某型錐口罩沖壓工藝及其模具設(shè)計(jì),某型錐,口罩,沖壓,工藝,及其,模具設(shè)計(jì) 高速加工和現(xiàn)代模具制造 一、概述 1．目前模具制造的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì) 模具作為重要的工藝裝備，在消費(fèi)品、電器電子、汽車、飛機(jī)制造等工業(yè)部門中，占有舉足輕重的地位。工業(yè)產(chǎn)品零件粗加工的75%，精加工的50%及塑料零件的90%將由模具完成。目前中國(guó)模具市場(chǎng)需求已達(dá) 500 億元之規(guī)模。汽車模具、特別是覆蓋件模具年增長(zhǎng)速度將超過 20 %；建材模具也迅速發(fā)展，各種異型材模具、墻面和地面模具成為模具的新增長(zhǎng)點(diǎn)，今后幾年塑料門窗和塑料排水管增長(zhǎng)將超過 30 %；家電模具年增長(zhǎng)速度將超過 10 %；IT 業(yè)年均增長(zhǎng)速度超過 20 % ，對(duì)模具的需求占模具市場(chǎng)的 20 %。2004 年中國(guó)機(jī)床工具工業(yè)產(chǎn)值將繼續(xù)增長(zhǎng)。我國(guó)模具制造市場(chǎng)潛力巨大。根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)，我國(guó)模具的年總產(chǎn)值達(dá)到30億美元，進(jìn)口超過10億美元，出口超過1億美元。增長(zhǎng)從1995年的25% 增加到2005年的50%。國(guó)外專家預(yù)言：亞洲在全球模具制造中占據(jù)的份額，將從1995年的25%增加至2005年的50%。 中國(guó)模具工業(yè)發(fā)展迅速，形成了華東和華南兩大基地，并且逐漸擴(kuò)大到其他省份。(山東,安徽,四川) 1996年～2002年，模具制造業(yè)產(chǎn)值年平均增長(zhǎng)14%，2003年增長(zhǎng)25%。2003年我國(guó)模具產(chǎn)值為450億人民幣。總產(chǎn)量位居世界第3，出口模具3.368億美元，比上年增長(zhǎng) 33.5%。但是，我國(guó)技術(shù)含量低的模具已供過于求，精密、復(fù)雜的高檔模具很大部分依靠進(jìn)口。每年進(jìn)口模具超過10億美元。出口超過1億美元精密模具精度要求在 2～3μ m,大型模具需要滿足8000kN合模力注塑機(jī)的要求;小型模具需滿足直徑1mm塑料管的要求。目前，采用高速切削生產(chǎn)模具已經(jīng)成為模具制造的大趨勢(shì)，在國(guó)外一些模具生產(chǎn)廠家，高速機(jī)床大面積取代電火花機(jī)床，高速切削大大提高了模具生產(chǎn)效率。機(jī)床企業(yè)瞄準(zhǔn)模具生產(chǎn)企業(yè)，有的加工中心生產(chǎn)廠機(jī)床的60%以上賣給模具加工企業(yè)。高速切削逐漸取代電火花精加工模具在國(guó)外的模具制造企業(yè)已經(jīng)普遍采用，高速切削生產(chǎn)模具已經(jīng)成為逐漸模具制造的大趨勢(shì)，大大提高了模具生產(chǎn)效率和質(zhì)量。采用高速切削替代電火花生產(chǎn)模具，可以明顯提高效率、提高模具精度、使用壽命長(zhǎng)。 2．高速加工在模具制造中的應(yīng)用 2．1高速切削的優(yōu)點(diǎn)： 1） 刀具的高轉(zhuǎn)速和機(jī)床的高進(jìn)給以及高加速度，大大提高金屬切除率； 2） 高速切削減小切削力； 3） 高速切削熱大部分由切屑帶走，工件發(fā)熱少； 4） 高速切削減少振動(dòng)，提高加工質(zhì)量； 2．2高速加工應(yīng)用于模具加工的效益 1） 快速粗加工和半精加工，提高加工效率； 2） 高速高精度精加工硬切削代替光整加工，表明質(zhì)量高，形狀精度提高，比EDM加工提高效率50%，減少手工修磨； 3） 硬切削加工最后成型表面，提高表面質(zhì)量、形狀精度，(不僅是表面粗糙度低，而且表面光亮度高)，用于復(fù)雜表面的加工更具優(yōu)勢(shì)； 4） 避免EDM加工產(chǎn)生的表面損傷，提高模具壽命20%； 5） 結(jié)合CAD/CAM技術(shù)快速加工電極，特別是形狀復(fù)雜、薄壁類電極。 