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模具加工中,高速切削與電火花加工各(gè)有什麽特點和優勢?
2013-5-9  來源:  作者:
     高速切削技術

  高速切削(HSC,High Speed Cutting)技術以其高效率、高質量應用於航天、航空、汽車、模具和機床等行業中,尤其針(zhēn)對飛機薄壁零件及各種複雜的(de)型(xíng)麵模具零件加(jiā)工。

  1.高速切削特點與優勢

  (1)相比於普通數控機床,高速切削機床具有(yǒu)如下特點:①具有高切削速(sù)度和高主軸轉速。

  ②具有高(gāo)快速移動速度:高速銑(xǐ)床的快速移動速度達到了30~90m/min。③金屬切除率高,切削效率高:切削45鋼時,金屬切除率通常為300~600cm3/min。④具備高剛性高精度(dù)。

  (2)上述特點決定如下優勢:使用高速切削,銑削深度較小,切削線速度和進給速度較高,銑削力(lì)低,切削(xuē)產生的熱量(liàng)大部分(fèn)被高速(sù)流出的切(qiē)屑所帶走,故(gù)工件和刀(dāo)具熱變形小,吃(chī)刀時間短,衝(chōng)擊和彎(wān)曲減小了,加工表麵粗糙度值很小:銑削鋁合金時可達R a=0.4~0.6μm,銑削鋼件時(shí)可達R a=0.2~0.4μm。無需拋光、研磨等二次加工處理,有效地提高了(le)模具的加工精度(見圖1)。
 
輪胎及複(fù)雜(zá)的型腔的模具 

圖(tú)1 輪胎及複雜的型腔的模具

  有利(lì)於(yú)加工薄壁模具和整體結構式零件,高速切削的材料去除率通常是常規的3~5倍,在精加(jiā)工中獲得高生(shēng)產率。如高速切削可使飛機大(dà)量采用整體結構零件,明顯減輕(qīng)部件重量,提高(gāo)零件可靠性,減少裝配工時。在數碼產品或繼電器等(děng)電子產品中,薄壁(bì)模具加工困難,采用高速銑削技術可以大大改善,能(néng)加工出壁厚0.2mm、壁高20mm的薄壁零件。


2.高速切削應用條件

  由於高速加工技(jì)術(shù)具有諸(zhū)多特點(diǎn)以及模(mó)具零件具(jù)有複雜的型麵,因此,模(mó)具高速加工(gōng)技術對加工係統中(zhōng)的(de)機床、刀具、數控係統等都提出了更高要(yào)求。

  (1)高速主軸 機床能實(shí)現高速切削的關鍵是機床的高速主軸。目(mù)前用於(yú)模具加工的高速切削(xuē)機床主(zhǔ)要是高速加工中心、高速銑床等,要求主軸轉速為10 000r/min~40 000r/min,另外還要求主軸能夠快速升速、減速,即具有很高的加速度、減速度。高(gāo)速旋轉的主軸要求軸承具有高承載(zǎi)能力、高剛度、高回轉精度(dù)以及高使用壽(shòu)命。

  (2)高速機床動態特性 高速(sù)切削機床對其支承件的靜態、動態特性要求很高,機床床身(shēn)要具有高的靜剛度、動剛度、熱剛(gāng)度,好(hǎo)的結構剛(gāng)性,足夠的支承強度,高水平的阻尼特性,從而使機床固有頻率遠(yuǎn)離高速切(qiē)削時發生顫振(zhèn)的頻率,進而使機床具(jù)有好的動態響(xiǎng)應特性。

  (3)高(gāo)速切削(xuē)刀具係統 高速(sù)切削加工時,高速刀柄(bǐng)的動平衡等級需達2.5G及主軸最高轉速以上,用以保護主(zhǔ)軸軸承(chéng)壽命,而刀柄本身的(de)錐麵精度必須≤AT3,表(biǎo)麵粗糙度值必須達到R a≤0.4μm。

  高速切削不但要(yào)求刀具具有良好的耐熱性、耐磨損性和抗破損性,同時對其動平衡質量也提出了嚴格要求。高速切削時,由於主軸轉速很高,不平衡質量將引起非常大的慣(guàn)性離心力,影響刀具壽命(mìng)、加工(gōng)精度和加工效率。針對(duì)鋁合金、鑄鐵、鋼、鈦合金等不同加工材(cái)料,應合理高效地選擇刀具。目前常用的高(gāo)速切削刀(dāo)具材料有:硬質合金及其塗層(céng)、陶瓷、立方氮化硼(CBN)、聚晶立(lì)方氮化(huà)硼(PCBN)、超硬材料金剛石、聚晶金剛石(shí)和金剛石塗層等。

  (4)高速切削的數控(kòng)編程 由(yóu)於模具的型麵複雜,通(tōng)常采用CAD三維設計軟件建模。為充分發揮高速切削的高精度(dù)、高效率等特點,不但要(yào)求數(shù)控係統(tǒng)具有高速編程計算功能,對編程人員的專業水平及綜合能力提出更高要求(qiú)。

  電火花(huā)加工

  電(diàn)火花加工(gōng)是利用浸在(zài)工作液中的兩極間脈衝放電時產生的電(diàn)蝕(shí)作用蝕除導電材料的特種加工方法,又稱(chēng)放電加(jiā)工或電蝕加工(英文簡(jiǎn)稱EDM)。電火花加工(gōng)能加(jiā)工普通切削(xuē)加工方法難以(yǐ)切削(xuē)的材料和複雜形狀的(de)型孔和型腔的模具和零件:①加工各種硬、脆材(cái)料,如硬質合金和淬火鋼等。②加工深細孔、異形孔、深槽、窄縫和切割薄片等,如各類熱鍛模、壓鑄模、擠壓模、塑料模和膠木膜等模具。

