電磁研磨模具加工技術(shù)研究
在金屬模制造工程中，因?yàn)楣ぷ鳈C(jī)械及放電加工機(jī)械的導(dǎo)入，以及其後之CAD/CAM的導(dǎo)入，促進(jìn)了從設(shè)計(jì)到加工整個(gè)流程的機(jī)械化及自動(dòng)化。因?yàn)镃AD在可以表現(xiàn)出更復(fù)雜的形狀，其操作性及和CAM的相容性也提高了，所以可以在更快速的情形下求得更高的精度。CAM也更為快速，且因?yàn)槎噍S控制加工的功能，而可以進(jìn)行復(fù)雜形狀的加工。在形狀創(chuàng)制加工方面，因?yàn)楦咚巽姶布扮R面放電加工機(jī)械的出現(xiàn)，而能而更快的進(jìn)度來進(jìn)行高精度的金屬模制造。
然而，精細(xì)修潤(研磨)及組立流程的自動(dòng)化卻比前述流程為慢。雖然到目前為止，市面上所販賣的研磨專用機(jī)械發(fā)揮很大的效用，而其中的大部份，大都是以自我模仿或?qū)W習(xí)的方式來進(jìn)行工具移動(dòng)，所以看不到有多大的變化。而最近以CAD資料為基礎(chǔ)，采用多軸自動(dòng)機(jī)械來進(jìn)行研磨自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)。為了實(shí)現(xiàn)以形狀精度及效率為前提的高水準(zhǔn)金屬模研磨，則以能整體掌握從設(shè)計(jì)到加工、計(jì)測(cè)之連續(xù)金屬模制作流程的CAD/CAM系統(tǒng)為基礎(chǔ)的驅(qū)動(dòng)旁式，或是可以并用在形狀加工上使用之NC資料自動(dòng)研磨方式為并。其代表的意義，就是以CAD資料為基礎(chǔ)的方法，將來極有可能成為實(shí)現(xiàn)高精度、高效率之研磨自動(dòng)化的一方法。
到目前為止，精細(xì)修潤(研磨)流程的效率化及追求高精度方面，大都著眼於研磨的發(fā)展上。所以大家都將此流程中效率化及高精度化的重點(diǎn)，放在如何提高前流程中之切削加工或放電加工精度來進(jìn)行形狀加工，且能將表面粗糙程度降至最低。筆者認(rèn)為，在形狀創(chuàng)制加工中應(yīng)盡量提高精度，在不降低效率的前提下，減少表面的粗糙度，再利用研磨時(shí)減少研磨的份量來維持精度，這樣就可以現(xiàn)高精度又具高效率的金屬模研磨。
因此，將針對(duì)以推動(dòng)金屬模研磨的自動(dòng)化、快速化、高精度化為目的而進(jìn)行之高速銑削、5軸控制切削、及電磁研磨等實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行解說。
研磨前流程的努力
模具制作上是以設(shè)計(jì)、加工制造為主，一直到目前為止一直都在追求各個(gè)流程中的快速化、高精度化要及自動(dòng)化。本來這些流程都是互相關(guān)連，而必須被整體考慮的，但在某一個(gè)流程中作有程度的犧牲，可能會(huì)帶給另一個(gè)流程更大的益處，例如，縮小切削時(shí)的pick進(jìn)給，進(jìn)行表面粗糙度較低的形狀加工，以減輕研磨的負(fù)擔(dān)，這些情形應(yīng)該都已經(jīng)被考慮過了。當(dāng)然，將pick進(jìn)給減為一半時(shí)，就必須花費(fèi)2倍的時(shí)間，負(fù)責(zé)切削加工的人自然不愿意。然而，此種作法可減少表面的粗糙度，研磨的部份就相對(duì)減少，不但可以縮短修潤加工的時(shí)間，在修潤加工流程中，也可以減少形狀上的損失，同時(shí)也很明顯地，會(huì)使組合、試模修正等後流程更為順利。若縮小pick進(jìn)給又能以較少的加工時(shí)間來進(jìn)行形狀加工的話，則不但可以縮短整個(gè)金屬模的制作流程，又同時(shí)可以提高品質(zhì)并降低低成本。
相片一 圖一
2. 切削及研磨所需要的時(shí)間(h/100cm2)
3. pick進(jìn)給(mm)
4. 切削條件
高速M(fèi)C：旋轉(zhuǎn)數(shù)30000rpm進(jìn)給速度9750mm/min切深0.1mm
高速M(fèi)C：旋數(shù)數(shù)20000rpm進(jìn)給速650mm/min度切深0.2mm
兩方都是以直徑20球端銑刀來加工
5. 研磨條件
直徑16球端割縫工具、旋轉(zhuǎn)數(shù)1750mm、加工間隙1.2mm、655NbC-Fe磨粒(212-300)、磁束密度1T
