用于模具行業(yè)的兩種高性能新型銑刀刀具

引言 

    HSM-高速加工由Salomon發(fā)現(xiàn)至今得到了巨大的發(fā)展和現(xiàn)代企業(yè)的認(rèn)可，但隨著近幾年研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)Salomon的高速試驗(yàn)曲線在大部分材料的切削過程中根本無法獲得，高速加工應(yīng)用成功的領(lǐng)域也僅僅局限于鋁合金、HRC60以上的預(yù)淬鋼、石墨電極等等幾種材料的切削加工上。在刀具材料沒有根本性突破前這種局面難以被打破。而模具行業(yè)往往需要大去除率加工的材料基本是：HRC22~38之間的鋼材和鑄鐵。這些加工一方面要求極大的金屬去除率來減少占機(jī)時(shí)間，另一方面在大懸伸加工時(shí)要求低的切削振動。新型的模具銑刀的設(shè)計(jì)思路是采用新的技術(shù)HPM-高性能切削。 1 模具被加工材料種類、特性簡介為便于對后面高效模具刀具加工介紹的理解，有必要對模具的加工材料及加工方式作一個(gè)簡單介紹。 模具類型 模具材料簡介 客戶實(shí)際案例 小結(jié) 模具主要分為以下幾個(gè)類型：大型汽車外覆蓋件沖壓模具、普通塑膠注塑模具、PVC注塑模具、吹塑模具、五金沖壓及板金模具、熱擠壓模具、熱鍛模具等等。 每種不同的模具以及同一模具不同的部位所采用的材料有相當(dāng)?shù)牟顒e，他的加工特性也有很大的區(qū)別。模具材料的種類極為繁多，由于篇幅原因，只介紹與本文相關(guān)的被加工材料。 C45W中炭鋼，牌號為S50C~S55C 45#鋼香港稱為王牌鋼，此鋼材的硬度為：HB170~HB220，模具有70%~80%的加工采用這種鋼材，加工大多數(shù)對象。 4  0CrMnMo7預(yù)硬塑膠模具鋼，硬度HRC28~40很合適做一些中下價(jià)模具的鑲件，有些生產(chǎn)大批量的模具模架也采用此鋼材，好處是硬度比中炭鋼高，變形也比中炭鋼穩(wěn)定，P20此種鋼由于在塑膠模具被廣泛采用，較為普遍的品牌有：718S、718H、738H、NAK80、NAK55等等，這種鋼材的應(yīng)用占模具的15%~20%左右，他加工的難度要大于45鋼，主要為型芯和行腔加工。 fc250-fc350，fcd500-fcd700添加了Cu、Ni、Mo等合金，對總碳量Si、Mn、P、S、Mg等組成元素進(jìn)行控制。因而在分子結(jié)構(gòu)上由于晶體易于變形使之易于馬氏體化一直以來，國內(nèi)汽車行業(yè)所使用的模具材料主要包括鑄態(tài)和鍛態(tài)兩大類。鑄態(tài)材料常用的 牌號為HT300、鉬鉻鑄鐵、鑄態(tài)風(fēng)冷鋼(7CrSiMnMoV)，鑄鐵材質(zhì)主要用于模具基體，鑄鋼材 質(zhì)則用于鑲塊。鍛態(tài)材質(zhì)常用的牌號為鍛態(tài)風(fēng)冷鋼(7CrSiMnMoV)、Cr12MoV，主要用于汽車外覆蓋件模具。 2 汽車外覆蓋件模具粗加工用球頭銑刀 近年來，工業(yè)領(lǐng)域使用的刀具產(chǎn)品樣式不斷變化，且絕大多數(shù)的企業(yè)本著降低制造成本的生產(chǎn)理念，要求生產(chǎn)高精度、高品質(zhì)的產(chǎn)品。這種現(xiàn)象在汽車行業(yè)的加工領(lǐng)域也不例外。針對客戶的要求，株鉆刀具技術(shù)公司采取的策略是：不斷提高刀具使用壽命以及縮短加工時(shí)間。株鉆最新推出了幾種新型高效刀具，在進(jìn)行車門、保險(xiǎn)杠、車架等零部件的沖壓模加工時(shí)，能夠大大提高刀具的使用壽命、降低加工成本。其中BMR03系列刀具就是其中之一。

