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                            立式加工中心上的粉末冶金件微加工工藝
                            關閉窗口 】【 瀏覽次數︰ 】【 發布日期︰2015-02-03 15:28】【編輯︰東莞市杰克棋牌有限公司Gainwell】
                            通過優化粉末冶金工具鋼的微加工工藝,這家車間已經降低了生產成本、交貨時間和復雜模具元件的鉗工二次打磨工作量。
                              
                              在我采訪賓夕法尼亞州SaintMarys鎮的Quala-Die公司即將結束的時候,該公司的負責人指著一些過時的EDM放電加工設備說,這些機床正在等待銷售處理。當然,這里指的是那些還未被新型EDM放電加工設備所取代的機床(圖1)。那是因為Quala-Die公司在推行淬火模具元件的微加工技術中,取得了良好的效果,這些元件用于生產結構緊密的粉末冶金件,而微加工技術的使用,已大大減少了該車間正在執行的放電加工的工作量。
                              


                            圖1該車間使用圖中所示的EDM放電加工電極,並以其微加工方式對精密細節進行銑削加工
                              
                              Quala-Die公司的采購金烤 yanMagaro先生擔任了我當天的導游,他說,該車間從淬火工具鋼元件精密細節的微加工工藝中,獲益匪淺,這些元件也是由粉末冶金材料制成,但采用了不同的方式。采用微加工技術可節約加工EDM電極所需要的額外費用和時間。此外,它大大減少了鉗工在拋光清除重鑄材料時所需的二次工作量。因此,該車間的工裝周轉時間加快了很多,而鉗工工作量平均減少了20%。
                              
                              該車間已經建立了其微加工方法。Magaro先生確信,由SecoTools公司產品技術員JayBall先生提供的支持和指導,對Quala-Die公司的成功一直起著很大的作用。在訪問該公司期間,Magaro先生介紹了該車間在采用一種完全不同的方式來創建復雜的粉末冶金模具元件時所取得一些經驗和教訓。
                              
                              向微加工方蚍 /strong>
                              
                              DennisSchatz先生于1978年創建了Quala-Die公司,當時,這是一家只有兩個人的操作車間,以地下室為生產基地。今天,其90人的加工車間坐落在一個帶有空調的45000ft2(1ft2=0.093m2)工廠內,其加工能力包括EDM線切割機床和EDM模具加工機床、數控銑床和車床以及各種磨床。
                              
                              Quala-Die公司專門從事模具的設計和生產,用于創建粉末冶金金屬元件。事實上,該車間是美國最大的粉末冶金壓縮模具供應商。Quala-Die公司的重點集中在復雜模具的加工上(其中大部分為汽車應用領域提供服務),並且以其通過四軸CNC數控銑削加工,精確創建螺旋齒輪模具組件的生產能力而聞名。
                              
                              大多數模具組件是由粉末冶金材料創建而成,例如CPM的1V、3V和9V材料(這些都是由CrucibleIndustries公司提供的粉末冶金工具鋼)。粉末冶金部件由一系列微量金屬合金元素經過混合、壓縮和燒結制成。在熱處理後,這些材料的表面硬度可達55~64HRc。然而,Magaro先生指出,CPM材料中的各種顆粒仍保持其各自的硬度,最高可達70HRc。因此,一把加工這類材料的立銑刀,在銑削穿透很小、很硬的金屬顆粒後將很快會壽終正寢。由于這些材料的研磨特性,其結果是︰刀具往往會發生過量和難以預見的磨損,甚至引起刀刃斷裂。
                              
                              在Quala-Die公司對銅鎢電極微加工取得成功後,該車間開始對慊鵡>咦榧捎夢 庸?際酢K哪昵埃 貿導浯CMachinerySystems公司(當時MCMachinery公司的經銷商為SharplesMachinery公司)購置了一台四軸Roku-RokuHC-658型高速立式加工中心,用于銑削加工這些電極中的細節部位。根據MCMachinery公司提出的建議,Magaro先生與JayBall先生進行了聯系,後者是SecoTools公司JabroMini系列實心硬質合金刀具的專家。(所提供的JabroMini刀具系列直徑範圍從0.0039~0.0590in)(1in=25.4mm,下同)。Ball先生不但建議該車間在開始時應該使用哪些刀具,而且還大力支持該車間為哪類電極的加工努力建立一個有效的微加工工藝。
                              
