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罗百辉,金模网(gmold.info)CEO、深圳市金模整合营销顾问有限公司董事长、模力时代会议展览(深圳)有限公司总经理、美国格理专家团资深投资顾问、国际模具及五金塑胶产业供应商协会常务副会长兼秘书长、深圳市模具技术学会专家委员、深圳市管理咨询行业协会会员、华通咨询公司特聘培训专家、《国际模具机械产业》杂志社长,多家工业媒体专家顾问/编委、价值中国最具影响力百强专家、中国谋士联盟实战派谋士,国内“段位式”新概念管理创导者,清华大学盛景商学院MBA,制造业资深职业经理人。

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高精度微型铣削在模具制造中的应用  

2011-03-22 18:24:20|  分类: 国际制造产业研究 |  标签: |举报 |字号 订阅

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 微型系统、微型模具和微型铣削对于微型零件的大量生产都是新奇且令人激动的技术。有了用肉眼几乎看不见的亚微米级的精度和刀尖,这种新兴且快速增长的领域给模具制造商和供给商提出了众多的挑战。新材料、新刀具、非凡的模具涂层和创新的CAD/CAM软件技术都必须要被研究和把握。在模具专家罗百辉看来,微型系统和微型铣削为正寻找差异性、得到更多业务和比低工资竞争对手处于更有利位置的模具制造商带来新的机遇。这个领域的有效开发需要行业、研究机构和政府之间的合作。这种合作在欧洲已经在进行之中。欧盟的技术合作研究行动(CRAFT)项目集合了Fraunhofer生产技术研究所(IPT)和CAD/CAM、CNC机床、刀具、夹具的领先供给商来开发针对微型制造的下一代材料、机床和软件工具及工作方法学。该是北美刀具行业加入到开发这个新兴的引人注重且有利可图的细分市场的时候了。

  微型零件的内在复杂性为模具制造商带来新的机遇。当今世界并非只有iPod正变得更小。计算机和电视机也不断地变得更薄。医疗设备的进步使得越来越多的微型器械能安装到我们的身体内;甚至是一个极小的照相机能穿行于身体内。不仅是东西正变得更小,它们被装配了更多的零件,能提供额外的动力和功能。微型零件在航空、汽车、生物医学、电子、信息技术光学和电信等行业具有各种广泛的应用。所有这些产品的开发都正在对小型部件和产品提出更高的要求。为了不断降低成本,这些小型部件中的大多数使用模具进行生产。这些趋势对模具制造商提出形形色色新的挑战,范围从使用新的太空时代材料到非凡的模具涂层,用直径0.1mm的刀具铣削零件并获得亚微米级的精度。每当简单和中等复杂的模具制造被转移到劳动力成本低的国家时,美国和欧洲的模具制造商能转向诸如微型模具和微型铣削等更先进的技术以维持他们的竞争优势。

  模具精密零件加工

  模具有效区域的直接铣削和小型EDM电极的制造都对铣削工艺提出极高的要求。模具的主要挑战之一是微型精密零件的加工。与微型铣削相关的挑战包括直径降为100微米(μm)或更小的微型刀具的使用并运转于达到150000rpm的非常高的转速。表面质量(Ra)需要达到0.2微米。而且既然对于如此小的零件和微小的细节,抛光是不现实的,微型铣削要求是一种无需抛光的加工。

  微铣削简介

  微型系统技术已经成为全球增长最快的工业之一,需要制造极小的高精密零件的工业,例如生物-医疗装备、光学、以及微电子(包括移动通信和电脑组件)等都有大量的需求。需要微系统加工的零件其精度高达5mm或更小以及曲面质量达0.2mm或更小,其零件硬度也达到45HRC或更高。

  微铣削(Micro-milling)是加工微小零件和高精密零件的一种全新加工技术。微铣削使用非常小的刀具(直径小于0.1mm)并能获得非常小的曲面公差和高质量的曲面精度,通用的NC软件是不能达到这个精度的,所以制造商不得不面对以下巨大的挑战:零件变形,复杂程度增加,必须以极高的精度加工微小特征的工件,以及使用微米级的非凡刀具。例如直径为0.1mm的工件,为了获得高精度要求的曲面,达到以上要求,微铣削技术需要达到以下支持:100mm或更小的小直径刀具;外形比例(L/D)10或高达100的高速刀具;150000r/min或更高速主轴转速;0.1mm或更小的加工公差;能够修正几何体。

  微铣削是高速铣削的未来,精通微精模具的公司将会拥有更大的竞争力。

  微型铣削技术应用

  为了在获得微型铣削要求的质量和精度的同时,满足经济性的约束条件,整个制造链必须优化和同步。CNC机床、刀具、刀柄、夹具和质量控制设备的供给商都需要以有竞争力的成本来提供正确的解决方案。

  以下是一个在微型铣削环境中应该提出的主要问题的清单:

  1)刀具、刀柄和主轴

  ◆小规格的刀具是微型铣削的实现者。根据工件的大小,它们可小至0.1mm,而且在将来可能变得更小。在托付一个微型铣削项目时必须考虑刀具的可用性和成本。

  ◆在是用小直径刀具时,高转速的主轴是至关重要的。在主轴10,000rpm下使用0.1mm直径的刀具,意味着切削速度(Vc)仅为3.3m/min,这太低了!

