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现代十大模具制造技术(1)
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    本文对第十届中国国际模具技术和设备展览会中展出的加工中心、数控铣床、高速铣削技术、快速模具制造及快速成型技术、电火花加工机床(EDM)、金属切削刀具、数控雕刻机、模具CAD/CAM/CAE技术、三坐标测量机、便携式CMM、便携式扫描仪、激光跟踪仪、模具材料等十大模具关键设备和技术进行了评述,同时介绍了现代模具制造技术的现状、特点和发展趋势。
    作为本届展会的一大亮点,中国模协技术委员会特别邀请我国模具领域专家组成第十届模展评定和评述专家组,在2004年5月12~16日展览期间,对国内厂家参展商申报的模具及模具标准件质量和制造技术水平进行评审。专家组对展示的模具和模具制造设备进行分析,并结合目前国内、外模具制造设备的发展动向撰写出评述文章。
    第十届中国国际模具技术和设备展览会于2004年5月在上海举行。本届展会展览面积超过35000m2,共展出各种模具加工设备288台,精品、名品、新品精彩纷呈,盛况空前。在模具制造技术及设备方面,许多国内外知名厂商都参加了展出,展示了模具制造技术的当代先进水平及其发展趋势。
    1.加工中心
    本届模展共展出来自瑞士、德国、意大利、美国、日本、西班牙和我国部分机床厂参展的各种加工中心和数控铣床60余台。
    德马吉公司历来是参展展品最多的展商之一,本届共展出各种模具加工设备9台,其中2台是首次参展。DMC 75V立式加工中心的X、Y、Z三个坐标均由直线电机驱动,三个坐标行程为750(885)mm/600mm/560(600)mm。主轴转速18000r/min,主轴功率35kw,最大扭矩119/85Nm,X、Y、Z三向快速进给均为90m/min,加速度2g,刀库容量30把。该机床是专门针对模具行业开发的。机床立柱采用龙门结构,X轴导轨在立柱上面,Y轴导轨在床身上面,工作台前后移动时,重心始终在导轨范围内。该机床还有5轴联动的派生产品,可借助主轴头的回转摆动与数控回转工作台实现5轴联动加工。为降低部件高速运动时的温升和热变形,机床在三个运动部件上装有温度传感器,对温度进行监测和位置补偿。由于3轴速度匹配得当,故三维加工时切削进给速度可以达到30~40m/min,并保持很高的加工精度。
    另一台首展的是DMC 60T高精度并带有自适应功能的由模块化组成的立式加工中心。机床的X、Y、Z三个坐标行程为630mm/560mm/560mm,主轴电机15kw,主轴转速12000r/min,高速型为24000r/min,最高为42000r/min。快速进给3轴均为50m/min,加速度为6m/s2。该机床还可以提供一种自适应功能软件ATC,这是用于模具加工工艺的一种专家系统,是针对表面质量、精度、速度(效率)三种加工目的而设置的专家系统软件,可帮助操作者优选最佳工艺参数,以实现最佳加工效果。
    米克朗公司这次展出的HSM800加工中心,主轴转速为36000r/min,主轴功率为32kw,加工范围为800mm×600mm×500mm。米克朗公司开发的HSM400U机床,选用高阻尼材料作床身,从而使机床刚性和抗振性好。采取的主要措施有:封闭的O形龙门结构、人造大理石的床身、Y-Z溜板采用高强度的铸造结构,高速电主轴采用负载能力高、使用寿命长的陶瓷混合球轴承,并装有用于热补偿的温度传感器和矢量控制系统,以及安装在3轴上的精密光栅尺,以保证工件最佳精度。另外,电主轴还装有恒温水冷装置及高压喷射干式或湿式冷却剂的装置和良好的防护,保证高速加工时冷却剂不会泄漏。除上述结构上的保证外,为了使操作人员能根据加工主要目标优选出最佳工艺参数进行加工,从而达到最佳加工效果。