3． 采用高速切削加工模具需要解決的問題 在國(guó)內(nèi)，由于資金、技術(shù)等方面的原因，應(yīng)用高速切削生產(chǎn)模具還處于初期階段。 還存在機(jī)床、刀具、工藝以及其他方面的一些問題需要逐步解決。 缺點(diǎn)是加工成本高，對(duì)刀具的使用有較高的要求，不能使用過大的刀具，要有復(fù)雜的計(jì)算機(jī)編程技術(shù)做支持，設(shè)備運(yùn)行成本高。 二、加工模具的高速加工機(jī)床 模具精加工和硬切削加工需要數(shù)控高速機(jī)床,模板、模架加工需要精密、高效數(shù)控機(jī)床等。許多機(jī)床企業(yè)瞄準(zhǔn)模具生產(chǎn)，有的加工中心生產(chǎn)廠機(jī)床的60%以上賣給模具企業(yè)。模具行業(yè)今后幾年年均有50億元的固定資產(chǎn)投入，其中80%是購(gòu)買模具加工設(shè)備，也就是說每年有40億元人民幣要購(gòu)買金切機(jī)床。目前我國(guó)數(shù)控機(jī)床的平均利用率大約20%，高速機(jī)床的利用率3～5%。模具企業(yè)也有相當(dāng)?shù)膯挝毁?gòu)買高速機(jī)床，從6000～40000rmp的都有。 1．高速機(jī)床的技術(shù)參數(shù)要求 加工中心主軸大功率、高轉(zhuǎn)速，滿足粗精加工；精加工模具要用小直徑刀具，機(jī)床一般要達(dá)到15000～20000rmp。通常主軸轉(zhuǎn)速在10000rpm以下的機(jī)床可以進(jìn)行粗加工和半精加工，達(dá)不到精加工的精度；無(wú)法達(dá)到400m/min以上的切削速度。 2． 五軸機(jī)床的應(yīng)用增加趨勢(shì) 1）加工路線靈活，表面形狀復(fù)雜； 2）加工范圍大，適合多種類型模具加工； 3）切削條件好，減少刀具磨損，提高刀具壽命； 3． 購(gòu)買CAD/CAM軟件和高速機(jī)床配套 據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年有幾十億美元用于進(jìn)口機(jī)床，大部分電加工機(jī)床和高速機(jī)床需要進(jìn)口。 三、高速切削模具的刀具技術(shù) 高速切削加工還需配備適宜高速切削的刀具。高速加工刀具材料的進(jìn)展促使了高速加工的發(fā)展。硬質(zhì)合金涂層刀具、聚晶增強(qiáng)陶瓷刀具使得兼顧高硬度的刀刃部和高韌性的基體成為可能。聚晶立方氮化硼(PCBN)刀片,其硬度可達(dá)3500～4500HV。聚晶金剛石(PCD)其硬度可達(dá)6000～10000HV。近年來(lái)德國(guó)SCS、日本三菱(神鋼)及住友、瑞士山特維克、美國(guó)肯納飛碩等國(guó)外著名刀具公司都先后推出了各自的高速切削刀具，不僅有高速切削普通結(jié)構(gòu)鋼的刀具,還有能直接高速切削淬硬鋼的陶瓷刀具等超硬刀具,尤其是涂層刀具異軍突起,在淬硬鋼的半精加工和精加工中發(fā)揮著巨大作用。新刀具材料和刀具技術(shù)的出現(xiàn)已經(jīng)使高速加工上的瓶頸問題不再會(huì)出現(xiàn)在刀具上。 但是，進(jìn)口刀具的昂貴價(jià)格也阻礙高速切削模具的重要因素。 一般來(lái)說,刀具以及刀夾的加速度達(dá)到3g以上，刀具的徑向跳動(dòng)要小于0.015mm，而刀的長(zhǎng)度不能大于4倍的刀具直徑。根據(jù)SANDVIK公司的實(shí)際統(tǒng)計(jì)，在使用碳氮化鈦(TICN)涂層的整體硬質(zhì)合金立銑刀(58HRC)進(jìn)行高速銑削時(shí),粗加工刀具線速度約為100m/min,而精加工和超精加工時(shí),其線速度超過了 280m/min。這樣對(duì)刀具的材料(包括硬度、韌性、紅硬性(高溫狀態(tài)下保持切削性能))、刀具的形狀(包括排屑性能、表面精度、動(dòng)平衡性等)以及刀具壽命都有很高的要求。