圖1 株鉆BMR03系列粗銑球頭銑刀實(shí)物照片

該刀具的外觀圖見1。 該款刀具適用于汽車外覆蓋件模具粗加工時(shí)的型面強(qiáng)力輪廓仿形切削，一般來說，D50、D40的刀具進(jìn)行型面開粗，D30的刀具進(jìn)行型面的半精和圓弧過渡面的清根加工，被加工工件的材質(zhì)主要是上面介紹的冷做模具鋼和鉬鉻合金鑄鐵，有些低檔的卡車模具為了降低成本具也采用GCr15鋼材和灰口鑄鐵，甚至采用A3鋼堆焊的毛坯生產(chǎn)。因此要求該刀具有極高綜合切削性能：1)適用于各種被加工材質(zhì)的刀片槽型和結(jié)構(gòu)；2)優(yōu)秀的抗沖擊性能，強(qiáng)力銑削加工時(shí)不能出現(xiàn)切削刃意外崩缺；3)長的刀具使用壽命，一般客戶希望能夠不更換刀片情況下不間斷的加工完一個(gè)型面，對于加工一個(gè)大型模具意味著4~12小時(shí)的加工壽命；4)低的切削振動，這是制約加工效率的提高最難逾越的因素；5)高的形狀精度和高負(fù)荷加工下的刀具精度保持性；6)刀體高的可靠性。 該刀片的槽型是綜合考量各種實(shí)際切削因素并且通過長達(dá)兩年的用戶試驗(yàn)，不斷優(yōu)化而最終定型的。具體而言主要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)：

圖2 A刀具切削力圖

圖3 B刀具切削力圖

較傳統(tǒng)刀具更高的精度，刀片安裝在刀體后他與理想球體的理論誤差應(yīng)該盡可小，而且曲線不能太復(fù)雜，而造成研磨困難。株鉆球頭銑刀的球形刃設(shè)計(jì)精度所有系列均為≤0.005MM，制造輪廓誤差≤0.05mm(ZOLLER測刀儀)； 中心刀片的刀尖設(shè)計(jì)保證更低切削振動和抗沖擊性能，過中心區(qū)域切削速度極低(接近為零)。切削阻力極大，非常容易出現(xiàn)刀尖崩缺的現(xiàn)象。必須進(jìn)行了大量的試驗(yàn)室試驗(yàn)和客戶實(shí)際試驗(yàn)來提高刀片性能。 舉例來說，其中有一項(xiàng)為切削阻力和切削振動對比試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如下：試驗(yàn)刀具AB兩種國外D40球頭銑刀，被加工材料為：P20HRC35，切削參數(shù)VN=3000，ap=0.5mm，ae=1mm，f=3000mm/min，測試儀器：KISTLER動態(tài)電荷測力儀。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2～圖3。 由上述圖可知： 其他條件相同的情形下，f=0.5mm/Z時(shí)，A刀具的最大主切削力Fx=400N，最大主切削力Fx=50N，最大振幅為350N，平均切削力為230N； 其他條件相同的情形下，f=0.8mm/Z時(shí)，A刀具的最大主切削力Fx=600N，最大主切削力Fx=80N，最大振幅為520N，平均切削力為290N； 其他條件相同的情形下，f=0.5mm/Z時(shí)，B刀具的最大主切削力Fx=800N，最大主切削力Fx=160N，最大振幅為640N，平均切削力為400N； 其他條件相同的情形下，f=0.8mm/Z時(shí)，B刀具的最大主切削力Fx=1000N，最大主切削力Fx=200N，最大振幅為800N，平均切削力為500N。 由以上四點(diǎn)可知，在1mm的小切深情況下，在所有切削條件相同情況下，B刀具的刀尖受力情況明顯比A差很多，平均受力大了幾乎一倍，刀具在同等頻率下振動的振幅也明顯大得多，而上述切削參數(shù)在大多場合都是正常切削參數(shù)，這說明在刀具刀尖的處理上A刀具的設(shè)計(jì)方案明顯優(yōu)越。而B刀具由于切削阻力和切削振動太大，且刀尖的切削前角僅為-20°，刀尖過于單薄，刀具的過中心刀尖非常容易崩缺。 因此刀尖的形狀設(shè)計(jì)非常重要，他對刀具的實(shí)際切削效果有著非常顯著的影響。實(shí)際上優(yōu)化設(shè)計(jì)刀尖形狀和參數(shù)是一個(gè)非常繁雜的過程，要平衡諸多因素，如切削振動、刃部強(qiáng)度、刀具使用的工藝特點(diǎn)、刀片材料特性、本身的工藝性等等，很難一蹴而就，要往返多次不斷的完善。 刀片的槽型優(yōu)化設(shè)計(jì)，球頭刀的圓弧切削刃各點(diǎn)的切削線速度都不相同，軸心區(qū)低，外部高，線速度的變化極大，因此各點(diǎn)承受切削阻力相差很大。

