模具导论第6章模具先进制造技术

第六章第六章第六章第六章 模具先进制造技术模具先进制造技术模具先进制造技术模具先进制造技术目录Content123456高速铣削技术 电火花铣削加工技术 可重构模具技术快速制模技术高压水射流切割技术模具CAD/CAE/CAM技术1 1高速铣削技术高速铣削技术是切削加工技术的主要发展方向之一,它随着 CNC 技术、微电子技术、新材料和新结构等基础技术的发展而迈上更高的台阶,是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术,目前已发展成为第三代制模技术。6.1 6.1 高速铣削技术高速铣削技术1.1.高速铣削技术特点高速铣削技术特点传统铣削加工采用低的进给速度和大的切削参数,而高速铣削加工采用高的进给速度和小的切削参数,高速铣削加工相对于普通铣削加工具有如下特点。6.1 6.1 高速铣削技术高速铣削技术1.1.高速铣削技术特点高速铣削技术特点1.提高生产效率提高生产效率高速铣削的主轴转速一般为15000r/min40000r/min,最高可达100000r/min。在切削钢时,其切削速度约为400 m/min,比传统的铣削加工高510倍,在加工模具型腔时与传统的加工方法(传统铣削、电火花成形加工等)相比其效率提高45倍。6.1 6.1 高速铣削技术高速铣削技术1.1.高速铣削技术特点高速铣削技术特点2.可部分代替某些工艺可部分代替某些工艺高速铣削使切削加工发生了本质性飞跃,它改变了传统模具加工采用的“退火铣削加工热处理磨削”或“电火花加工手工打磨、抛光”等复杂冗长的工艺流程,采用高速切削加工替代原来的全部工序,从而避免了电极制造和费时的电加工,大幅度减少了钳工或磨削的打磨与抛光量。6.1 6.1 高速铣削技术高速铣削技术1.1.高速铣削技术特点高速铣削技术特点6.1 6.1 高速铣削技术高速铣削技术1.1.高速铣削技术特点高速铣削技术特点3.改善加工精度和表面质量改善加工精度和表面质量高速铣削单位功率的金属切除率提高了30%40%,切削力降低了30%,刀具的切削寿命提高了70%,并且残留于工件的切削热大幅度降低(加工工件温度只升高3),低阶切削振动几乎消失,从而加工精度很高,表面粗糙度很小。高速铣削加工精度一般为10mm,有的精度还要高。最好的表面粗糙度 Ra 小于1 um,可减少后续磨削及抛光工作量。高速铣削可获得无铣痕的加工表面,使零件表面质量大大提高。加工铝合金时可达 Ra=0.40.6 um,加工钢件时可达Ra=0.20.4 um。6.1 6.1 高速铣削技术高速铣削技术1.1.高速铣削技术特点高速铣削技术特点4.可加工高硬材料和薄壁零件可加工高硬材料和薄壁零件高速铣削可加工5054HRC的钢材,铣削的最高硬度可达60HRC。高速铣削时切削力小,有较高的稳定性,可加工薄壁零件。采用分层铣削的方法,可切削出壁厚为0.2mm,壁高为20mm 的薄壁。图所示为高速切削加工的零件。6.1 6.1 高速铣削技术高速铣削技术1.1.高速铣削技术特点高速铣削技术特点6.1 6.1 高速铣削技术高速铣削技术1.1.高速铣削技术特点高速铣削技术特点6.1 6.1 高速铣削技术高速铣削技术2.2.高速铣削加工机床高速铣削加工机床由于模具加工的特殊性以及高速加工技术的自身特点,对模具高速加工的相关技术及工艺系统(加工机床、数控系统、刀具等)提出了比传统模具加工更高的要求。6.1 6.1 高速铣削技术高速铣削技术2.2.高速铣削加工机床高速铣削加工机床1.高稳定性的机床支撑部件高稳定性的机床支撑部件高速切削机床的床身等支撑部件应具有很好的动、静刚度,热刚度和最佳的阻尼特性。大部分机床都采用高质量、高刚性和高抗张性的灰铸铁作为支撑部件材料,有的机床公司还在底座中添加高阻尼特性的聚合物混凝土,以增加其抗振性和热稳定性,不但可保证机床精度稳定,也可防止切削时刀具振颤。采用封闭式床身设计,整体铸造床身,对称床身结构并配有密布的加强筋等也是提高机床稳定性的重要措施。