    米克朗公司开发了Cyclone专家系统MCE。该系统是针对高速切削机床的短的加工时间、最高的精度和最佳的表面质量的加工目标而开发的。操作人员通过三角形显示界面确定并设置参数,参数显示直观操作方便,操作人员经短期培训即可掌握。例如粗加工,效率是关键,操作人员只需将加工时间设为最优先级,则专家系统将会放宽公差带,并在转角和曲线处只粗略的切出轮廓,机床会提供尽可能大的进给速度,从而获得高的切削效率。如果是精加工,其精度和表面质量是重点,若要求最高精度,则系统会为之设定较窄的公差带,同时进给传动机构在尖角和曲线处减速,以免过切,但在保证精度的前提下,仍尽可能采用最大进给速度。
    除此之外,米克朗公司还提供一个选择功能,即机床与手机连接的功能。在操作人员离岗,设备处于无人管理时,一旦有问题会自动通过手机向操作者报警。像这种有针对性地提供工艺软件的还有美国赫克(Hurco)公司。该公司提供的提升速度控制软件AVC和表面加工软件ASF,可自动选择曲面各点达到最好表面质量时的进给速度,从而加工出最好的表面。
    2.高速铣削
    本届模展的机床展品以高速铣削机床(HSM)为主。国外参展的展品的机床几乎全部是高速铣,国内只有合资和独资企业有来件组装或按国外图纸生产的高速铣参展。我国台湾厂商的高速铣多于上届。从总体上看,本届展品的技术水平高于上届,表现在:多次展出的产品在技术上更加成熟,首次展出的新产品技术水平更高。
    日本牧野公司展出的V22加工中心是一台首次展出的小型立式加工中心。机床主轴电机8.4kW,转速400~40000r/min,扭矩2Nm,进给速度20m/mm,适合于电极及淬硬钢小模具的高速精铣。V56的工作台为550mm×1050mm,X、Y、Z三向行程为:900mm×550mm×450mm,承载重量800kg,主轴转速20000r/min,最大进给速度20m/m。主轴热变形量±1mm,主轴振幅小于±2mm,在恒温条件下切圆精度0.004/250mm。
    日本牧野公司展出的V56立式加工中心的结构设计采用龙门式立柱结构,X向导轨置于立柱上方,Z轴导轨置于X轴滑板上,使Z轴无悬臂现象,从而保证在全行程内的优异加工精度。主轴采用中心冷却和内压润滑系统及热变形补偿技术,可以最大限度降低机床热变形的影响,从而使V56机床即使长时间高速运转,也可以保证加工工件的高精度。机床热稳定控制系统(选项)可以使冷却油流经立柱,从而降低立柱的热变形量。V56机床结构是针对高速铣削加工而精心设计制造的,十分适合模具高速加工。
    特别值得一提的是,德国科恩(KERN)公司生产的HSPC2825超高速精密小型加工中心(有加工实物样品,机床未参展),最高主轴转速160000r/min,据称为世界之最。加工中心是5轴五联动,定位精度±1.0mm,分辨率0.1mm,加工零件精度可达±2.0mm,最高加工工件硬度为HRC57,最小可加工直径为0.03mm的小孔,能加工淬火钢、硬质合金、陶瓷材料,最佳表面粗糙度Ra0.2mm。刀具采用在线测量,可消除主轴高速旋转和静止时对刀具长度的影响。可加工硬质合金刀片模等各类精密小型模具。
    本次展会上,5轴联动的加工中心展品多于上届。不少厂家在其样本资料中标明有5轴联动高速铣削机床供应,如米克朗公司、日本牧野公司以及西班牙德克雷亚公司等。这说明模具加工对5轴联动机床的需求日益增多,特别是三维型面加工的高速铣削,只有保持刀具轴线与被加工型面间一定的倾角才能获得好的表面加工质量,因此需要5轴联动机床。
