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機械工程行業高速切削與模具精加工加工模具時

作者:二手挖掘機 來源:juhua355556.cn 發布時間:2017-09-17

摘要:高速加工具有傳統加工無可比拟的優勢,必将是今後加工技術的必然趨勢,并已成為現代汽車模具制造技術的發展趨勢之一。

二手挖掘機高速加工具有傳統加工無可比拟的優勢,必将是今後加工技術的必然趨勢,并已成為現代汽車模具制造技術的發展趨勢之一。

現代化的數控高速切削加工是集高效、優質、低耗于一身的先進制造技術。相對于傳統的切削加工,高速切削加工在切削速度、進給速度方面都有了質的飛躍,且其切削機理也有很大的變化。

與傳統切削加工相比,高速切削加工單位功率的金屬切除率提高了30%~40%,切削力降低了30%,刀具的切削壽命提高了70%,留于工件的切削熱也大幅度降低,低階切削振動幾乎消失。

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随着切削速度的提高,高速切削加工在單位時間内毛坯材料的去除率增加,切削時間減少,加工效率提高,從而縮短了産品的制造周期,提高了産品的市場競争力。同時,高速切削加工的小量快進使切削力減少,切屑的高速排除也減少了工件的切削力和熱應力變形,從而提高了剛性差和薄壁零件切削加工的可能性。由于切削力的降低,轉速的提高使切削系統的工作頻率遠離機床的低階固有頻率,而工件的表面粗糙度對低階頻率最為敏感,由此提高了工件的表面質量,大大減少了鉗工的打磨、研配和抛光工作量,其優點在複雜的、切削面積大的汽車覆蓋件模具加工中表現得尤為突出,比如側圍、車頂蓋、車門、引擎蓋、翼子闆等覆蓋件模具的制造。

近年來,高速加工技術在制造業中的應用越來越廣泛,并已成為現代汽車模具制造技術的發展趨勢之一,有着強大的生命力和廣闊的應用前景。

高速加工對機床的要求

由于汽車模具的特殊性和高精度要求以及高速加工技術的自身特點,高速加工對相關技術及工藝系統提出了比傳統加工更高的要求,尤其是對機床本身的要求更高。

1、配備先進的數控系統

高速加工機床需配備具有預處理能力(Look-ahead)的控制系統,且要求具有大容量緩沖寄存器,可預先閱讀和檢查多個程序段(如Siemens 的NC系統可達1000~2000個程序段),以便在被加工表面形狀(曲率)發生變化時及時采取改變進給速度等措施避免過切。

2、主軸轉速高、功率大

為了适應模具型腔曲面的高速加工,刀具的半徑應小于型腔曲面的最小圓角半徑,以免加工過程中刀具與工件發生“幹涉”(實際上是過切),所以加工中常用小直徑的球頭銑刀。由于刀具直徑小(1~12mm),因此要求機床主軸的轉速達到20000~80000r/min甚至更高,以便實現高速切削。型腔的粗、精加工常常要求一次裝夾完成所有加工工序,故要求主軸功率要大,中等尺寸加工中心的主軸功率常為10~40kW,有的甚至更高。

3、機床剛性好

模具材料的強度和硬度都很高(如淬硬鋼HRC58~62),加上常常采用懸長較大的小直徑刀具加工深腔模具,因此加工過程容易發生顫振,因而一般都采用精度高、剛性好的高速電主軸。為了确保零件的加工精度和表面質量,用于模具制造的高速機床必須有很高的靜、動剛度,以确保機床的定位精度、重複定位精度和抗振能力。

4、直線運動的高加速度

高速加工要求主軸從啟動加速到最高轉速通常隻用1~2s的時間,且工作台的加、減速度也從常規數控機床的0.1~0.2g 提高到1~5g,以便可靠地實現小圓角半徑曲面的高速加工,并達到必要的型面幾何精度。

對于一些複雜模具的制造,可以采用五軸聯動加工中心。這種機床除三個坐标的直線運動外,主軸頭上的刀具還可實現兩個旋轉坐标的圓周進給運動。主軸頭和工作台可以實現多軸聯動,特别适用于加工具有複雜型腔曲面的模具零件。

對于大型、複雜的汽車模具,還可采用龍門式五軸加工中心,如RAMBAUDI公司的RAM-speed-H45 PLUS型高速加工中心(圖1),其加工範圍為4500mm×2700mm×1500mm;定位精度為X軸0.025mm、Y軸0.020mm、Z軸0.015mm,C軸(連續/定向)15s;重複精度:X軸0.010mm、Y軸0.010mm、Z軸0.010mm, C軸(連續)10s/(定向)8 s;主軸功率為30kW ;主軸轉速24000r/min;主軸用氮化矽(Si3N4)陶瓷球軸承,配以油-氣潤滑,刀庫容量為30把,立柱采用龍門式框架結構,剛度高,特别适用于大型模具制造。意大利JOBS公司的JOBS-145(圖2)也具有非常優異的加工性能。

