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日本模具制造業(yè)中高速銑削技術(shù)的應(yīng)用

更新時(shí)間:2008-9-1 16:01:40 文章來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng) 點(diǎn)擊:

摘 要: 高速銑削加工技術(shù)近年來(lái)得到了快速發(fā)展,在航空航天、汽車、儀器儀表以及模具制造等領(lǐng)域獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。隨著切削速度的提高,高速銑削加工技術(shù)表現(xiàn)出如下諸多……

1. 引言

高速銑削加工技術(shù)近年來(lái)得到了快速發(fā)展,在航空航天、汽車、儀器儀表以及模具制造等領(lǐng)域獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。隨著切削速度的提高,高速銑削加工技術(shù)表現(xiàn)出如下諸多優(yōu)勢(shì)[1]:

進(jìn)給速度相應(yīng)提高,從而可顯著提高加工效率;

切削力隨之下降,尤其是徑向切削力明顯減小,適于加工剛性差的零件;

95%以上切削熱被切屑飛速帶走,工件基本保持冷態(tài),適于加工易熱變性的零件;

遠(yuǎn)離“機(jī)床-刀具-工件”工藝系統(tǒng)的固有頻率,加工過(guò)程平穩(wěn),加工精度高;

應(yīng)用于鈦合金、高溫合金等難切削材料的加工,可以大幅度提高效率和改善表面完整性;

可以縮短單件機(jī)加時(shí)間甚至省略某些工序(如直接實(shí)現(xiàn)鋼的HRC65淬硬態(tài)加工[2]),從而顯著降低加工成本。

將高速銑削加工的這些技術(shù)優(yōu)勢(shì)應(yīng)用到模具制造中,可以大幅度縮短精加工時(shí)間,在很大程度上代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電火花成形加工[3],從而使得整個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)周期得到大大縮短,如圖1所示。因此,在日本模具制造業(yè)中高速銑削技術(shù)已經(jīng)得到普遍使用。

2. 模具加工的要求

模具加工,尤其是復(fù)雜三維型面的加工,只有保持刀具軸線與被加工型面間有一定的傾角才能獲得好的表面加工質(zhì)量,因此最好要采用多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床。模具制造業(yè)是支撐日本工業(yè)的重要產(chǎn)業(yè)之一,對(duì)模具加工的要求也日益苛刻,不僅對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有更高的要求,而且能否滿足短期交貨和實(shí)現(xiàn)低成本都是模具制造廠必須關(guān)注的問(wèn)題。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查表明,模具行業(yè)的需求主要包括以下幾個(gè)方面[4]:

(1) 能夠適應(yīng)短期交貨的高效率加工方法及加工機(jī)床;

(2) 利用三維高速切削的高質(zhì)量加工;

(3) 能夠支援設(shè)計(jì)直至生成高速加工刀具軌跡的CAD/CAM系統(tǒng);

(4) 具有高效性能和長(zhǎng)壽命的刀具;

(5) 逆向工程技術(shù)的應(yīng)用。

為了滿足高速銑削加工的要求,僅僅保證機(jī)床主軸有一個(gè)很高的轉(zhuǎn)速是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。真正好的高速銑削加工機(jī)床,除了有足夠高的主軸轉(zhuǎn)速外,還要有很快的進(jìn)給速度、較大的加速度,并且還必須具備高精度、高阻尼以及良好的抗振性等性能要求,其運(yùn)動(dòng)部件要發(fā)熱少、熱變形小、傳動(dòng)平穩(wěn)等。

而對(duì)于模具制造來(lái)說(shuō),僅僅擁有高精度的高速加工機(jī)床還不夠,還必須掌握先進(jìn)的高速、高精度模具加工工藝技術(shù)。

 

3. 應(yīng)用于模具加工的主要高速銑削加工中心

日本工業(yè)界善于吸取各國(guó)的研究成果并技術(shù)應(yīng)用到新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中去,在高速切削機(jī)床的研究和開(kāi)發(fā)方面后來(lái)者居上,現(xiàn)已躍居世界領(lǐng)先地位。目前,具有代表性的制造廠商有:馬扎克(Mazak)、森精機(jī)(Mori Seiki)、牧野(Makino)、沙迪克(Sodick)、大隈(Okuma)、北村機(jī)械(Kitamura Kikai)和池貝(Ikegai)[5]。