根據(jù)國(guó)內(nèi)模具高速精加工的經(jīng)驗(yàn)，采用小直徑球頭銑刀進(jìn)行模具精加工時(shí)，線速度超過了400～800m/min。選擇足夠高速度的機(jī)床硬切削模具精加工。Delcam 采用0.8mm直徑的刀具加工窄槽，轉(zhuǎn)速40000rpm，0.1mm深度，進(jìn)給速度30m/min。. 1． 選擇刀具參數(shù)，如負(fù)前角刀具等。刀具要求比普通加工要求抗沖擊韌性更高，還要求抗熱沖擊能力強(qiáng)； 2． 采取多種方法提高刀具壽命，降低刀具成本。 3． 采用高速刀柄，目前應(yīng)用最多的是HSK刀柄，熱壓裝夾刀具。注意刀具裝夾后的整體動(dòng)平衡； 4． 當(dāng)前的刀具企業(yè)在解決高速切削刀具技術(shù)方面已經(jīng)做了很多工作，面向加工的刀具服務(wù)會(huì)幫助解決很多問題，刀具生產(chǎn)廠家成為主體，參考刀具生產(chǎn)廠家提供的技術(shù)參數(shù)。 四、 提高高速切削模具效率的工藝技術(shù) 1． 刀具直徑和長(zhǎng)度的選擇 2． HSM和EDM的選擇 3． 干切削和潤(rùn)滑冷卻 4． 進(jìn)給選擇：通常進(jìn)給量< 銑刀直徑10%，進(jìn)給寬度< 銑刀直徑40%。 根據(jù)材料情況合理選擇加工工藝參數(shù) 國(guó)外高速銑削加工零件材料質(zhì)量較，材料質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)相同,加工性能比較穩(wěn)定；而國(guó)外公司生產(chǎn)的刀具也是以他們的材料標(biāo)準(zhǔn)做試驗(yàn)；推薦的加工參數(shù)一般比較適合他們的標(biāo)準(zhǔn)，如果使用他們的刀具，與國(guó)內(nèi)的零件材質(zhì)有一定的區(qū)別,在高速銑削時(shí),這種差別表現(xiàn)得較為明顯，有些參數(shù)可以直接應(yīng)用，但有些效果就比較差。而國(guó)內(nèi)企業(yè)一般選用零件材質(zhì)有一定的標(biāo)準(zhǔn),所使用的零件材料，特別是能用高速加工的零件材質(zhì)，一般會(huì)局限在某些零件材料范圍內(nèi),這對(duì)我們應(yīng)用高速加工技術(shù)也提供了有利的條件，會(huì)在較少的加工材料范圍內(nèi)應(yīng)用。這里要強(qiáng)調(diào)的是，一定要在這些材料上選取優(yōu)化出一套適合本企業(yè)的加工工藝參數(shù)，并且納入企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。選用國(guó)產(chǎn)刀具,很少有推薦高速銑削的技術(shù)參數(shù)的,有必要做試驗(yàn),取得比較滿意的參數(shù),最好選用固定的刀具生產(chǎn)廠家,減少試驗(yàn)的次數(shù),形成加工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),這樣可以提高設(shè)備有效利用率,降低生產(chǎn)成本,可以取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。 五、高速切削的加工刀具路徑和編程 1） 平面進(jìn)給路徑選擇 2） 輪廓加工路徑選擇 3） 保持切削載荷平穩(wěn) 4） 保持相對(duì)平穩(wěn)的進(jìn)給量和進(jìn)給速度 5） 在平面切削中保持園拐角 6） 合理選擇精加工余量 HSC精加工對(duì)CAM的編程要求：1）盡量避免拐角的銑削運(yùn)動(dòng)；2）盡量避免工件外的進(jìn)刀與退刀運(yùn)動(dòng)，直接從輪廓進(jìn)入下一個(gè)深度。或者采用螺旋線或斜向進(jìn)給切入； 3）恒定每刃進(jìn)給，提高質(zhì)量，延長(zhǎng)刀具壽命；4）輪廓加工保持在水平面上等。