以車代磨為模具行業(yè)帶來新技術(shù)變革
2023-3-10 來源：達諾巴特集團 作者：-
在模具行業(yè)，硬質(zhì)合金材料經(jīng)常用于沖壓、拉伸和擠出模具。由于硬質(zhì)合金材料具有極強的耐磨性，且這些模具具有復(fù)雜的輪廓，需滿足極高的輪廓精度和表面光潔度，因此傳統(tǒng)上采用磨削工藝，由專用的金剛石砂輪磨削完成。然而，制造商不斷面臨降低成本、提高質(zhì)量和提高效率等多方面的挑戰(zhàn)。事實證明，高精度硬車削（以車代磨）有助于實現(xiàn)這些目標。
高精度車削是一種非常柔性的工藝。它設(shè)置簡單，換型容易，可以在一次裝夾中完成內(nèi)孔和外圓的車削加工，有利于減少累計誤差并提高零件精度。同時車削加工具備更高的金屬去除率，也就意味著可以提高效率。然而，它最大的優(yōu)勢是可以便捷地加工復(fù)雜的零件輪廓，不同的零件輪廓形狀可以通過
CNC 程序，使用多軸插補的方法，由超精密機床精確生成。而在磨削的情況下，通常需要多次設(shè)置才能加工完成復(fù)雜形狀的工件，對于特定砂輪形狀進行加工的每個輪廓都需要更換砂輪。因此就小批量加工而言，這會顯著影響加工效率。現(xiàn)在，通過具有極佳動態(tài)剛性和超高精度的車床以及新型金剛石刀片，可以實現(xiàn)硬質(zhì)合金零件（以車代磨）的柔性制造工藝。
圖 1 在漢布雷格 MikroTurn 100 車床上車削加工硬質(zhì)合金拉伸模
全靜壓技術(shù)的超高精度硬車床
為了實現(xiàn)這種柔性制造工藝，擁有一臺超高精度硬車床是必須的。最佳的機床和創(chuàng)新的刀具是成功將硬質(zhì)
合金車削到與磨削相同精度的關(guān)鍵。通常，硬質(zhì)合金材料的硬度值可達 80 HRC, 而淬火鋼的硬度范圍一般為58 ～ 65 HRC。
加工更高硬度的硬質(zhì)合金需要遠高于淬硬鋼的切削力。較高的切削力會導(dǎo)致機床導(dǎo)軌和主軸軸承會承受巨大的回推壓力。由于有限的減震特性，在傳統(tǒng)精密車床上這樣的力會導(dǎo)致嚴重的震動，同時會導(dǎo)致導(dǎo)軌過早磨損，這會引起一系列的問題，諸如尺寸保持能力、輪廓精度和表面粗糙度，且會加快刀具磨損。
走近漢布雷格
荷蘭制造商漢布雷格機床公司（Hembrug Machine Tools）為西班牙達諾巴特（Danobat Group）機床集團成員之一，專門從事高精度硬車床的開發(fā)和制造。此外，他們還擁有車削亞微米級精度要求硬質(zhì)合金工件的豐富經(jīng)驗。50 多年前，公司擺脫了傳統(tǒng)車床的生產(chǎn)，開發(fā)了以靜壓技術(shù)為核心的，包括靜壓主軸和靜壓導(dǎo)軌的超精密車床，以滿足用戶日益提高的質(zhì)量要求。
圖 2 最新設(shè)計的第三代全靜壓 Hembrug MikroTurn® 100 超精車床
Hembrug Mikroturn® 系列機床的主軸和導(dǎo)軌均采用這種“內(nèi)部”開發(fā)的靜壓技術(shù)。事實證明，它優(yōu)于當今市場上的所有其他類型的主軸和導(dǎo)軌系統(tǒng)。該機床提供了卓越的阻尼特性以及高動態(tài)剛度，與速度無關(guān)，這對于最小化刀尖的振動是非常有必要的，而減少振動對于表面粗糙度和延長刀具壽命至關(guān)重要。
