今后幾年，高速加工，更確切地說(shuō)是硬加工在工具和模具制造的加工工藝所占的比重將增長(zhǎng)20%，這一評(píng)估并不是來(lái)源于一些有利益關(guān)聯(lián)的機(jī)床制造廠(chǎng)，而是Fraunhofer（弗勞恩霍夫）生產(chǎn)技術(shù)研究所在2004年對(duì)德國(guó)600家模具制造企業(yè)進(jìn)行調(diào)查后所得出的令人興奮的結(jié)論！
目前，硬銑加工已在工具、模具制造業(yè)的較大范圍內(nèi)獲得應(yīng)用，工具和模具制造企業(yè)面對(duì)日益加大的競(jìng)爭(zhēng)壓力，應(yīng)通過(guò)采用快速和柔性的加工工藝來(lái)應(yīng)對(duì)。大多數(shù)情況下，這種競(jìng)爭(zhēng)壓力并非是加工時(shí)間本身。因?yàn)榧庸r(shí)間是可以通過(guò)采用現(xiàn)代化機(jī)床和銑刀技術(shù)來(lái)縮短的。而問(wèn)題卻在于安排在前面和中間的工藝過(guò)程，例如淬火，淬火處理需要很多時(shí)間，而且會(huì)增多物料的后勤工作，這在模具制造時(shí)會(huì)延長(zhǎng)生產(chǎn)時(shí)間。通過(guò)各種不同的實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過(guò)硬銑的工件表面可以大大減少人工修磨，也就是可以減少例如拋光這樣的作業(yè)。這樣的效果，主要在于硬銑可以獲得比磨削加工更均勻的微觀幾何表面，此外，硬銑時(shí)還不會(huì)出現(xiàn)表面層的熱影響，而這種表面層熱影響，在電火花加工中被稱(chēng)之為“白色表層”，且這種白色表層必須通過(guò)人工的修磨才來(lái)去除。
圖1 硬銑: 硬加工粉末冶金制造的工具鋼時(shí)，對(duì)機(jī)床和銑刀有特殊的要求，
本圖是對(duì)模具（57HRC）進(jìn)行硬精銑
這些例子表明，與模具制造業(yè)中的傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝流程相比，硬銑具有很大的應(yīng)用潛力。所以對(duì)于本文開(kāi)頭所述硬銑的應(yīng)用增長(zhǎng)20%是完全可以實(shí)現(xiàn)的。盡管如此，也不是所有的情況采用硬銑都是可行的或是有效果的。因?yàn)樗械募庸ざ即嬖谥欠窠?jīng)濟(jì)的問(wèn)題。如果加工高強(qiáng)度特殊材料，加工花紋圖案和極小的零件或是幾何形狀特別復(fù)雜的零件。即使在今天，對(duì)于可以采用的加工工藝還是有一定的適用范圍。因此，本文根據(jù)當(dāng)前一些實(shí)例對(duì)目前硬銑的可行性、當(dāng)今開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)和其今后的發(fā)展前景作一概述。
愈來(lái)愈小的模具——不斷小型化的發(fā)展趨勢(shì)
如今，壓鑄件上狹小和微小的模腔數(shù)量明顯在增多，要是同整個(gè)微型系統(tǒng)的技術(shù)產(chǎn)品加在一起來(lái)看，這種小型模具加工則是一個(gè)強(qiáng)勁增長(zhǎng)的領(lǐng)域。此外，由于模具對(duì)精度和表面質(zhì)量要求極高，這是一種精密的壁龕產(chǎn)品。如果采用有效的加工工藝來(lái)加工這類(lèi)產(chǎn)品，那么對(duì)于德國(guó)和歐洲的企業(yè)來(lái)說(shuō)，恰恰是在未來(lái)提供了一個(gè)很大的潛在市場(chǎng)。基于某些基本的考慮，硬銑工藝對(duì)于制造微型結(jié)構(gòu)的模具來(lái)說(shuō)，有著很大的優(yōu)勢(shì)。僅僅一個(gè)事實(shí)是，構(gòu)件可以在一次裝夾下完成加工，從而顯著提高加工精度。按這種加工方式，可明顯減少為了工件換夾所需附加的加工余量。由于機(jī)床領(lǐng)域的新發(fā)展，在當(dāng)今即使加工大型模腔，可以可靠地保持小于±0.01mm的公差。對(duì)于特殊的應(yīng)用情況，機(jī)床也能較好地確保1μm的精度。在今天，直徑為0.1mm的硬質(zhì)合金銑刀已列入產(chǎn)品目錄，個(gè)別也有更小直徑的產(chǎn)品。對(duì)于淬硬材料的加工，當(dāng)然是采用涂層刀具，這已經(jīng)通過(guò)很多實(shí)驗(yàn)得到了確認(rèn)。