    我国内地和台湾省厂商展出的加工中心和数控铣大多为普通结构,其主轴转速一般为6000~8000r/min,超过10000r/min的展品不多。原因是传统结构的主机其刚性、精度及抗振性等均不适应高速铣削加工需要。展品中也有专为高速铣削设计的国产机床,但都是合资和外商独资企业的产品,如沈阳菲迪亚高速机床有限公司的HS664及D165高速立式加工中心。
    台湾厂商本次展出的高速铣床有冠德机械有限公司的GT-66V S30B立式加工中心,该机工作台面积500×700mm,主轴20kW,转速最高为30000r/min,采用水冷温控系统,快速进给30m/min,加速度分别为X=0.8g,Y=0.9g,Z=1g以上。
    台湾快捷机械股份有限公司展出的GTV-96高速立式加工中心,其主轴24000r/min,功率29kW,切削进给速度20m/min,最高40m/min(选项)。GTV-96造型独特,立柱和床身铸为一体,且立柱三面呈“冂”型,在这一机身的顶面装有直线导轨,可移动的横梁在其上做X运动,而Y向滑板沿横梁导轨运动,主轴箱滑体是在Y轴滑板上运动的桥式结构,所以刚性较好。这种结构的机床工作台不动,所以承载能力大,占地面积小,机床各主要参数适合进行高速铣削。展机所切样件粗糙度为Ra0.8mm,可以满足模具加工的需要。
    从上述展品的特点中可知,适应高速铣削的机床不是主轴转速高就能进行高速铣削的。高速铣精加工除主轴转速高、进给速度快、加速度大外,机床要高精度、高韧性、高阻尼及良好的抗振性,且运动部件发热少、热变形小、传动平稳等,这些要求一般只有新设计才能解决。
    展出的高速铣削机床基本上是国外产品,国内还没有真正自主知识产权的HSM。虽然不少主机厂近年来也为模具加工开发了不少新产品,但尚无高速铣削机床面世。先进的日益成熟的高速铣削加工技术已在模具制造中引起越来越广泛的关注,这项技术也是现代机械加工业值得推广的一项高新技术,希望我国机床制造厂能早日开发出具有自主知识产权的HSM及数控铣床,为提升我国模具制造的总体技术水平服务。
    3.快速模具制造及快速成型技术
    快速成形(RP)是20世纪80年代末发展起来的先进制造技术,它是一种由CAD模型直接驱动的快速制造复杂形状实体的技术。由于它采用离散/堆积原理,因此理论上快速成形可以制造任意复杂形状的实体。又由于它成形加工无需专用夹具和工具,加工过程中无人干预等一系列优越性,国内外都在研究直接利用RP技术加工金属模具的可能性,但在国内还没有成功的先例。
    据不完全统计,本届展会参展的快速模具制造及快速成型技术的有20余家单位,其中有国内外公司、科研院所、大专院校,展出的技术及设备代表了国际,国内在快速模具制造与快速成型技术领域的先进水平。快速成型系统、快速制模设备的开发研究,水平不断提高,精度不断提高,市场不断扩大。如清华大学企业集团、北京段化激光快速成形与模具技术有限公司、西安交通大学企业集团公司、陕西恒通智能机器有限公司、华中科技大学塑性成形模似及模具技术国家重点实验室等。
    华中科技大学、武汉滨湖机电技术产业有限公司的快速成型系统、快速制模设备及新型材料,都达到了国内先进水平。覆盖件快速模具制造近年来也有较大的突破,已填补了我国汽车车身试制中存在的空白,如烟台泰利汽车模具制造有限公司的汽车覆盖件模具的快速制造技术,已达到了国际同类模具水平,逐渐在我国汽车开发中采用。
    德国优思(EOS)公司在这方面处于领先水平。据介绍,该公司的金属粉末材料是关键技术。本届模展,德国优思公司带来了由该公司金属粉末激光快速成形系统制造的金属模具样品,给精密模具制造提供了一个全新的手段,是模具制造技术重要的发展方向之一。公司的金属粉末激光快速成形系统,使用200W激光器,光斑直径0.1mm,烧结层厚度0.02~0.05mm,可烧结钢粉及铜粉,烧结密度99.8%,烧结的钢模具硬度为HRC45,烧结精度可控制在±0.03mm以内(工件尺寸不详),这是模具制造技术的新动向。