6. 圖1以各種Pick速量，對(duì)S50C材1000mm進(jìn)行切削，并以電磁研磨至表面粗糙度為0.4mRmax時(shí)所花費(fèi)的整體加工時(shí)間。內(nèi)是切削後的表面粗糙度5軸控制切削及電磁研磨
基於上述理由，筆者一群人就針對(duì)如何組合高速銑削及電磁研磨來促進(jìn)研磨的效率、如何利用5軸控制的切削及研磨來提高研磨的精度，及以何種切削條件才能滿ì所有要求的研究。
電磁研磨法的特征
相片1是在多能加工制造中心機(jī)上配置電磁研磨工具的外觀。電磁研磨裝置是由線圈繞組、鐵蕊、直流電源、及電磁磨粒所構(gòu)成，是可配置在任何工作機(jī)械上的簡(jiǎn)易裝備。通電後，其鐵蕊前端會(huì)斂引磨粒而形成電刷。同時(shí)，和鐵蕊對(duì)峙的加工物件會(huì)被磁化，加工件側(cè)也會(huì)產(chǎn)生吸引力而斂附磁性磨粒，就形成加工壓而進(jìn)行研磨。鐵蕊和加工物件有數(shù)mm的間隙，此間隙中會(huì)充滿磁性磨粒。
此研磨法的特徵是，可以利用以NC資料為基礎(chǔ)之驅(qū)動(dòng)方式來進(jìn)行自動(dòng)研磨，即使加工物件有微細(xì)的凹凸，磨粒集合體也會(huì)配合加工物件形狀來進(jìn)行研磨。因可以使用形狀加工的工作機(jī)械，加物件不需再經(jīng)階段更換，所以有更好的精度。
高速銑削的優(yōu)點(diǎn)及電磁研磨
高速銑削因?yàn)楦咚傩D(zhuǎn)的主軸、其相對(duì)應(yīng)的工具及雙環(huán)的開發(fā)而正在進(jìn)行實(shí)用化的檢討。采用此加工法，即使以較小pick的進(jìn)給來切削，因?yàn)槭且愿咚賮磉M(jìn)給工具，所以加工時(shí)間不會(huì)增加。圖1中是在各pick進(jìn)給的情形下，以旋轉(zhuǎn)數(shù)20,000rpm、進(jìn)給速度650mm/min、及旋轉(zhuǎn)數(shù)30,000rpm、進(jìn)給速度9,750mm/min對(duì)S50C材100(平面)進(jìn)行切削，在以電磁研磨至表面粗糙度為0.4時(shí)所花費(fèi)的整體加工時(shí)間。以電磁研磨經(jīng)0.3mmpick進(jìn)給高速銑削後的表面時(shí)，所花費(fèi)的整體加工時(shí)間是最少的。若pick進(jìn)給切削時(shí)間花費(fèi)太多，就不是效率加工。若將切削時(shí)間及研磨時(shí)間的總和最小設(shè)定為加工條件，則可實(shí)現(xiàn)加工到表面修潤之間的迅速化。
我們?cè)谇懊嬉烟岣撸獙?shí)現(xiàn)高精度研磨，必須在形狀創(chuàng)制加工中追求精度。現(xiàn)在就針對(duì)3軸及5軸控制切削的精度研磨時(shí)的精度進(jìn)行探討。
對(duì)各曲率進(jìn)行圓筒形切削後，以3次元測(cè)冤機(jī)進(jìn)行測(cè)定的測(cè)定點(diǎn)及其最小平方近似圓。和近似圓的偏差愈大代表精?愈差，由其凹凸情形可以看出切削狀態(tài)并非十分平整。由圖可知，不論在何種曲率半徑的切削、曲率半徑的誤差，5軸控制比3軸控制小，而且也較為平整。因?yàn)?軸控制在圓筒形狀頂點(diǎn)附近切削時(shí)，是以周速較慢的刀刃中心切削，所以和兩端產(chǎn)生較大的差異。因此，要使切削的精度高，應(yīng)保持刀刃較利的部份和加工物件接觸，所以能進(jìn)行工具的位置控制之5軸控制切削效果較佳。
圖3是，3軸及5軸控制下，以0.3mmpick進(jìn)給切削後的R60面及對(duì)電磁研磨以3次元測(cè)定機(jī)進(jìn)行測(cè)定的測(cè)定點(diǎn)和其最小平方近似圓。4軸控制切削5軸控制研磨組合的曲率半徑偏差較小，精度較高，可知其切削及研磨較為平均。
切削條件會(huì)影響研磨的精度及效率
通常，以較大的pick進(jìn)給量切削時(shí)，因?yàn)槊恳幻娣e及壓力都很均一，仍無法有均一的表面修潤。若刀刃的進(jìn)給比較小，所以會(huì)形成不平均的波形切削面。所以在一般的研磨加工中，即使京輪的接觸面不在pick進(jìn)給及工具進(jìn)給的兩個(gè)方向罐有差異而形成有凹凸之鱗狀切削面進(jìn)行研磨，是不可能有高精度及有效率的表面修潤。為了要有這樣的切削面，高速進(jìn)給是最適當(dāng)?shù)那邢鞣ā?
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