                              Magaro先生認為,他可以將這些成功經驗應用于開發一種適用于淬火粉末冶金模具生產的微加工工藝,以減少對費時的EDM放電加工機床的需求。Magaro先生說︰“隨著編程員JimCecchetti先生與Ball先生的再一次密切合作,建立了一個在淬火狀態下對粉末冶金模具組件進行微加工的穩定一致的工藝。”為了使這類材料中銑削微細部分的公差尺寸保持在小至0.0001in的範圍之內,加工工藝的各個方面,包括機床、CAM軟件包、刀柄和刀具都必須同心協力。這是因為在這麼一個小比例工件上銑削加工時,諸如切屑負荷、跳動誤差和整體工藝穩定性等問題都會被放大。這里讓我們快速地瀏覽一下Quala-Die公司采用微加工方法加工的一些關鍵部件。
                              
                              (1)機床
                              
                              該車間對粉末冶金模具的微加工工作是在轉速高達32000r/min的HC-658型機床以及在另一台Roku-RokuVMC立式加工中心上執行的,後者是一台轉速高達30000r/min的VS-652型四軸加工機床,該車間在購買前一台機床的一年半之後購置了這台機床(圖2)。這兩台機床都具備了硬質材料微加工所需的主軸轉速和功率,其各自的靜態定位精度和重復精度分別為±0.000060in和±0.000020in。Magaro先生說︰“每台機床配有油霧冷卻液輸送系統,這兩台機床都提供有均勻的微加工所需的油霧傳送功能和微調功能。
                              

                            圖2Quala-Die公司的兩台高速Roku-Roku機床用于對硬質模具組件的微加工處理,而來自RoedersofAmerica公司的三台機床則用于石墨的加工
                              
                              此外,這些機床的Z軸上還帶有熱膨脹補償功能,以滿足車間內環境溫度微小變化的需要。”在這些機床上,采用測量長度和直徑的激光來執行刀具的測量,是非常重要的。
                              
                              (2)刀柄
                              
                              Quala-Die公司首次將熱套刀柄應用于微加工工藝,據說這種方法的跳動誤差極小。然而,該車間發現由于反復加熱和循環冷卻,因此隨著時間的推移,這類熱套刀柄會逐漸變形。變形的結果會導致微加工工作時的跳動誤差過量。現在,這個車間使用來自Rego-Fix公司的powRgrip刀柄系統。該系統由精密套筒式刀柄和用于套筒從夾座插入和拆卸的台式液壓機組成(圖3)。標準的刀柄經過25000r/min的轉速平衡,雖然該車間也經常使用經42000r/min轉速平衡的專用刀柄。
                              

                            圖3Quala-Die公司的兩台高速Roku-Roku機床用于對硬質模具組件的微加工處理,而來自RoedersofAmerica公司的三台機床則用于石墨的加工
                              
                              除了提供0.00012in的TIR和1100N.m的夾緊力之外,這種刀柄系統還能夠實現刀具的快速更換。采用熱套系統方式換刀需要花費4min時間,而操作員采用powRgrip系統換刀,只需24s時間(圖4)。Magaro先生指出︰“這是非常重要的,因為操作員每天必須完成很多次的換刀作業。”現在,這個車間在執行足夠量的微加工工作時,每天將消耗高達90把的微型刀具。
                              

                            圖4采用這個系統,可以在24s內完成刀具的更換
                              
                              (3)刀具
                              
                              該車間使用的大部分JabroMini立銑刀直徑在0.004~0.019in。這些實心硬質合金刀具的直徑公差在+0/-0.0004in的範圍之內,其跳動誤差可以忽略不計。這種微晶粒結構的硬質合金刀具帶有耐熱抗磨的AlTiN涂層和雙溝槽設計,以方便排屑和提供足夠的幅面強度。方頭立銑刀的幾何形狀是中性的,傾角為0°,螺旋角也為0°,而球頭立銑刀的傾角為0°,螺旋角很小。
                              
