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用电火花加工打破硬铣削的局限性
来源:中国数控机床网   发表时间:2018/11/21 15:39:00  浏览次数:
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一次非同寻常的机遇促使一家压铸模具制造商开始重新思考硬铣削加工,对电火花加工的使用有了不同认识。

电火花加工是否更适合加工硬态型腔或者对其进行表面处理?这个问题并没有统一的答案。 若是在八年前,D1 Mold and Tool公司会说其越来越依赖硬铣削加工。从那时起,情况开始改变。工厂重走老路,开始越来越多地使用电火花加工。

改变的不只是这一点。这家压铸模具制造商在印第安纳州亚历山大里亚的加工工厂占地面积从12 000 ft2增加到45 000 ft2。为了充分利用空间,该工厂增加了机床和产能,包括一台重600 t的压铸机床,该设备可以提供采样服务(工厂在以往会将采样服务外包)和甚至可以用于生产。虽然汽车和家电行业的加工业务并未发生改变,但工厂的业务却得到扩展。

随着工厂硬铣削加工效率的提高,该工厂还不断加大对硬铣削产能的投资。2010年,工厂只有9个立式加工中心,如今已增加到17个。借助Mastercam公司的动态铣削(Dynamic Milling)技术实现恒力刀具轨迹,实现硬质材料切削,同时,磁力工件夹持技术提高了加工期间的可及性。为了高精度地铣削加工较短的刀具以及较长的刀具(需要一定余隙才能深入模具)所使用的热缩型刀夹,该工厂同时不断加大对高进给率铣床以及优质夹头刀夹的投资。借助在硬铣削方面积累的经验,D1公司提高了内部抛光加工的效率。

工厂负责人Tony Dungan称,这些改进和投资提高了D1公司硬铣削的使用比例,特别是电火花加工。但是,电火花加工时间较长,同时,制作电极也需要花费时间,因此,相较于硬铣削加工的较高速度,电火花加工似乎存在劣势。因此,工厂认为可以完全采用硬铣削方式加工所有适用产品。但是一次意外让该工厂对这种加工方式产生了怀疑。

D1公司曾为一位客户制造了一款脆性很高的模具。这款磨具用于加工汽车零件和印刷电路板附件,但是,压铸次数只达到30 000~40 000次,而正常模具在适当的使用和维护下可以达到125 000~150 000次。因为这款模具使用寿命较短,客户需要使用大约120个模座,超过正常压铸生产所需的数量。在多次加工相同型腔后,工厂开始怀疑硬铣削和电火花加工哪种方式更高效。同时,工厂开始直接比较两种加工方式。工厂不再认为硬铣削适合所有加工,开始思考是否可以将两种工艺结合起来。最后发现,硬铣削加工是最高效的加工方式。但是,该工厂开始将这种加工方式应用于其他加工,重新考察是否应该完全依赖硬铣削加工。

虽然工厂对铣削技术的使用进行了改进,仍然认识到硬铣削具有局限性,其成本可能比电火花加工更高。若考虑时间、表面处理和刀具成本等因素,情况更是如此。

图1 D1模具和刀具产品可以满足不同行业的压铸模具加工需要。工厂负责人Tony Dungan展示了一个为洗衣机零件制造的模具

硬铣削的局限性

Dungan表示,硬铣削的主要问题在于生产时间的无法预测。D1公司使用CAM软件Dynamic Milling创建刀具轨迹,在切削硬质钢材时,这种刀具轨迹借助刀具的整个刀槽提高材料切除量和降低刀具磨损。这种刀具轨迹生成方式考虑了吃刀形状,以此保持力量恒定。这部分导致刀具轨迹需要进行额外的转动和方向改变,避免吃刀量出现显著变化。但是,因为无法准确预测机床如何通过上述方向改变加速和减速,所以只能大略估计生产时间。

工厂还在模具上使用了“弹性轨迹”,用于解决刀具偏转问题,进一步增加了上述不确定性。如果因刀具偏转导致硬铣削型腔的形状不满足精度要求,机工需要重新加工,直至满足要求。Dungan称,该工厂曾经为加工某些模具进行了四次弹性轨迹加工。无法预测这种返工需要几次。“不可预测意味着高昂的成本” Dungan指出。如果不知道加工用时,则会提高时间安排的复杂性。