同時由于導(dǎo)軌副之間或主軸軸承之間沒有金屬與金屬的接觸，因此無磨損，可以降低維護運營成本并長久保持機床的精度。
與傳統(tǒng)的精密車床相比，這種以靜壓技術(shù)為核心，以天然花崗巖為床身的機床，無疑投資成本更高。但是由于其固有的穩(wěn)定性，我們得以持續(xù)穩(wěn)定獲得滿足精度要求的零件，與此同時刀具壽命更長，調(diào)整時間更短。最重要的是，工件質(zhì)量與磨削相當。
如何選用刀具
除了這些對機床的基本要求外，還必須使用合適的刀具。近年來，這一領(lǐng)域有了更多進展，從而改善了硬質(zhì)合金的可加工性。只有最堅硬和最耐磨的刀具才能加工硬質(zhì)合金，目前金剛石類刀具已經(jīng)具備這個能力。現(xiàn)在有許多不同類型的金剛石刀具，我們建議使用最新開發(fā)的無粘結(jié)劑 PCD 刀片。它們比單晶金剛石型更耐磨、更堅韌。新型 PCD刀具壽命顯著延長、表面粗糙度更好，從而增強了尺寸精度控制能力。這些刀具的出現(xiàn)使硬車削成為一種更加可行的加工工藝。
圖 3 車削后油石超精，可實現(xiàn)工件表面粗糙度R a0.02 μm
硬車與超精技術(shù)的結(jié)合
硬質(zhì)合金的粘合劑含量、硬度、耐磨性和粒度等，都對其可加工性產(chǎn)生影響。合金晶粒尺寸越細，可獲得的表面粗糙度的精度越高。對于粗晶粒且要求表面粗糙度的精度較高的產(chǎn)品，Hembrug 提供可集成磨削主軸或超精絎磨的方案。Hemburg 獨家提供的“Kombifin 超精磨削選件”，零件表面粗糙度可達 R a0.02 µm。在一臺機床上結(jié)合硬車加工和超精加工，顯著提高了精度和靈活性。通過這種方式，無論晶粒大小如何，用戶都可以在表面粗糙度和表面質(zhì)量方面獲得更加出色的結(jié)果。
在全球范圍內(nèi)有許多 Hemburg Mikroturn® 機床用于硬質(zhì)合金成型工具的精加工。在最近一次應(yīng)用中，Hembrug再次證明了硬車削工藝的實力，這是一個含有 12% 鈷粘結(jié)劑的直徑 150 mm 拉伸模具。我們的工程師能夠以0.2 mm 切削深度加工該模具，總循環(huán)時間為 30 min。而同一零件的如果采用磨削的方式，則需要 8 h。
圖 4 拉伸模加工精度相同的情況下，硬車 30 min 內(nèi)完成，而傳統(tǒng)的磨削工藝需要 8 h 才能完成
該用戶正在尋找一種在不犧牲零件質(zhì)量的前提下更高效的加工方法。使用 CVD 金剛石刀片，刀具壽命長達2.5 km，而使用 PCD 刀片，刀具壽命甚至可以達到 4 km，表面光潔度為Ra0.2。
盡管硬車削可以采用干式加工，但使用冷卻液（空氣或切削液）通常更有益。有了冷卻液，排屑更順滑，從而最大限度地減少進入工件的熱量。冷卻液的使用還有助于提高工藝的穩(wěn)定性。
擁有一種靈活的加工方法，如以車代磨加工，能夠生產(chǎn)出高質(zhì)量的硬質(zhì)合金模具，并保證磨削質(zhì)量。尤其在小批量生產(chǎn)中，以車代磨工藝，輪廓復(fù)雜的零件更易生產(chǎn)，換型時間快，調(diào)整時間短，這意味著成本更低，錯誤更少且交付周期更短。無論生產(chǎn)什么樣的工件，都會帶來巨大的競爭優(yōu)勢。
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