馬扎克株式會(huì)社生產(chǎn)的機(jī)床具有優(yōu)越的技術(shù)性能和廣泛的適用范圍,主要產(chǎn)品有INTEGREX系列復(fù)合機(jī)床、NEXUS系列臥式加工中心、ANGULAX系列多面加工中心、UN600系列加工中心。其中,INTEGREX 300-III ST號(hào)稱是世界上用途最廣泛的多功能機(jī)床,集車、銑、葉片加工、偏心零件加工、斜面銑削、激光熱處理和磨削等功能于一身,工件經(jīng)一次裝卡可完成從毛坯到精加工成品的所有操作。

森精機(jī)株式會(huì)社主要生產(chǎn)NV系列高精密立式加工中心、NH系列高精密臥式加工中心,采用“重心驅(qū)動(dòng)”新技術(shù),加速度快,排屑系統(tǒng)性能優(yōu)越。其中,NH800DCG高精度臥式加工中心的每個(gè)主軸都具有雙驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),適用于加工大型工件[6]。

牧野株式會(huì)社的主要產(chǎn)品有V(或S)系列立式加工中心和a(或A)系列臥式加工中心。V系列屬于小型立式加工中心,電主軸的冷卻和潤(rùn)滑方式采用軸心冷卻和軸承內(nèi)潤(rùn)滑,獨(dú)特的主軸軸心冷卻系統(tǒng),可以提高主軸的剛性、精度和加工速度,并使主軸能夠長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作于最高轉(zhuǎn)速,適于小型工件的高速、精密加工。其中,V22轉(zhuǎn)速40000rpm,進(jìn)給速度20m/min,適合于電極及淬硬鋼小模具的高速精銑。MAKINO A77三軸數(shù)控高速銑削加工中心,主軸轉(zhuǎn)速20000rpm,有兩個(gè)工作臺(tái),使用硬質(zhì)合金球面立銑刀模具型腔曲面加工精度可達(dá)0.01mm,大大提高了生產(chǎn)效率和加工精度,降低了后續(xù)拋光工作量[7]。

沙迪克株式會(huì)社主要生產(chǎn)MC430L高速加工中心,其特點(diǎn)是X、Y、Z軸均采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng),直線電機(jī)與工作臺(tái)直接連接,具有低振動(dòng)、低噪聲、免維護(hù)的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了高響應(yīng)高精度的控制。

大隈株式會(huì)社主要生產(chǎn)MULTUS智能型多任務(wù)機(jī)床和MB系列高速加工中心。其中,MULTUS B300智能型多任務(wù)機(jī)床采用緊湊式設(shè)計(jì),配裝防撞系統(tǒng)和大隈開(kāi)發(fā)的數(shù)控系統(tǒng),MB-500H高速臥式加工中心和MB-66VA高速五軸立式加工中心是其新開(kāi)發(fā)的兩種機(jī)型。

北村機(jī)械株式會(huì)社是日本唯一一家專業(yè)生產(chǎn)加工中心的公司,主要生產(chǎn)立式、臥式和龍門式加工中心,其機(jī)床均采用齒輪變速的主軸,在低速時(shí)具有大扭矩,X、Y、Z軸均采用經(jīng)過(guò)手工刮研的面與面接觸的方軌,剛性強(qiáng),摩擦小,壽命長(zhǎng),且省電、經(jīng)濟(jì)。主要產(chǎn)品有NanoMycenter高精度高速立式加工中心、Mycenter-2XiF Sparkchanger立式加工中心、Mycenter-HX400iF臥式加工中心、Mycenter-HX630i臥式加工中心、Mytrunion超高精五軸加工中心,其中,NanoMycenter采用絲杠中空冷卻技術(shù)和獨(dú)有的智能反饋系統(tǒng),確保位置定位精度0.001mm。