Dungan说,另一个问题是表面处理。刀具偏转会影响硬切削模具的表面质量,尤其是形状较深或较浅的模具。这意味着D1公司需要花费更多时间对此类模具进行抛光处理。所有模具都需要在公司的抛光部门进行抛光处理,确保压铸件零件从型腔印模中脱出。Dungan称,基本模具的抛光只需要几个小时,但形状复杂的模具可能需要12个小时,甚至更久。使用电火花加工,模具的表面质量一般会更好,也可更一致,这便于控制抛光时间。

最后,刀具断裂也是一个问题。在加工较深的形状时,长窄型刀具存在断裂风险。D1工厂经理Mark Whybrew描述了在加工一件具有四条加强筋的模具时发生的情况。每加工一条加强筋就需要4个断裂的刀具,总计需要16个断裂的刀具。在判断特定模具是否适用硬铣削加工时,这类成本会成为重要的考虑因素,处理断裂的刀具同样会提高硬铣削加工时间的不可预测性。

图2 虽然具备各种优势,但生产时间无法预测,表面处理以及刀具成本问题导致这种硬铣削模具的生产效率受到限制,比如加工燃气灶部件

电火花加工的好处

此外,电火花加工的一个重要优势在于可预测性。对于电火花加工而言,虽然电极制作和仿形烧蚀所需的时间可能比硬铣削更长,但电火花加工的时间估计比硬铣削更准确。有时候,我们需要更长的生产时间,因为可预测性会让时间安排更简单。

可预测性的提高同时能够改善质量。因为电火花加工的表面质量可控性和一致性更高,抛光时间同样会更容易预测。

另外,工厂先进的铣削技术同样可以用于硬铣削电火花加工。因为改进了电火花加工电极制造使用的球磨切削工艺,进一步节省了时间,同时,提高了表面质量。通过高效加工,球磨电极越来越能够一次成型,不需要首先分段加工,然后在加工后进行拼接。

图3 电火花加工可以解决硬铣削的许多难题,比如生产时间无法预测以及表面处理问题。电火花加工同时非常适合加工难以铣削的形状,比如较深和较窄的形状

综合权衡

Dungan称,尽管面临各种问题,工厂仍然考虑将硬铣削作为首选。但是,因为电火花加工能够克服硬铣削的某些局限性,D1公司开始重新评估是否使用这种加工方式。随着业务以及理念发展,工厂加大对电火花加工和硬铣削加工的投资。从最后一次访问以来,工厂从原来的一台电火花加工机床和一台球磨铣削机床增加至四台电火花加工机床和两台球磨铣削机床,品牌均为 Sodick。

数控编程师Randy Walker称,在规划如何有效利用硬铣削和电火花加工产能生产特定模具时,D1公司并没有固定的模式。 首先,当新模具的印模完成后,工厂经理、首席技师和设计师会召开会议。设计师会在设计中标注重要区域或复杂区域,然后,三人共同计划如何生产模具。因为该工厂专门生产压铸模具,每次面临的挑战和形状往往类似,所以“比较容易”做出决定。但是,规划团队也有一些基本考虑因素:

零件几何体。硬铣削适用于较宽或较浅的形状,这些形状需使用较大较短的刀具。电火花加工适用于较深或较浅的形状,如果使用硬铣削加工此类形状,需要使用体型较长较小的刀具,存在偏移和断裂风险。同时,锐利的阴角无法通过铣削进行加工,因此,如果需要进行此类加工,最好使用电火花加工。

要切除的材料数量。型腔尺寸也是重要的考虑因素。因为硬铣削的加工时间较短,所以如果材料切除量较大,这种加工方式更加高效。

模腔数。电火花加工适用于多型腔模具,因为电极可以多次使用。模具型腔越多,工厂避免使用电极的次数就越多,这改善了电火花加工的耗时和经济性。

图4 随着业务发展,D1公司不断加大对电火花加工的投资。在电火花加工区,目前设有四台电火花加工机床和两台石墨铣削机床,品牌均为Sodick

工厂最近利用电火花加工制造了一款模具,用于生产汽车转向节。这款模具和工厂过去通过铣削加工制造的一款模具类似,但体型略大。不同的是,这款模具有一个7.5 in深的狭窄腔槽,规划团队当时对这种形状是否能进行高效地铣削加工存在疑问。为了加工这种腔槽,需要使用3/8 in刀具,为了达到接近15:1的长度直径比,这种刀具必须至少凸出5.50 in。因为刀具在腔槽内的偏移及其对时间、表面质量以及工厂对两者的预期的影响,工厂最终认为完全使用铣削方式加工成本会过高。规划团队最终采用电火花加工方式制造这一腔槽以及模具的其他形状。

 

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