  ◆对于转速级别20,000-150,000的主轴,主轴和热胀刀柄结合在一起作完全动平衡、跳动量为零是必须的。否则,将损害表面质量并显着缩短刀具寿命。

  2)夹具、夹紧系统和制造工艺

  ◆在多数情况下,微型铣削零件的生产应该在一次装夹中完成。例如,把EDM和铣削结合在一起很可能引起不能接受的不重合和接刀痕。

  3)机床和车间地面

  ◆不用说机床必须是精度的一致性好并能分辨出四位小数(尺寸传感器)。

  ◆微型铣削能很好地利用五轴铣削的功能。倾斜刀具并远离材料的能力使其能使用更短的刀具。但是,既然五轴联动铣削目前的精度比三轴铣削差,当把五轴联动用于微型铣削时,必须仔细验证机床规格和实际性能。

  ◆机床环境必须具有可控的温度(光有软件补偿可能是不够的)并避免振动。假如机床没有正确地隔离,即使是一辆重型卡车经过厂房外,可能产生的振动足以在工件表面上留下痕迹。

  4)铣削技术

  ◆取决于零件的几何外形,微型铣削可能需要超越简单的按比例缩小的非凡加工策略。例如,在很多情况下,逆铣(和非顺铣)将是优先考虑的铣削策略。

  用于模具制造的高精度微型铣削的CAD/CAM解决方案,有一整套易于使用的3-D刀具。

  CAD/CAM系统的要求

  每个人在直觉上认为铣床、刀柄和刀具是难以按比例缩小至微型铣削需要的极小的尺寸和极高的精度。初看起来,软件似乎也许是更轻易地匹配。究竟有人要说,处理象0.0001这样的数字对于软件来说应该象处理1.0或10那样轻易。

  用于模具制造的高精度微型铣削的CAD/CAM解决方案,有一整套易于使用的3-D刀具。

  但是它比呈现在眼前的更复杂。生成和修改具有正确的精度、平滑度和连续性的几何外形对于小型部件的CAD解决方案仅仅是一个入口点。为了得到一个适用于微型铣削的功能性解决方案,CAD系统必须要仔细调整和优化以支持下述要求:

  1.可靠和精确地阅读零件模型。对于维持具体模型的精度,最小化多重数据转化的需要是至关重要的。

  2.当生成分型面或为滑块、推杆和顶出杆创建几何外形时,很紧的0.1-0.01微米的形位公差是起作用的。为了防止分型面之间的间隙并保持C1和C2的连续性,这是必需的。

  3.处理规格非常小的多型腔模具,包括专门的样品零件和组件。

  CAM系统也必须为微型铣削进行优化。NC软件必须处理紧公差和超高精度的加工。而且既然操作工不能干预防止刀具的破坏,NC软件必须精确地考虑贯穿加工过程的切屑载荷。

  为了充分支持微型铣削,CAM软件应该能:

  ◆精确地使用非常细化的数学模型,从而维持其复杂程度。拥有一个集成的CAD/CAM解决方案是理想的,因为它消除了处理中的任何数据转换。

  ◆在CAD系统内包括高精度的、内置的CAD能力,提供在CAM系统内的具有合适的精度和相切的造型帮助(例如,型面的封顶、延伸等)。

  ◆支持偏差低到0.1微米的刀具路径计算。当在大型零件上加工微细特征时,这尤其有挑战性。

  ◆支持考虑实际机床约束时的微型铣削级参数的计算。

  例如,CAM系统可能要求用一把直径0.1mm的刀具、0.005mm的步距和大10倍的0.05mm刀尖圆弧半径来提供超精的结果。

  生成的刀具路径必须精确到小数点后五位。

  ◆支持针对微型铣削优化的加工策略,如以相同的NC操作来进行粗加工、半精加工和精加工。

  ◆为了降低加工时间的同时保护精密的刀具免于损坏,在整个加工过程使用根据实际加工余量调整进给量以控制实际刀具负载的知识。
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