模具是用來制造汽車、飛機、電子和家電等產品各種構件的重要技術裝備。它作為從產品開發到成批生產構件的整個制造流程中的重要一環,在工業生產的增值鏈中占有十分重要的位置:模具的開發和制造,在很大程度上決定著新產品的質量、成本和投放市場的時間。
由于像鍛造、鋁合金壓鑄和塑料注塑這樣的成形加工工藝和無定形材料的成形加工工藝,常常采用的是幾何形狀十分復雜的成形模具,有著凹、凸的自由曲面或較深的型腔,要求具有較高的精度和表面質量;另外,由于競爭促使產品品種不斷增多,同時產品更新周期日益縮短,又鑒于模具主要是按單件或較小批量進行生產,這就迫使模具制造廠商必須要采用先進的加工技術,在確保工件加工精度的同時,提高生產效率和加工柔性,縮短加工時間。例如,在汽車工業領域,汽車的開發周期已力求縮短到3年,模具的交貨期需從18個月縮短到12個月。
這些成形模具通常由高性能合金模具鋼制成。模具的加工普遍采用兩種工藝方法:一是采用借助于銅或石墨電極的電火花加工;二是直接采用高速銑削加工模具。在過去,成形模的加工廣泛采用電火花加工工藝。而這種工藝的生產工藝流程較長,并缺乏柔性。在進行電火花加工之前需要制造出石墨或銅電極。如果由于工藝技術的原因必須變動成形模時,那就需要變動整個生產工藝流程。由于其較低的柔性,難于進行調整或只能進行有限的調整。此外,還有一個問題就是電火花加工的時間較長,在電火花加工后,模具還需要進行拋光處理,去除“白色層”。近年來,盡管電火花加工技術在電源技術和石墨材料領域里取得了很大的進步,然而,上世紀90年代以來,隨著高速切削技術的興起和發展,高速銑削技術以其能顯著縮短整個生產流程時間、很高的加工質量和較好的加工柔性而得到普遍接受,已成為加工成形模和注塑模的關鍵工藝。
高速銑削是模具制造最重要的加工工藝
在模具制造中, 高速銑削不僅廣泛應用于加工復雜的自由曲面和型腔,而且還被用來加工電火花加工用的電極。
高速銑削,由于采用了比常規銑削高5~10倍的切削速度和進給速度,既能大大縮短加工時間,也可顯著提高工件的表面質量。為了獲得很高的工件表面質量,高速銑削工藝可以通過采用較小的每齒進給量和較小的刀軌行距(約百分之幾毫米)來提高工件表面的加工質量(圖1),由此減少或完全免去加工表面的后序拋光處理。從而縮短模具整個加工工藝流程的時間(圖2)。
高速硬銑(通常把硬度超過56HRC、Rm>2000N/mm2的鋼鐵材料進行的加工稱之為硬加工)為模具加工提供了很大的應用潛力,高速硬銑可以補充模具傳統的加工工藝流程,在許多情況甚至可以完全替代電火花加工。這就可以在一次裝夾下對模具構件進行全部加工,不僅大幅度地減少加工時間、改善型面的表面質量和加工精度,而且可以簡化加工工藝流程。由于節省了制造電極、電火花加工和拋光(或大大減少拋光工作量)三道工序,縮短了模具的制造周期,降低了生產成本。例如,制造一個材質為熱作模具鋼的注塑模, 硬度56HRC。 采用高速硬銑,工件可在一次裝夾下進行粗、半精和精銑加工成成品。而采用電火花加工,工件需經過粗銑、調質、(同時制造電極)、電火花加工和拋光,模具的制造時間要比高速硬銑高三倍。