一些机床公司的研发部门在设计过程中还采用模态分析和有限元结构计算等,优化了结构,使机床支撑部件更加稳定可靠。6.1 6.1 高速铣削技术高速铣削技术2.2.高速铣削加工机床高速铣削加工机床2.机床主轴机床主轴高速机床的主轴性能是实现高速切削加工的重要条件。高速切削机床主轴的转速范围为10000100000m/min,主轴功率大于15kW。通过主轴压缩空气或冷却系统控制刀柄和主轴间的轴向间隙不大于0.005mm。还要求主轴具有快速升速、在指定位置快速准停的性能(即具有极高的角加减速度),因此高速主轴常采用液体静压轴承式、空气静压轴承式、热压氮化硅(Si3N4)陶瓷轴承磁悬浮轴承式等结构形式。润滑多采用油气润滑、喷射润滑等技术。主轴冷却一般采用主轴内部水冷或气冷。6.1 6.1 高速铣削技术高速铣削技术2.2.高速铣削加工机床高速铣削加工机床3.机床驱动系统机床驱动系统为满足模具高速加工的需要,高速加工机床的驱动系统应具有下列特性。高的进给速度。研究表明,对于小直径刀具,提高转速和每齿进给量有利于降低刀具磨损。目前常用的进给速度范围为2030m/min,如采用大导程滚珠丝杠传动,进给速度可达60m/min;采用直线电机则可使进给速度达到120m/min。6.1 6.1 高速铣削技术高速铣削技术2.2.高速铣削加工机床高速铣削加工机床 高的加速度。对三维复杂曲面廓形的高速加工要求驱动系统具有良好的加速度特性,要求提供高速进给的驱动器(快进速度约4 0m/m i n,3D轮廓加工速度为10 m/min),能够提供0.4 m/s2到10 m/s2的加速度和减速度。机床制造商大多采用全闭环位置伺服控制的小导程、大尺寸、高质量的滚珠丝杠或大导程多头丝杠。随着电机技术的发展,先进的直线电动机已经问世,成功应用于 CNC 机床。先进的直线电动机驱动使 CNC机床不再有质量惯性、超前、滞后和振动等问题,加快了伺服响应速度,提高了伺服控制精度和机床加工精度。6.1 6.1 高速铣削技术高速铣削技术2.2.高速铣削加工机床高速铣削加工机床4.数控系统数控系统先进的数控系统是保证模具复杂曲面高速加工质量和效率的关键因素,模具高速切削加工对数控系统的基本要求如下。高速数字控制回路(Digital control loop)。包括32位或64位并行处理器及1.5Gb以上的硬盘,极短的直线电机采样时间。速 度 和 加 速 度 的 前 馈 控 制(Feed forward control),数 字 驱 动 系 统 的 爬 行 控制(Jerk control)。先进的插补方法(基于 NURBS的样条插补),以获得良好的表面质量、精确的尺寸和高的几何精度。6.1 6.1 高速铣削技术高速铣削技术2.2.高速铣削加工机床高速铣削加工机床 预处理(Look-ahead)功能。要求具有大容量缓冲寄存器,可预先阅读和检查多个程序段(如DMG 机床可多达500个程序段,Simens系统可达10002000个程序段),以便在被加工表面形状(曲率)发生变化时可及时采取改变进给速度等措施避免过切等误差。误差补偿功能。包括因直线电机、主轴等发热导致的热误差补偿、象限误差补偿、测量系统误差补偿等功能。此外,模具高速切削加工对数据传输速度的要求也很高。传统的数据接口。如 RS232串行口的传输速度为19.2 kb,而许多先进的加工中心均已采用以太局域网(Ethernet)进行数据传输,速度可达200 kb。6.1 6.1 高速铣削技术高速铣削技术2.2.高速铣削加工机床高速铣削加工机床瑞士米克朗公司研发的 UCP710具有回转/摆动工作台,可实现五轴联动加工的立式模块化加工中心(HSM),其床身和龙门式框架结构由聚合物混凝土制成,提高了机床的刚性、抗振性、热稳定性及机床的加工精度。工作台可完成 X 轴、A 轴(150)、C轴(360)运动,主轴完成 Y、Z 轴 运 动,机 床 定 位 可 达 8 mm。