到2010年,塑料门窗的普及率为30%,塑料管的普及率将达到50%,从而大大增加对塑料模具的需求量;作为世界最大的家电生产国和消费国,我国家电行业所需塑料模具量年增长率约为10%。

基于我国塑料模具市场的旺盛需求,我国模具行业的结构改革和发展步伐日益加快,三资企业、民营企业得到了很大程度的发展,同时外国企业也纷纷进入中国,致使模具行业竞争激烈。由于我国企业使用和掌握高速切削加工技术的企业较少,因此在高质量塑料模具方面,我国企业还难以与国外企业竞争。为了扭转这种局面,在我国模具企业中大力推广高速切削加工已成为当务之急。


高速切削的概念

早在20世纪30年代,Salomon通过金属切削实验研究发现:在金属切削过程中,随着切削速度的增大,切削力和切削温度也增大,但当切削速度达到某一临界值时,切削力和切削温度反而随着切削速度增大而急剧减小,据此Salomon提出了高速加工的概念。高速加工的真正实现是近一二十年快速发展起来的,该技术是一种随着现代制造技术的发展而迅猛发展起来的高新技术。所谓高速切削是指相对于传统切削,是以高出常规切削速度5~10倍,甚至更高的速度,更高的进给量,以及工作台具有更大快速移动速度、更大的加速度和快速换刀等要求,使得切削加工具有高效率、高质量、高精度、低能耗的特点。具体来讲,高速切削具有以下特点:

具有高切削速度和高主轴转速,目前国外高速铣床主轴转速在10000~40000r/min,国内高速铣床主轴转速通常在10000r/min左右;

具有高快速移动速度,高速铣床的快速移动速度达到了30m/min~90m/min;

金属切除率高,切削效率高,切削45#钢时金属切除率通常为300~600cm3/min ;

全程定位精度高,重复定位精度高。

随着市场经济的不断发展,汽车及家电产品等的研制周期大大缩短,零件形状也越来越复杂。基于传统数控加工方法很难满足加工要求,高速加工技术(High Speed Machining)由此应运而生。该技术属于当前模具加工的一种前沿技术。

模具高速切削的关键技术

由于高速加工技术具有诸多特点以及模具零件具有复杂的型面,因此模具高速加工技术对加工系统中的机床、刀具、数控系统等都提出了更高要求。

1、高速主轴

机床能实现高速切削的关键是机床的高速主轴。目前用于模具加工的高速切削机床主要是高速加工中心、高速铣床等,要求主轴转速为10000r/min~40000r/min(更高的转速仍在研究中,将达100000r/min), 另外还要求主轴能够快速升速、减速,即具有很高的加速度、减速度。要使高速主轴实现高转速,其关键是主轴的轴承支承方式。高速旋转的主轴要求轴承具有高承载能力、高刚度、高回转精度以及高使用寿命。高速主轴常采用静压轴承、磁悬浮轴承等支承结构形式。

高速电主轴技术是近十多年快速发展起来的,电主轴是高速机床的最重要的主轴单元。电主轴又称内装式电机主轴单元,其主要特征是将电机置于主轴内部,通过驱动电源直接驱动主轴进行工作,从而实现了电机、主轴一体化功能。电主轴现在国内已有专业化生产厂家,产品可系列化供应,如:洛阳轴承研究所、无锡博华、江苏星轮、洛阳帅旗、上海富田等企业均生产不同系列的高速电主轴。电主轴的特点主要有:

气浮、磁浮轴承无磨擦,不需润滑,转速高,适用范围广,使用寿命长;

转速可调,变频电源调速平稳、质量可靠;

起动性能好,力矩大、运转平稳、效率高、精度高;

自动换钻头电机可更换钻头、铣刀,从而做到了方便、迅速、定位准确。

2、高速机床动态特性

高速切削机床对其支承件的静态、动态特性要求很高,机床床身要具有高的静刚度、动刚度、热刚度,好的结构刚性,足够的支承强度,高水平的阻尼特性,从而使机床固有频率远离高速切削时发生颤振的频率,进而使机床具有好的动态响应特性。目前高速机床的床身材料多采用非金属大阻尼材料作支承件,如聚合物混凝土(或称人造花岗岩),这种材料阻尼特性为铸铁的7~10倍,比重只有铸铁的三分之一;尽可能减小导轨、滚珠丝杠运动副的摩擦阻尼,使运动部分适应快速移动和高加速、减速的要求。