圖2 較小的區(qū)別：0.3mm和4mm直徑的硬質(zhì)合金銑刀
如果加工深的槽，就需采用小直徑的刀具，這樣，銑削加工與電火花加工驟然發(fā)生了競(jìng)爭(zhēng)。在這種情況下，在典型的模具制造中，大多數(shù)情況都會(huì)因?yàn)橛欣蛩厥沟闷髽I(yè)決定采用銑削替代電火花加工。但是，小型模腔銑削的優(yōu)點(diǎn)首先在于可獲得較好的表面質(zhì)量和簡(jiǎn)化的生產(chǎn)工藝流程。這對(duì)于小型模具的加工顯然是非常有益的。
高硬度工具鋼——粉末冶金工具鋼的加工
通過(guò)粉末冶金制造的工具鋼，由于其良好的性能，可明顯提高熱硬度、耐磨性和韌性。這些是作為工具鋼使用的重要性能，然而在加工時(shí)這些特性則往往會(huì)導(dǎo)致刀具耐用度的很快降低和不好的加工效果。Fraunhofer生產(chǎn)技術(shù)研究所曾采用由精細(xì)顆粒硬質(zhì)合金的涂層刀具進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)。粉末冶金的細(xì)密組織是使硬銑產(chǎn)生一系列變化的原因。碳化物細(xì)密的分布之優(yōu)點(diǎn)是，在銑削時(shí)不會(huì)像加工傳統(tǒng)材料中粗大和條狀分布的碳化物，而使切削刃突然加重負(fù)載。在切削傳統(tǒng)的冶煉冷作工具鋼時(shí)，粗大和條狀碳化物常常會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的崩刃，由此使刀具過(guò)早的損壞。在加工粉末冶金的材質(zhì)時(shí)，由于大量的碳化物而產(chǎn)生磨粒磨損和強(qiáng)烈的粘結(jié)，從而加快了刀具磨損。這也是為什么銑刀（特別在精加工時(shí)）耐用度迅速降低的原因。
此外，材料的韌性會(huì)造成切屑對(duì)刀具切削刃的粘結(jié)，而這種粘結(jié)通過(guò)周期性的切屑滑離也會(huì)明顯增加切削振動(dòng)。此外，如果刀具的幾何角度不合適，還會(huì)加劇成形毛刺。特別是在采用很小的刀具加工槽時(shí)，這被證明是進(jìn)行可靠加工的很大障礙。
總的來(lái)說(shuō)，在粗加工時(shí)，粉末冶金工具鋼與傳統(tǒng)冶煉的工具鋼相比，具有良好的切削性能。如果采用較小的切削厚度，這也許是在精加工或是在用極小直徑的刀具進(jìn)行加工時(shí)所采用的切削用量，加工時(shí)將加劇磨粒磨損，顯然這樣便抵消了材料良好切削性能所帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)。
5軸加工或還只是“3+2”？
有關(guān)采用5軸聯(lián)動(dòng)控制的機(jī)床來(lái)加工模具型腔所具有的很多優(yōu)點(diǎn)，早在上世紀(jì)九十年代初已進(jìn)行過(guò)介紹并為人們所認(rèn)識(shí)。5軸加工首先是要求較寬的行距，懸伸長(zhǎng)度短而剛性高的銑刀，幾乎可以加工任意幾何形狀的模具，并具有顯著穩(wěn)定的工藝過(guò)程。但環(huán)顧當(dāng)今的眾多模具企業(yè)，發(fā)現(xiàn)只是在個(gè)別情況下才能看到真正的5軸聯(lián)動(dòng)加工。是不是在許多場(chǎng)合下，可使用的機(jī)床設(shè)備大多數(shù)是3軸或最多是采用添加第4個(gè)軸或第5個(gè)軸來(lái)進(jìn)行加工？
圖3 較大的應(yīng)用潛力：就銑削工藝未來(lái)應(yīng)用潛力對(duì)企業(yè)所進(jìn)行的調(diào)查表明,
采用高速銑和硬銑削是發(fā)展的趨勢(shì)