高速加工對刀具的要求

高速加工和普通加工最大的不同是切削速度和進給速度高、加減速度大,采用的刀具一般主軸轉速多在10000r/min以上,所以要求刀具的材料具有更高的強度、硬度、耐磨性、韌性、抗沖擊能力以及更好的熱硬性和化學穩定性。然而在現實中,能同時滿足這些要求的刀具材料目前還很難找到,一般都是采用以具有較高強度和韌性的硬質合金材料為基體、塗上一層或多層具有高熱硬性和高耐磨性的材料,如CBN、WC、TiC、TiN、TiCN、Al2O3等塗層來制成高速加工用的刀具,但是也有将超硬材料,如立方氮化硼(CBN)、天然金剛石(ND)、人造金剛石(PCD)等燒結在硬質合金或陶瓷材料基體上,形成綜合性能非常好的高速加工刀具的。

硬質合金刀具由于其材料中含有碳化鎢(WC)、碳化钛(TiC)等高硬度、高熔點的碳化物,耐磨性和耐高溫性均較好,故常被用于對各種金屬材料件進行高速、高功率的切削加工。

由于塗層硬質合金刀具把基體材料的韌性與所選用表面塗層材料的特殊性能結合在了一起,獲得了更具要求的刀具綜合特性,以适應不同材料的加工,故應用很廣,在鋼和鑄鐵的高速加工中都适用。

超硬材料刀具中的CBN和PCBN刀具主要适用于對淬硬鋼、冷硬鑄鐵、噴塗材料和耐熱合金(如鎳、鉻鑄鐵等)的加工,包括粗、精加工和斷續切削,ND和PCD刀具則主要用于有色金屬、鋁合金、預燒結的硬質合金以及陶瓷、石墨、玻璃纖維等非鐵材料的加工。

當然,除了正确選用刀具材料外,刀具的徑向跳動還要求小于0.015mm,刀具長徑比一般小于4(L/D≤4),同時應用中還應考慮刀具的幾何角度、排/斷屑功能、刀具型式及其在機床主軸上的裝夾和動平衡等問題,因為這些都是直接或間接地影響到高速加工的質量和效率的重要因素。

工藝制訂和編程策略

二手挖掘機高速加工包含了兩層含義:一是高主軸轉數,一般情況下主軸轉數至少12000r/min,目前最高可達60000r/min;二是高速進給,進給速度一般在每分鐘幾米甚至幾十米。由于機床設備、切削刀具的正常工作狀态與普通加工有很大的差異,因此在編寫數控加工程序和工藝流程的時候就不能再沿用傳統的思路了。

在高速加工的過程中,由于進給速度很大,機床主軸(或工作台等運動部件)的慣性就成為了一個不能忽略的客觀要素。為避免高速加工過程中機床慣性的影響,理論上隻要我們在切削過程中盡量減少在加工過程中突然改變進給方向就可以了,但是實際上這是不可能實現的。根據加工模型的幾何形狀改變進給方向不可避免地會經常使用,這就需要我們在設計程序和工藝方案時加以考慮,比如在空走刀的時候進行換向,不在刀具處于切削狀态的時候改變方向,或在改變進給方向之前降低進給速度等,這些都給我們編寫加工程序提出了很多要求,這時可以選用合适的CAM軟件來完成編程工作。

以圖4為例,我們選擇螺旋線(又稱真螺旋)的方式進行切削,其效果要比圖3中的傳統銑削方式好。

圖5和圖6是選擇刀具未處于切削狀态的時候改變進給方向的例子。在加工型腔等特殊的形狀時,由于刀具沒有辦法導出,在編程時,轉角部分盡量采用圓弧過渡,以便使轉向變得盡量平穩,如果能夠在轉角的時候适當地降低進給速度,那麼效果會更好。

高速加工包括以去除餘量為目的的粗加工、殘留粗加工,以及以獲取高質量的加工表面及細微結構為目的的半精加工、精加工和鏡面加工等。

二手挖掘機價格高速加工中的粗加工應采取的工藝方案是高切削速度、高進給率和小切削量的組合。等高加工方式是衆多CAM軟件普遍采用的一種加工方式。應用較多的是螺旋等高和等Z軸等高兩種方式(圖7、圖8),也就是在加工區域僅一次進刀,在不擡刀的情況下生成連續光滑的刀具路徑,進、退刀方式采用圓弧切入、切出。螺旋等高方式的特點是沒有等高層之間的刀路移動,避免頻繁擡刀、進刀對零件表面質量的影響及對機械設備造成不必要的耗損。對陡峭和平坦區域分别處理,計算适合等高及适合使用類似3D偏置的區域,并且同時可以使用螺旋方式,在很少擡刀的情況下生成優化的刀具路徑,獲得更好的表面質量。