机 床 具 有 激 光 动 态 对 刀 仪,可 在30000r/min时进行对刀测量,精度达到1 mm。机床还有真空吸尘功能,可对石墨进行加工。自制的 具 有 矢 量 闭 环 控 制 电 主 轴 最 大 转 速 为 42000r/min。米 克 朗 高 速 铣 削 机 床UCP710如图所示。6.1 6.1 高速铣削技术高速铣削技术2.2.高速铣削加工机床高速铣削加工机床6.1 6.1 高速铣削技术高速铣削技术3.3.高速切削加工刀柄和刀具高速切削加工刀柄和刀具 刀具是高速切削加工中最活跃重要的因素之一,直接影响加工效率、制造成本和产品的加工精度。刀具在高速加工过程中要承受高温、高压、摩擦、冲击和振动等载荷,应具有良好的机械性能和热稳定性,即具有良好的抗冲击、耐磨损和抗热疲劳的特性。高速切削加工的刀具技术发展很快,应用较多的如金刚石(PCD)、立方氮化硼(CBN)、陶瓷刀具、涂层硬质合金、(碳)氮化钛硬质合金 TIC(N)等。6.1 6.1 高速铣削技术高速铣削技术3.3.高速切削加工刀柄和刀具高速切削加工刀柄和刀具 由于高速切削加工时离心力和振动的影响,要求刀具具有很高的几何精度、装夹重复定位精度,及很高的刚度和高速动平衡的安全可靠性。由于高速切削加工时较大的离心力和振动等特点,传统的72 4锥度刀柄系统在进行高速切削时表现出明显的刚性不足,重复定位精度不高,轴向尺寸不稳定等缺陷,同时主轴的膨胀引起刀具及夹紧机构质心的偏离,影响刀具的动平衡能力。6.1 6.1 高速铣削技术高速铣削技术3.3.高速切削加工刀柄和刀具高速切削加工刀柄和刀具 目前应用较多的是 HSK 高速刀柄和国外现今流行的热胀冷缩紧固式刀柄,如图所示。热胀冷缩紧固式刀柄有加热系统,刀柄一般都采用锥部与主轴端面同时接触,其刚性较好,但是刀具可换性较差,一个刀柄只能安装一种直径的刀具。由于此类加热系统比较昂贵,在初期时采用 HSK 类的刀柄系统即可。当企业的高速机床数量超过3台以上时,采用热胀冷缩紧固式刀柄比较合适。6.1 6.1 高速铣削技术高速铣削技术3.3.高速切削加工刀柄和刀具高速切削加工刀柄和刀具 6.1 6.1 高速铣削技术高速铣削技术3.3.高速切削加工刀柄和刀具高速切削加工刀柄和刀具 高速切削技术是切削加工技术的主要发展方向之一,目前主要应用于汽车工业和模具行业,尤其是在复杂曲面加工领域、工件本身或刀具系统刚性要求较高的加工领域等,是多种先进加工技术的集成。该技术目前已在发达国家的模具制造业中普遍应用,而在我国的应用范围及应用水平仍有待提高,由于其具有传统加工无可比拟的优势,仍将是今后加工技术必然的发展方向。2 2电火花铣削加工技术 6.2 6.2 电火花铣削加工技术电火花铣削加工技术电火花加工一直都是模具技术的核心部分,尤其是在注塑模制造中发挥着举足轻重的作用。目前高速铣削技术的进步已经替代了模具制造中一些电火花加工工序,因此有人认为其发展趋势将替代电火花加工。但如果对这两大模具成型技术各自的优势及不足给予认真分析,就可以发现,高速铣削加工由于受铣削加工方式本身特点的制约,并不能替代电火花加工。像深槽窄缝、内清角、棱边清晰的加工,细微、复杂、精密的加工,深型腔的加工,还有超硬材料的加工,这些都是高速铣削加工欠缺之处,相反电火花加工却占有绝对优势。另外,电火花加工在目前数控技术发展新形势的影响下,朝着更深层次、更高水平的数控化方向快速发展。由此,一种新型的加工方式就形成了 电火花铣削加工技术。6.2 6.2 电火花铣削加工技术电火花铣削加工技术电火花铣削加工技术也称电火花创成加工技术,是一种替代传统的用成型电极加工腔体的新技术,它是电火花成型加工领域的重大发展。电火花铣削加工是在综合考虑电火花成型加工和高速铣削两种工艺的优势的基础上提出的,一方面继承了高速铣削技术加工速度快、加工柔性好等优点;另一方面又具有电火花成型加工适合于精密型腔加工,具有深槽、窄缝的型腔加工及高硬材料加工的优点,必将成为复杂的型腔快速加工的最佳选择。6.2 6.2 电火花铣削加工技术电火花铣削加