  電(diàn)火花加工(gōng)包括電極的製(zhì)作和(hé)EDM放電加工。

  1.電(diàn)極的製作

  電極製作主要采用三軸數控機床來加工,機床穩定性(xìng)要好,三軸運動要均勻穩定不振(zhèn)動,主軸回轉精度也要好。可在同一台機床上進行電極的粗加(jiā)工、半精加工和精加(jiā)工(見(jiàn)圖2)。
 
 
石墨電極加工(gōng)
 

圖2 石(shí)墨電極加工

  電(diàn)極包括石墨(碳)和銅電極。

  石墨與紫銅電極在CNC加工(gōng)的特點:①石墨(mò)電極加工性(xìng)能好,易於加工各種複(fù)雜的形狀,切(qiē)削阻力為(wéi)銅的1/5,加工效率為銅的兩倍,且其強度(dù)很(hěn)高,耐高溫,熱膨脹(zhàng)率極小,對於超高(50~90mm)、超薄(0.2~0.5mm)的電極,加(jiā)工時不易變形。②比(bǐ)重輕,比重為銅(tóng)的1/5,常用於重、大及整體電極加工(見圖3)。③石墨對刀具的磨損較為嚴重,加工時產生的灰塵比較大,可能入侵到機床的導軌絲杠和主軸等,這就要求石墨加工(gōng)機床有相應的處理石墨灰塵的裝置,機床密封(fēng)性也要好(hǎo),因(yīn)為石墨有毒。

重、大及整(zhěng)體石(shí)墨電極
 
圖3 重、大及整體石墨電極



2.電火花加工特點

  (1)電火花加工速度(dù)與表麵質量(liàng) 模具在電火花機加工一(yī)般會采用粗、中、精分檔(dàng)加工方(fāng)式。

  粗加工采(cǎi)用大(dà)功率、低損耗的實現方(fāng)式,而中、精加工電極相對損耗大,但一般情況下中、精(jīng)加工餘量較少,因此電極損耗也極小,可以通過加工尺(chǐ)寸控製進(jìn)行補償,或在不影響精度要(yào)求時予以忽(hū)略(luè)。

  石墨的導電性能好,在放電加工中能節省(shěng)大量時間,粗加工優勢明顯。石墨電(diàn)極放電速度比銅快,但損耗大,銅電極(jí)常用於模具精(jīng)加工。但其加(jiā)工表麵往往需要拋光打(dǎ)磨,以提高模具表麵質量(liàng)。

  (2)電火花碳渣與(yǔ)排渣 電(diàn)火花機加工在產生碳渣和排(pái)除碳渣平衡的條件下才能順(shùn)利進行。實際中,往往以(yǐ)犧牲加工速度去排除碳渣;另一個(gè)影響(xiǎng)排除碳(tàn)渣的原因是加工(gōng)麵形狀複雜,使排屑路徑不暢通。唯有(yǒu)積極開創良(liáng)好排除的條件,對症(zhèng)地采取一些方法來積極處理。有一定絕緣(yuán)度的工作液作為放電(diàn)介質,在加工過程中還起著冷卻、排屑等作(zuò)用。常用的工(gōng)作液是黏度較低、閃點較高、性能穩定(dìng)的介質,如煤油、去離子水和乳化液等。

  (3)電火花工件(jiàn)與電極相互損耗 電(diàn)火花機放電脈波(bō)時間長,有利於降低電極損耗。電(diàn)火花機粗加工一般采用長放電(diàn)脈波和大電流放電,加工速度(dù)快電極損耗小。在精加工時,小(xiǎo)電流放電必須減小放電脈波(bō)時間,這樣不僅加大了電極損耗,也大幅度降低了加工速度。放電過程有部分(fèn)能量消耗在工具電極上,導致電極損耗,影響成形精度。

  電火花(huā)加工(gōng)與高速切削之比較

  高速銑削是一項係統(tǒng)技術,企業必須根據產(chǎn)品的(de)材料和結構特點,購置合(hé)適的高速切削機床,選擇合適的切削刀具,采用最佳的切削工藝,以達到理想的高速模具加工效果。高速切削技術具有高的生產效率、加工精度、表麵質量(liàng)等優點,已成為先進製造技術的重要組成部分,但其(qí)加工成本(běn)很高,如高性能的3~5軸數控機床、刀(dāo)具、數控係統,專業的軟件及編(biān)程人員等。如在高速銑削加工中,刀具硬度必須比工件大,而數控電火花加工的電極材料不必(bì)比工件(jiàn)材料硬,可節(jiē)省輔助時間和刀具費用。電火花加工是高(gāo)速銑削加工的有力(lì)補充和堅強後盾,以柔克剛獨特的加工性能,在高速銑削無法加工(gōng)的(de)微小區域,或難以切削(xuē)的材料、複(fù)雜形狀的型孔和型腔的模具和零件,發揮著極其重要的作用。

  現代模具製造的發展方向是兩者緊密相連,優勢互補。以注射模(mó)具為(wéi)例(見圖(tú)4),往往大(dà)麵積、易於高(gāo)速切削加工為優先使用,其(qí)他難以切削(xuē)加工的型腔部分由電火花加工(gōng)完(wán)成。
 
注射模具
 

圖4 注(zhù)射模具

  總之,模具企業必需充分發揮兩種數(shù)控(kòng)技術的各自優勢,並進行優化結合,才能(néng)發揮出模具加工的最高效率!

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