圖4 切削速度對切削阻力的影響

圖5 刀片槽型圖

其原理見圖4，由圖可知切削速度低于某個(gè)值時(shí)，切削阻力會急劇增大，而高過此值時(shí)，變化會比較平緩，因此設(shè)計(jì)主切削刃棱帶、槽型主參數(shù)時(shí)必須遵循這個(gè)規(guī)律，對于球頭刀來說，設(shè)計(jì)為圖5變棱寬棱帶、光滑曲面的切屑導(dǎo)流槽、連續(xù)變化的前角、槽寬等等最為合適，配合前刀面的減振凸臺設(shè)計(jì)可以在保證刃口強(qiáng)度的基礎(chǔ)上盡可能的減少棱寬從而最大化減少切削阻力和抑制振動。分屑槽刀片，對于大直徑刀具D50、D40刀具和大懸長刀具來說，在進(jìn)行過渡全刃接觸銑削時(shí)，幾乎難以加工，排屑非常困難。刀片極易被擠缺。這時(shí)需要采用分屑技術(shù)的刀片，具體見圖6。在實(shí)際驗(yàn)證時(shí)，加工效率得到2倍以上的提高。

圖6 分屑槽刀片實(shí)物照片

圖7 刀具的疲勞損壞裂紋

極限過載和疲勞破損校驗(yàn)，進(jìn)一步改進(jìn)刀具結(jié)構(gòu)，確保刀具能夠長期穩(wěn)定切削。極限試驗(yàn)主要用于檢測刀具在推薦的切削參數(shù)下安全性能，包括一系列的超載試驗(yàn)。這需要投入極大的物力和精力，一個(gè)產(chǎn)品的開發(fā)必須包含此項(xiàng)驗(yàn)證。這里列舉其中一項(xiàng)試驗(yàn)： 檢驗(yàn)刀具：BMR03_040_G32_XP30_02_M 刀片 XPHT40R2004 牌號：YBG302