高速切削CAM軟件：Delcam 公司幾年前就開始了高速切削加工編程技術(shù)的研究，開發(fā)了高速切削自動(dòng)編程軟件模塊；最近，MasterCAM 公司也開發(fā)了高速切削自動(dòng)編程軟件模塊；國(guó)內(nèi)北航海爾也在開發(fā)高速切削自動(dòng)編程軟件模塊； 六、 高速機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn) 1） 高速數(shù)據(jù)處理 2） 拐角預(yù)測(cè)處理 3） NURBS非有理樣條插補(bǔ)曲線加工 七、 高速切削模具的安全問題 1） 刀具磨損和破壞的監(jiān)測(cè)； 2） 刀片連接的強(qiáng)度； 3） 和普通機(jī)床加工不同，安全防護(hù)和開機(jī)前對(duì)機(jī)床和刀具的嚴(yán)格檢查非常重要。 八、 目前我國(guó)在采用高速加工模具技術(shù)中存在的問題 1．機(jī)床 1） 國(guó)產(chǎn)高速機(jī)床整體性能尚有差距，功能部件性能還不能滿足要求。包括電主軸的功率和轉(zhuǎn)速，進(jìn)口機(jī)床價(jià)格高； 2） 機(jī)床的高速下動(dòng)態(tài)特性研究還不夠，因而影響整機(jī)的性能； 3） 五軸機(jī)床還不夠成熟，進(jìn)口機(jī)床價(jià)格太高； 4） 配套技術(shù)和設(shè)備還不完全。 2． 刀具： 1） 國(guó)產(chǎn)刀具還不能夠適應(yīng)高速切削的應(yīng)用，特別是高速硬切削光整加工。進(jìn)口刀具價(jià)格高。刀具技術(shù)是影響高速切削加工模具的一個(gè)重要因素。 2） 配套技術(shù)還不夠，包括刀柄、成套在線動(dòng)平衡等。 3． 高速模具加工工藝技術(shù)及實(shí)驗(yàn) 1） 由于高速加工模具的歷史比較短，缺乏應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)積累； 2） 對(duì)高速切削工藝研究比較少，投入不夠，立項(xiàng)比較困難； 3） 缺少高速切削數(shù)據(jù)庫(kù)或手冊(cè)，目前還是空白； 4） 模具生產(chǎn)廠家對(duì)高速切削的認(rèn)識(shí)不夠，缺乏長(zhǎng)期效益的分析對(duì)比； 4． 缺乏高速切削自動(dòng)編程軟件； 5． 缺乏五軸聯(lián)動(dòng)高速切削自動(dòng)編程CAM軟件。 結(jié)束語(yǔ)： 模具市場(chǎng)對(duì)高速加工有強(qiáng)烈需求，但是技術(shù)跟不上。起步晚，基礎(chǔ)較差，整體技術(shù)水平不高，發(fā)展緩慢。需要各個(gè)方面協(xié)調(diào)發(fā)展，產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，加大投入，綜合利用各個(gè)方面力量推動(dòng)高速切削在模具制造中的應(yīng)用。我們希望，通過各方面的努力，在市場(chǎng)需求的推動(dòng)下，通過技術(shù)進(jìn)步，像汽車、機(jī)床、家電一樣，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，我國(guó)不但要成為模具生產(chǎn)大國(guó)，而且要成為模具生產(chǎn)強(qiáng)國(guó)。 參考文獻(xiàn) 1、金滌塵，宋放之.現(xiàn)代模具制造技術(shù)，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001. 2、許鶴峰，數(shù)字化模具制造技術(shù)，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001. 3、趙波.模具加工的前沿技術(shù)——高速加工.模具技術(shù)，2000，(2) 4、張海鷗.快速模具制造技術(shù)的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì).模具技術(shù)，2000，(6) 5、郭東明.王曉明.面向快速制造的特種加工技術(shù).中國(guó)機(jī)械工程，2000，(11) 4