事實(shí)上，因?yàn)?軸聯(lián)動(dòng)加工的編程比較費(fèi)事，且在許多情況下沒(méi)有足夠的技術(shù)訣竅，這樣，在通盤(pán)考慮時(shí)便會(huì)局限于其經(jīng)濟(jì)性，致使3軸加工看來(lái)仍是比較合適的。此外，至今還沒(méi)有成熟的CAM戰(zhàn)略，使得5軸聯(lián)動(dòng)硬銑加工成為企業(yè)合理得選擇。而這種5軸聯(lián)動(dòng)硬銑特別適合于粗加工和半精加工，在加工時(shí)，保持刀具恒定的切削條件和負(fù)載條件具有特別重要的意義。
但是，在對(duì)一些企業(yè)進(jìn)行考察時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)令人感興趣的前景：目前渦輪葉片（特別是所謂的整體葉片毛坯，即一種整體葉輪）就是針對(duì)類(lèi)似的邊緣條件進(jìn)行開(kāi)發(fā)的。因此，在不久的將來(lái)，必須著手研究和開(kāi)發(fā)模具加工工藝，進(jìn)一步減少編程費(fèi)用，即使只是加工一個(gè)模具型腔，也要改善其加工的經(jīng)濟(jì)性。
這里所述的內(nèi)容，也是由歐洲委員會(huì)推動(dòng)和為期2年的“Hard Precision”項(xiàng)目的目標(biāo)之一。這個(gè)項(xiàng)目已于2005年12月份在Fraunhofer生產(chǎn)技術(shù)研究所正式啟動(dòng)。為開(kāi)展這項(xiàng)目，由包括來(lái)自全歐洲的研究所，機(jī)床制造廠(chǎng)和CAM軟件公司，刀具生產(chǎn)廠(chǎng)和涂層公司，測(cè)量設(shè)備和夾具制造廠(chǎng)以及工具和模具的不同行業(yè)的最終用戶(hù)組成臨時(shí)性聯(lián)合組織，以進(jìn)行廣泛合作。目標(biāo)是成功地使5軸硬銑能用來(lái)既經(jīng)濟(jì)又精密地加工淬硬的工具和模具。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，除了采用新穎的全流體靜壓支承的機(jī)床外，還要重視研究硬銑的整個(gè)加工工藝流程，只有這樣，才能實(shí)現(xiàn)確定的目標(biāo)。
圖4 保護(hù)措施：為了減少磨損，用來(lái)進(jìn)行硬銑的極細(xì)小的銑刀應(yīng)進(jìn)行涂層。
（圖片來(lái)源：Fraunhofer生產(chǎn)技術(shù)研究所）
硬銑作為加工工藝流程的一部分
通過(guò)采用新的機(jī)床、新的控制系統(tǒng)和改進(jìn)的工藝技術(shù)，以使硬銑這樣的單個(gè)加工工藝更加具有綜合性，而通過(guò)合適的生產(chǎn)規(guī)劃，NC編程和在企業(yè)的生產(chǎn)工藝流程中集成銑削，使企業(yè)獲得更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
在生產(chǎn)中，采用的工件材料不僅種類(lèi)多，工具和模具的品種也很繁多，這導(dǎo)致運(yùn)用工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)的工藝知識(shí)也愈來(lái)愈復(fù)雜。當(dāng)今，CAM系統(tǒng)通過(guò)儲(chǔ)存參數(shù)和刀具數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)可以幫助這種決策。正確選擇NC編程的銑削戰(zhàn)略，對(duì)加工的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性有很大影響。因此，恰恰在對(duì)于工藝設(shè)計(jì)時(shí)采用硬銑加工時(shí)，必須給予特別重視——考慮所要求的構(gòu)件特征是與考慮刀具和機(jī)床上所承受的負(fù)載是一樣的。如果考慮到了這些邊緣條件，那么硬銑加工的應(yīng)用還將有進(jìn)一步增長(zhǎng)的可能，即使是加工狹槽，硬銑工藝也將獲得推廣應(yīng)用。
該文摘自德國(guó)Form+Werkzeug雜志
國(guó)際模具制造商情