                              (4)編程
                              
                              該車間采用了一套中等價位的CAM軟件包,用于“標準尺寸”的工件編程,這種軟件在這樣的應用領域中執行得很好。然而,情況很快變得十分明朗,微加工需要更強大的功能,因為刀具路徑的細微差別,例如坡道角度和參與加工的速率,對最大程度地延長小直徑刀具的使用壽命是非常關鍵的。Quala-Die公司現在使用來自西門子公司的NXCAM軟件,Cecchetti先生承認,此種軟件對編程具有更大的挑戰性,但卻具有微加工所需的靈活性和編程選項。該車間擁有這一軟件的四個席位,而每個編程員的每個工作站擁有兩台計算機。一種手動開關箱可以使編程員設置一台計算機,讓其驗證一個程序(這項工作可能需要花費長達2h的時間,此時,該計算機基本上無法執行其他任務),然後切換到另一台計算機上工作。
                              
                              在建立粉末冶金模具的編程參數時,該車間假定每個工件的硬度明顯地超過額定硬度值。Ball先生指出︰“對那些材料進行微加工期間,切削深度和跨步不要過分,這一點非常重要。”螺旋插補和螺旋傾斜是有效工作的微加工刀具路徑策略。Ball先生建議︰螺旋斜坡的傾角在粗加工時不應該大于1°,精加工時不應大于0.5°。這可以最大限度地減少刀尖所受的壓力,以防止其斷裂。
                              
                              Ball先生說︰“高效微加工的關鍵之一是,使整個切削過程保持一致的切屑負荷。”這就是為什麼它很重要的原因,以確定編程進給速度是否與機床能夠保持的實際進給速度相匹配。他指出,如果一台機床不能使可編程進給速度,至少保持80%的周期時間,那麼該可編程進給速度應該下調到該機床保持的進給速度,以幫助確保一致的切屑負載。例如,如果該程序要求調用40000r/min的轉速和100in/min的進給速度,但機床只能保持50in/min的進給速度,那麼該主軸速度必須削減一半,以確保其一致的切屑負荷。
                              

                            圖5一套視頻測量系統可以讓機床操作員通過鑒別微型刀具上涂層的磨損狀況或平直度來監控微加工工藝
                              
                              新方法的管理
                              
                              在Quala-Die公司,機床的操作員在微加工操作中起著重要的作用。他們必須關注這一工藝,因為刀具壽命可以是不同的,這取決于被加工的粉末金屬的等級。雖然對各級別粉末金屬加工時的刀具使用壽命大致上是了解的,但操作員在每次運行後,仍需卸下刀具,並在該車間的MicroVu視頻測量系統上檢查其磨損的狀況(圖5)。Cecchetti先生指出,最好是在半精加工後進行檢查,這一點特別重要。如果在半精加工後刀具出現磨損跡象,建議操作員用一把新的刀具重新進行一次半精密加工操作,以確保清除合適的加工裕量。這可以防止精加工刀具踫到比預期中更多的材料。只需要萬分之幾英寸的裕量,就足以應付精加工刀具的微加工切削(圖6)。
                              

                            圖6這個圓形模具部件上的微小混合圖形是通過微加工生產的
                              
                              由于該車間目前執行著較大批量的微加工操作業務,因此維持刀具的庫存量已成為一項挑戰性的任務。Quala-Die公司最近安裝了一套從Iscar公司引進的雙控制箱Matrix矩陣式刀具管理系統,以減輕其工作負擔。操作人員使用該系統的觸摸屏登錄和輸入作業信息,該系統會顯示出該刀具的抽屜位置。Magaro先生說,該系統可以使車間確定每一項加工業務所需的刀具準確成本。此外,他設置好電子郵件,將信息自動地發送給刀具經銷商,以補充其所需的刀具。
                              

                            圖7同樣,微加工工藝也適用于加工生產這一硬度為65HRc模具的帶槽表面
                              

                            圖8利用從硬質材料微加工中獲得的經驗,Quala-Die公司已經提高了金剛砂噴涂刀具的使用壽命,這種刀具主要用于石墨電極的加工
                              
                              充分利用現有輔助資源
                              
                              Magaro先生非常重視Ball先生多年來所給予的支持,他確信車間並不總是可以利用來自供應商的幫助(圖7、圖8)。當然,設備專家是從事產品銷售業務的,但許多專家也提供與離散零件生產方面相關的經驗和知識,車間可以利用這些知識提高他們的工藝水平。他不斷地向他們學習,並且他覺得只要保持開放的機會,別人也一定可以做到。

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