3、高速切削刀具

高速切削刀具的关键在于刀具结构和刀具材料。高速切削刀具的结构主要采用空心锥部和主轴端面同时接触的双定位式刀柄(如美国Kenamental公司的KM刀柄、德国OTT公司的HSK刀柄等),其轴向定位精度可达1μm。在刀具高速旋转时,离心力使刀夹锁紧更为牢固,其径向跳动不超过5μm。

采用新型刀具材料可使切削加工速度大大提高,从而提高生产率,延长刀具寿命。目前用于高速切削加工常用的刀具材料有:硬质合金及其涂层、陶瓷、立方氮化硼(CBN)、聚晶立方氮化硼(PCBN)、超硬材料金刚石、聚晶金刚石和金刚石涂层等。


在高速切削刀具技术中,除了合理选用刀具材料外,还必须解决刀体材料与结构、刀具几何参数、刀片夹紧结构、刀具与机床连接装夹方式、高速主轴中刀具夹紧措施,以及回转刀具的动平衡等问题,一般高速切削刀具的前角比普通切削刀具前角约小10o,而后角约大5~8o 。

高速数控切削刀具与普通切削刀具相比,应具有以下特点:

刚性好,热变形小,切削加工精度高;

抗振性好,切削过程不易产生颤振,加工表面质量好;

刀具结构设计合理,能可靠断屑,排屑方便;

刀具耐用度高,切削性能好;

刀柄结构设计合理,便于快速换刀,而刀具调整方便,则提高了换刀调整效率;

系列化、标准化,互换性好,便于数控编程和刀具管理。


4、高速切削机床的数控编程

作为模具加工的前沿技术,高速加工技术应用于模具制造使得CAD/CAM技术得到快速发展。由于模具的型面复杂,现在模具设计通常采用CAD三维设计软件建模,即先将Pro-E、UG等三维设计软件应用于产品的三维实体建模,使产品设计更加快捷、方便,然后通过CAM技术将三维模型转换为数控加工代码传输给高速数控加工铣床或数控加工中心进行加工。基于CAD/CAM的这种要求,高速加工机床具有如下功能:

数控系统具有高速编程计算功能;

CAM系统必须具备刀具路径优化功能,以及具有智能化全程过切防护功能;

能保持最大和稳定的切削速度,避免不连续和突然的加速度变化;

应保持刀具轨迹的平稳,避免刀具轨迹方向的突然变化,以免局部过切而损坏刀具或设备;

切削时保持恒进给速度,尽可能保持切削进给平稳;

应适当控制切削宽度,避免全刀宽切削,以避免损坏刀具和切削颤振的发生;

对于残余量加工,应采用系列刀具从大到小分次加工,以达到所需尺寸,避免一次加工完成。残余量加工方法是提高加工质量和加工效率的有效措施;

刀具轨迹应避免多余空刀,可通过对刀具轨迹的镜像、复制、旋转等功能,避免重复计算。高速机床的这种刀具轨迹编辑、变换、优化处理等功能非常重要;

高速机床应具有刀具轨迹裁剪修复功能,可通过精确裁剪以减少或避免空刀,同时减少刀具切入材料时的冲击,提高切削加工安全性。

高速切削技术是未来切削加工的方向,高速切削加工技术的发展不仅体现在其关键技术的高速机床设备、数控软件、电器控制、刀具技术的进步,而且也推动了其它相关技术的快速发展。全球化制造市场经济环境给高速加工技术的飞速发展创造了条件,高速加工技术将在众多制造企业中得到广泛应用。尽管与工业发达国家相比,我国在高速切削加工技术及应用领域还处于起步阶段,有些技术领域几乎还是空白,但近年来该技术已经引起了我国包括模具企业在内的众多制造企业的广泛关注。我国要在高速加工技术占得一席之地,就必须以跨越式的态势发展。由于高速加工技术的开发与应用必须集成、优化多种学科领域的知识,实施系统技术工程,故而,我国应加大投入,有效组织开展有关高速切削加工技术的开发与应用。只有这样,才能尽快缩短我们与国外先进水平的差距,并提升我国的制造业水平。

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