高速精加工策略包括三維偏置(3D步距)、等高精加工和最佳等高精加工、螺旋等高精加工等策略。這些策略可保證切削過程光順、穩定,确保能快速切除工件上的材料,得到高精度、光滑的模具表面質量。

精加工的基本要求是要獲得很高的精度、光滑的零件表面質量,輕松實現精細區域的加工,如小的圓角、溝槽等。為了不讓加工過程中刀具軌迹頻繁地改變切削方向,可以對這些模型做特殊的處理,比如可以做一些工藝面把諸如拉延筋的凹槽封上,讓刀具軌迹生成連續、平滑的刀具軌迹,然後再對這些特殊的幾何體采用三維螺旋策略加工。這種策略可避免平行策略和Z向等高精加工策略中會出現的頻繁的方向改變,從而提高加工速度,減少刀具磨損,提高模具表面質量。

對于一些大型的汽車覆蓋件模具,比如轎車的側尾(圖9),由于其加工的型面面積大,在進行型面精加工的過程中,即使計算機的性能能夠滿足,但由于刀具或刀片切削壽命的局限性(刀具磨損如圖10),很難一把刀具(同一片刀片)完成整個型面的精加工,這勢必要求編程人員在進行精加工的工藝路線設計過程中結合模具型面的幾何特性和加工刀具的不幹涉長度,作出适當的分區加工,如重要的區域、平坦區域、陡峭區域、窄槽區域、R圓角處等等,這樣不但解決了刀具磨損的問題,而且還讓刀軌的編制變得更加的靈活,這對提高模具的加工質量來說是十分必要的方法。

結束語

高速加工技術是世界範圍内備受關注的前沿技術,它極大地促進了加工效率,提高了産品品質。正如前面所述,高速加工也是一個系統工程,他不但對CAM軟件、切削刀具、數控設備、機床等提出了很高的要求,而且對工藝人員、CAM編程人員也提出了很高的要求,但由于其具有傳統加工無可比拟的優勢,仍将是今後加工技術的重要發展方向和必然趨勢。

目前,國内高速加工刀具的開發與國外還有較大差距,而進口刀具的昂貴價格也成為阻礙高速切削模具應用的重要因素。

高速切削加工需配備适宜的刀具。硬質合金塗層刀具、聚晶增強陶瓷刀具的應用使得刀具同時兼具高硬度的刃部和高韌性的基體成為可能,促進了高速加工的發展。聚晶立方氮化硼(PCBN)刀片的硬度可達3500~4500HV,聚晶金剛石(PCD)硬度可達6000~10000HV。近年來,德國SCS、日本三菱(神鋼)及住友、瑞士山特維克、美國肯納飛碩等國外著名刀具公司先後推出各自的高速切削刀具,不僅有高速切削普通結構鋼的刀具,還有直接高速切削淬硬鋼的陶瓷刀具等超硬刀具,尤其是塗層刀具在淬硬鋼的半精加工和精加工中發揮着巨大作用。

二手挖掘機價格一般來說,要求刀具以及刀夾的加速度達到3g以上時,刀具的徑向跳動要小于0.015mm,而刀的長度不大于刀具直徑的4倍。據SANDVIK公司的實際統計,在使用碳氮化钛(TiCN)塗層的整體硬質合金立銑刀(58HRC)進行高速銑削時,粗加工刀具線速度約為100m/min,而精加工和超精加工時,線速度超過了280m/min。據國内高速精加工模具的經驗,采用小直徑球頭銑刀進行模具精加工時,線速度超過了400m/min。這對刀具材料(包括硬度、韌性、紅硬性)、刀具形狀(包括排屑性能、表面精度、動平衡性等)以及刀具壽命都有很高的要求。因此,在高速硬切削精加工模具時,不僅要選擇高速度的機床,而且必須合理選用刀具和切削工藝。

二手挖掘機市場在高速加工模具時,要重點注意以下幾個方面:

①根據不同的加工對象,合理選擇硬質合金塗層刀具、CBN和金剛石燒結層刀具。

②采用小直徑球頭銑刀進行模具表面精加工,通常精加工刀具直徑<10mm。根據被加工材料以及硬度,所選擇的刀具直徑也不同。在刀具材料的選用方面,TiAIN超細晶粒硬質合金塗層刀具潤滑條件好,在切削模具鋼時,具有比TiCN硬質合金塗層刀具更好的抗磨損性能。

③選擇合适的刀具參數,如負前角等。高速加工刀具要求比普通加工時抗沖擊韌性更高、抗熱沖擊能力更強。

④采取多種方法提高刀具壽命,如合适的進給量、進刀方式、潤滑方式等,以降低刀具成本。

⑤采用高速刀柄。目前應用最多的是HSK刀柄和熱壓裝夾刀具,同時應注意刀具裝夾後主軸系統的整體動平衡。

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