模具是制造業中使用量大、影響面廣的工具產品。沒有型腔模、壓鑄模、鑄模、拉伸模和沖壓模,就無法生產出被廣泛應用和具有價格競爭力的塑料件、合金壓鑄件、鋼板件和鍛件。在現代批量生產中,沒有高水平的模具,就沒有高質量的產品。模具對企業提高生產效率、降低生產成本也有重要作用。據國外最新統計分析,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,模具工業也被稱為“皇冠工業”。如今,模具制造已成為先進制造技術的一個重要組成部分。
制造模具的材料通常為難加工材料,目前國內模具型腔一般都釆用電火花加工(EDM)成型。但電加工的生產效率很低,不論在模具開發速度方面還是模具制造質量方面,都不能滿足現代批量生產的要求。
高速加工技術的出現,為模具制造技術開辟了一條嶄新的道路。盡可能用高速加工來代替電加工,是加快模具開發速度、提高模具制造質量的必然趨勢。
模具高速加工的優越性
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),為了提高其使用壽命,構成模具型腔的有關零件一般都采用高強度的耐磨材料制造(如各種牌號的合金結構鋼、合金工具鋼和不銹鋼等),這些材料經過熱處理后硬度很高,很難用常規的機械加工方法進行加工。幾十年來,對付這類難加工材料的最好辦法就是釆用特種加工。
在中國,模具的型腔加工至今仍然是電火花加工的“一統天下”,電火花加工(包括成形加工和線切割)在模具制造中一直起十分重要的作用。
生產的發展和產品更新換代速度的加快,對模具的生產效率和制造質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。從物理本質上說,電火花加工是一種靠放電燒蝕的“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局部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生微細裂紋,表面粗糙度也達不到模具的要求,因而經過電加工后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,電火花加工的生產效率很低,制造質量不穩定,在許多場合,模具已成為影響新產品開發速度的一個關鍵因素。
20世紀90年代以來,在國外模具工業中開始逐漸應用高速切削(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,高速加工的主要優點是:
產品質量好——高速切削以高于常規切速10倍左右的切削速度對零件進行高速加工,毛坯材料的余量還來不及充分變形就在瞬間被切離工件,工件表面的殘余應力非常小;切削過程中產生的絕大多數(95%以上)的熱量被切屑迅速帶走,工件的熱變形小;高速加工過程中,機床主軸以極高的轉速(10000~80000r/min)運轉,激振頻率遠遠離開了“機床—刀具—工件”系統的固有頻率范圍,零件加工過程平穩無沖擊。因此零件的加工精度高,表面質量好,粗糙度可達Ra0.6μm以上。經過高速銑削的型腔,表面質量能達到磨削的水平,故常常可省去后續的許多精加工工序。
生產效率高——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部位的機械加工,即所謂“一次過”技術(One Pass Machining),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,它既不需要制作電極,常常也不需要后續的手工研磨與拋光,又容易實現加工過程自動化。因此,高速加工技術的應用,使模具的開發速度大為提高。
能加工形狀復雜的硬質零件和薄壁零件——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(Hard Machining)和干切削(Dry Machining)。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。
近幾年來,高速加工技術在國外已廣泛用于模具工業。在工業發達國家,據統計目前有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確立。原來一些從事電加工設備制造的著名公司(如瑞士Agie公司),已敏感地看到這一技術發展趨勢,為了不被模具設備巿場淘汰出局,已釆取了與高速機床制造廠家(如瑞士Mikron公司)聯手合<
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