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模具制造中的微细铣削
作者：大连组合机床研究所 李如松
近几年来，构件的微型化已成为一种发展趋势。在许多技术领域（如航空、汽车、电子、移动通讯、医疗、光学和机械制造等技术领域）愈来愈多地应用微型机械产品。构件的这种微型化发展，对加工技术提出了更高的要求，生产这些尺寸很小、精度较高的零件和模具使机械加工行业面临着新的加工问题。因为这种采用极小刀具进行的微细加工与采用大规格刀具的加工存在着本质的区别。
为降低制造成本，大批量的微型构件是采用模具来制造的。目前，这种小型模具的加工则是一个强劲增长的领域。由于模具对精度和表面质量的要求极高，而模具的制造又是单件或是小批量生产的产品。要柔性而又经济地生产，这就使得微细铣削工艺被置于一个特别重要的地位。微细铣削同电火花加工和激光加工工艺相比，具有许多优点：
1、能加工淬硬的工具钢；
2、柔性制造复杂的几何表面；
3、可利用现有的CAD/CAM系统；
4、可获得很好的表面质量；
5、比较低的设备投资。
因此，在微型模具的制造中，采用微细铣削工艺可以利用NC-5轴（或3轴）高速加工中心或微细铣削机床柔性和精密地来制造各种各样的模芯。
很小直径的铣刀
微细铣削加工，采用的铣刀直径通常在0.1mm和2mm之间，铣刀设有两个铣削刀刃。考虑到铣刀直径小和刚性差的情况，刀具材料普遍采用超细颗粒（0.2祄～0.5祄）硬质合金，这种合金由WC-Co和粘结材料组成，在烧结时能获得均匀的组织，具有硬度高、韧性好、抗疲劳强度高和耐冲击性能好等优点，故适合于制成特小直径的铣刀，并应用于硬铣加工。
为减小铣刀刀刃和工件之间的摩擦，提高铣刀的耐磨性和热稳定性，在铣刀上涂有1祄～3祄厚的硬涂层，例如，可采用PVD涂层工艺的TiAlN，TiCN等硬材料涂层或采用CVD涂层工艺的金刚石涂层。为增强微型铣刀的刚性，铣刀采用锥形结构和圆柱刀柄。
由于微型铣刀直径很小，刚性较差，平面转动惯量随铣刀直径而成立方下降。因此，微细铣削加工时，铣刀只能承受很小的切削力和转距，所以在铣削加工时应采用很小的每齿进给量，视铣刀直径和工件材料的硬度，其值大致为铣刀直径的0.5/100至3/100，过大的进给量会导致刀具的折断。
在这里应提及的是，对于三轴加工或在铣刀轴没有倾斜的情况下，球头铣刀进行铣削时，由于背吃刀量很小，在铣刀工作直径上的实际切削速度要大大小于铣刀名义直径上的速度。为使微细铣刀加工能达到较佳的切削过程，选择切削速度时，应考虑到铣刀实际的工作直径。例如： 0.5mm的球头铣刀，选择的切削速度为160m/min，（相应的主轴转速为102000r/min）背吃刀量0.05mm。经计算得知该铣刀的工作直径仅为0.3mm，其相应的切削速度也只达到96m/min。如果按160m/min的切削速度来切削，则主轴的转速相应要提高到170000r/min。
图1很小的刀具：整体硬质合金微型铣刀（来源：phom公司）
图2 微细加工模芯：采用微细铣削加工制造可转位
刀片
（S224和S229型号）的成形冲模。（来源phom公司）
图3 冲压模的微细限削
采用很小直径的刀具进行微细铣削，要达到由工件材料所决定的切削速度就需要很高的主轴转速。例如，采用直径0.5mm的铣刀铣削钢件，当选用180m/min的切削速度，则需要115000r/min的主轴转速。刀具直径愈小，则需要的主轴转速愈高。
目前，在模具制造中普遍采用的普通加工中心，其主轴转速大多在18000～42000 (r/min)，适合于采用2mm～12mm直径的立铣刀进行加工。而微细铣削加工所采用的刀具直径更小（0.1mm～2mm），由于切削速度取决于要加工的工件材料，要是在这样常规的机床上进行微细加工，显然不能获得较佳的切削过程。