池貝株式會(huì)社主要生產(chǎn)TV型立式加工中心和TH型臥式加工中心。其機(jī)床均采用U軸刀具專利技術(shù),在其刀具旋轉(zhuǎn)的同時(shí),刀頭可沿著刀架端面做徑向運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)精度可達(dá)0.001mm。U軸刀具的定位精度是±3μm,重復(fù)定位精度±1.5μm,在轉(zhuǎn)速為1000r/min,進(jìn)給0.06mm/r的加工條件下,加工圓柱類、錐面類零件的直圓柱部圓度可達(dá)2.3μm,錐體部圓度可達(dá)2.6μm,而通常精密模具的精度要求在2-3μm,因此帶U軸的加工中心特別適合各種模具,尤其是具有復(fù)雜型面模具的加工[8]。

目前,模具加工對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的需求日益增多,基于用戶需求,各機(jī)床廠商已開(kāi)發(fā)出各種各樣的五軸加工中心。采用主軸擺動(dòng)和水平工作臺(tái)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的五軸加工中心在加工中不受工件重量影響;采用高速大功率主軸和標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)式交換工作臺(tái)的五軸加工中心可以提高工作效率;部分五軸加工中心能夠在一次裝卡下完成包括五面加工和傾斜表面切削等在內(nèi)的所有操作[9]。此外,面向高速銑削的模具設(shè)計(jì)制造輔助系統(tǒng)也得到了較好應(yīng)用[10]。

值得一提的是,日本牧野提提倡高速、高精度的模具加工技術(shù),即用高速及高效率的加工方式,在縮短模具制造周期、降低成本的同時(shí),得到比以往更高質(zhì)量、更高精度的工件,這就是所謂的FF加工[11]。FF加工的定義有兩個(gè)F,第一個(gè)是指在加工過(guò)程中把切屑從切削點(diǎn)迅速?zèng)_掉(flush out),第二個(gè)是指與傳統(tǒng)方法比較,可以得到更高精度和更高質(zhì)量的加工表面(fine surface)。FF加工主要有三方面的特點(diǎn):小切削量,大進(jìn)給速度,贏得切削熱冷卻時(shí)間;快速清楚切屑,防止卡刀;使用側(cè)刃進(jìn)行切削,保持切削負(fù)荷恒定。用FF加工技術(shù)進(jìn)行加工,即使進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的高速加工,也不會(huì)影響主軸的運(yùn)轉(zhuǎn)精度,使刀具能力得到高效發(fā)揮。如對(duì)于汽車門模具型腔,用高速臥式加工中心進(jìn)行FF加工,在粗加工工序上,可縮短3/4的加工時(shí)間;精加工刀具使用CBN刀具,一把刀就可進(jìn)行整個(gè)型腔面的精加工。不用考慮接刀痕的產(chǎn)生,以往2周的加工時(shí)間,在采用FF加工技術(shù)后縮短為53h。

 

參考文獻(xiàn)

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4. 寒月.日本各機(jī)床制造廠開(kāi)拓模具市場(chǎng).制造技術(shù)與機(jī)床,2000,(8): 2-3

5. 編輯部. JIMTOF2004展會(huì)見(jiàn)聞.制造技術(shù)與機(jī)床,2004,(12): 11-19

6. 卜基橋.靠核心技術(shù)占領(lǐng)市場(chǎng).現(xiàn)代制造,2004,(21): 26-27

7. 王頻.日本模具企業(yè)參觀印象.模具技術(shù),2002,(2): 84-88

8. 日本株式會(huì)社池貝上海事務(wù)所.高精度高性能的數(shù)控機(jī)床技術(shù).現(xiàn)代金屬加工,2006,(6): 42-43

9. 丁雪生編譯. 2001年日本金屬加工機(jī)床市場(chǎng)需求及發(fā)展趨勢(shì). 世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng). 2002,(5): 40-43

10. 井上章, 中澤康行, 上永修士. 金型設(shè)計(jì)製作支援システム. 松下電工技報(bào), 2002, (8): 63-70

11. 牧野銑床制作所. 高速高精度的模具加工技術(shù). 現(xiàn)代制造, 2003, (18): 24-28





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