    4.电火花加工机床(EDM)
    本届模展,国内外电火花加工机床的知名厂商都参加了展出,显示了电火花加工机床强劲的发展势头。
    上海大量电子设备有限公司参展的TP系列机床采用超短程往复走丝模式,可加工出无黑白条纹、色泽均匀的工件。该公司研制的耐磨性导向装置,能进行精度为±0.006mm较高精度加工。据该公司介绍,机床还能进行多次切割,以提高加工精度,改善表面粗糙度(Ra≤1mm)。泰州冬庆数控机床有限公司生产的DK7780Z机床,采用了大偏距单立柱设计,U、V轴大行程锥度装置,上出式偏置伸缩摆杆组件等关键技术,实现了切割厚度250mm时锥度为60°,切割厚度600mm时锥度为30°的大厚度大锥度切割,为国内领先水平。但是总体来说,高速走丝电火花线切割机床(HSWEDM)目前很难实现高精度加工,模具的精密加工还要依靠低速走丝电火花线切割机床(LSWEDM)来完成。
    本届模展,国外一些知名厂商都有LSWEDM展出,代表了当今LSWEDM的先进水平。例如日本沙迪克公司的AQ550L、AQ325L以及加工精度更高的AP200L等;日本三菱公司的FA20S(大连生产)、FA20V(日本生产),其中FA20V利用直径0.36mmV型高速丝,其最大切割速度可达500mm2/min,利用SL控制功能,提高了加工精度,直线度为2mm,转角精度1mm;日本牧野展出的SP43,在异型切割时,经三次切割、平均切割速度94mm2/min,Ra0.5mm;瑞士阿奇夏米尔公司展出ROBOFIL380、AGIE CUT PRDGRESS。该公司的CC电源机床,在切割厚度为60mm的异型工件时,切割速度可达400mm2/min,在精加工时,加工精度为±2mm,Ra≤0.2mm,变质层≤1mm。该公司首次展出的PRDGRESS机床,最大切割速度为500mm2/min,开发的e-CUT新型电源,在一次切割的情况下其表面粗糙度可达Ra≤0.8mm,切割速度为300mm2/min,减少了多次切割次数,使整体切割效率与没有e-CUT新型电源相比,提高200%,而且减少了滤芯、树脂及电极丝的消耗。该机床精加工的轮廓精度为3mm,最小Ra≤0.2mm。
    瑞士SARIX公司展出的SX-200-HPM6轴(X、Y、Z、C、A、B)数控精密微细电火花机床,X、Y、Z轴行程为350mm/200mm/200mm,X、Y轴的定位的精度最高达±1mm,分辨率为0.1mm。工作台上装有电极修整(制作)装置,采用线电极等方式进行修整,通过X、Y、Z、C等相关轴的联动,进行各种形状电极的反拷贝加工。利用Z/C/A/B轴可进行复杂的空间位置或多工位微小孔加工,可加工0.02mm的微孔,可进行硬质合金集成电路模具的穿丝孔加工,也可以通过数控轴联动进行异形孔加工,进行微小型模具及微小零件加工(例如齿宽为0.02mm小齿轮加工等)。该机床还可以进行电火花铣削加工,用直径0.045mm(展位上介绍直径为0.02mm)至3.0mm的棒状或管状电极进行微小型、精密、复杂、超硬材料模具和零件的铣削加工。该机床加工的最佳表面粗糙度Ra0.05~0.1mm。这是在我国首次展出的高新技术设备。
    根据统计,本届模展共展出特种加工机床128台,参展的规模之大、数量之多、品种之全,参展厂商之踊跃,充分证明特种加工机床在模具制造业的重要地位和作用。但是,我国的LSWEDM与国外先进水平的LSWEDM相比还有较大差距,能真正用于模具精密加工以实现以割代磨的还是国外高水平的LSWEDM。(未完待续)

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