为适应微细铣削加工的快速发展，研制新的更高转速的电主轴具有特别重要的意义。几年前，一些电主轴制造厂已生产出160000r/min转速的主轴部件。一个由多家主轴部件生产厂和Fraunhofer生产技术研究所组成的小组就在前几年已着手研制转速为300000r/min的由空气轴承支承和采用同步电机驱动的电主轴。目前，Precise精密主轴部件公司推出了专门用于微细切削加工的高速电主轴。从这些电主轴中可以看出，由空气轴承支承的电主轴，可以达到很高的转速。另外，空气轴承的优点是运转平稳，圆跳动误差可达到<1祄，这种轴承还不易发生磨损，因此，有较长的使用寿命。由于微细铣削本身产生的切削力较小，故这种轴承特别适合应用于微细切削。
图4 铣刀直径和所需转速图：刀具直径越小，为进
行 佳的切削所需的转速就越高（来源：Precise公司）
空气轴承与同步电动机在电主轴上的联合应用，鉴于具有运行平稳、长使用寿命和热特性好等优点，这对于微细切削加工来说无疑是一种 佳的主轴系统。
刀夹和刀柄接口
为适应高转速加工，刀夹和主轴之间的接口主要是采用结构对称的HSK-E32（可实现60000r/min的 高转速）和HSK-E25（可实现80000r/min的 高转速）。如果转速超过了80000r/min，或要求更高的精度（减少接口数量），则应采用把刀柄直接夹紧在机床的主轴里的办法，但这种办法的缺点是，要求所有使用的刀具必须有相同的刀柄直径。
刀夹的圆跳动对微细铣削的表面质量和表面轮廓精度有重要影响，因此，对于微细铣削加工，主要是采用圆跳动误差很小（≤0.003mm）、结构对称的热装冷缩式刀夹。这里用一个精铣90MnCrV8材质的成形冲压模来说明：双刃铣刀精铣时采用的切削参数是转速n=30000r/min，侧吃刀量ae=0.05mm，背吃刀量ap=0.05mm和进给速度Vf=200mm/min。这就得到fz=0.003mm的每齿进给量。如果刀夹的圆跳动误差为3祄，则双刃铣刀很快便成为只有一个有效切削刀刃的刀具。因此，基于精度和表面质量的考虑，值得推荐采用热装冷缩式高精度刀夹。
三轴和五轴微细加工机床
为实现微细加工，不仅需要尺寸很小的刀具和相应的刀夹，而且需要有专门为微细加工而设计的进行微细铣削加工的铣床或加工中心。目前，Primacon公司提供的Mikro-BAZ-PFM24 NGd 五轴（或三轴）加工中心，其主轴转速 高达140000r/min。控制系统采用海德汉iTNC50。Kugler公司提供的Micromaster∕M型五轴微细加工机床，该机床为保证高的加工精度，采取了许多结构措施：其机体由精细颗粒的整体花岗岩制成，因此保证了机床的长期稳定性。X-Y-Z轴直线导轨采用静压支承，X-Z轴的龙门框架同样由经精密加工的花岗岩构成，从而保证了轴的热稳定性和很高的刚性。通过采用直线驱动来提高轴的定位精度，同时采用空气支承的电主轴来提高转速，其 高转速达160000r/min，以保证微细铣削的 佳过程。Wissner公司的GAMMA202 EconoMic型铣床是专门用来进行微细加工的三轴铣床。
图5 微细加工机床：Kugler公司的误轴微细加工机床
目前，微细加工机床的控制系统一般都可以与不同厂家的CAD/CAM系统进行连接，通过这种连接，能使模具的复杂轮廓的加工获得良好的效果，并缩短调整时间和编程时间。
结束语
近年来，随着技术产品构件的微型化发展，微细加工技术日益成为微型构件加工的关键技术。微细铣削加工在制造微型构件和模具中占有十分重要的地位。进一步开发微细铣削加工用的刀具、刀夹和高速电主轴，以及微细加工机床是推动微细机械加工技术发展的关键。在微型模具制造中，通过微细铣削加工不仅可以提高经济效益，而且还可以进一步挖掘铣削加工的工艺潜力。