被加工材質(zhì)：NAK80 HRC40 切削參數(shù)：Vn=2500 ap=5mm ae=4mm f=2000mm/min 試驗(yàn)結(jié)果：加工16小時(shí)后，刀具出現(xiàn)疲勞損壞裂紋，見圖7，刀體上部安裝刀片的刀槽底面與側(cè)面出現(xiàn)明顯的裂痕。刀體已經(jīng)無法繼續(xù)使用。 正是疲勞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了該試驗(yàn)刀具的內(nèi)在缺陷，為此進(jìn)行了四次大的改進(jìn)來解決這個(gè)問題，其中包括1)面與面間采用圓弧過渡，消除應(yīng)力集中；2)更高精度的鎖進(jìn)螺紋配合，提高刀片的安裝剛性；3)采用優(yōu)質(zhì)耐熱合金鋼制造刀體4)改變表面處理和熱處理工藝，提高抗疲勞性能。改進(jìn)產(chǎn)品小批量客戶試驗(yàn)證明消除缺陷的產(chǎn)品完全可以滿足實(shí)際使用的要求，現(xiàn)在大批量訂貨也沒有出現(xiàn)問題。 汽車覆蓋件模具球頭銑刀加工案例1 機(jī)床：意大利龍門三軸加工中心 刀具：BMR030-G32-XP30-02-L刀片：XPHT30R1504 牌號YBG302 被加工材料：FC600 加工參數(shù)：Vn=3000r/min ap=4~8mm ae=4mm f=3000mm/min 結(jié)果：加工前與加工后在線激光對刀儀檢測，精度與國外刀具相同，一次加工17小時(shí)刀具微見磨損，刀片刃口完好，小批量使用后性能與國外產(chǎn)品相同，建議批量訂貨取代國外刀具。 模具球頭銑刀加工案例2 機(jī)床：意大利龍門三軸加工中心 刀具：BMR040-MT5-XP40-02-L 刀片：XPHT40R2004 牌號 YBG302 被加工材料：鉬鉻鑄鐵 牌號不祥 加工參數(shù)：Vn=2500r/min ap=8~12mm ae=8mm f=3000mm/min 結(jié)果：精度明顯高于原刀具，加工時(shí)振動明顯低于原加工刀具，平均刀具的使用壽命和加工效率高于原來刀具的兩倍以上，批量加工未出現(xiàn)異常情況。 新型球頭銑刀較傳統(tǒng)刀具有較大優(yōu)勢，實(shí)例證明其高效切削性能，比原來傳統(tǒng)球頭銑刀提高加工效率2倍以上，而刀具壽命更長，性能可以和國外先進(jìn)廠家相當(dāng)；批量應(yīng)用證明該刀具性能穩(wěn)定可靠，由于性價(jià)比高節(jié)約了刀具消耗成本。

圖8 新型大進(jìn)給銑刀實(shí)物照片

圖9 新型大進(jìn)給銑刀刀片輪廓

圖10 株鉆大進(jìn)給銑刀試驗(yàn)切屑形態(tài)

圖11 進(jìn)口大進(jìn)給銑刀試驗(yàn)切屑形態(tài)

3 新型大進(jìn)給銑刀 新型大進(jìn)給銑刀的外觀 低振動的新型大進(jìn)給銑刀的原理及特色 新型大進(jìn)給銑刀實(shí)例驗(yàn)證 小結(jié) 大進(jìn)給銑刀幾乎與HPM(HIGH PERFORMANCE MACHINING)成為狹義的對等詞，株鉆刀具推出新型大進(jìn)給銑刀，其外觀見圖8為直徑63mm的大進(jìn)給銑刀圖片。 新型大進(jìn)給銑刀結(jié)合了低振動切削和高進(jìn)給切削兩種切削形式的優(yōu)點(diǎn)，能夠進(jìn)一步提高刀具的切削性能。其刀片的基本形狀見圖片9，由圖可知刀片基本形狀為類三角形，三個(gè)邊完全對稱，每個(gè)邊由修光刃6、第一主切削刃7、突起過渡區(qū)8、第二主切削刃9、刀尖圓弧等組成。刀具的原理及形狀的專利正在申請中。 所謂低振動切削是指刀具在加工深的部位而采用大的懸深，而刀具的剛性與懸長的四次方成反比，加工效率的主要制約就是因?yàn)榧庸ふ駝佣�不得不降低走刀速度。FEETE GmbH 的理論和試驗(yàn)證明，如果改變切屑的形狀可以使得鐵屑的截面不變的情況下，提高走刀速度，或者說同等金屬去除率情況下，可以降低切削阻力和消耗功率15%~25%。這是一個(gè)非�？捎^的數(shù)據(jù)。實(shí)際上由于受到幾何形狀以及殘余為加工區(qū)域面積的限制，產(chǎn)品應(yīng)用達(dá)不到之一理論值。 株鉆新型大進(jìn)給銑刀成功的結(jié)合大進(jìn)給銑刀小的主偏角和切屑形狀控制理論，見圖9，該銑刀在切削深度Ap小于突起過渡區(qū)8到修光刃6時(shí)，參與切削的為第一主切削刃7，這個(gè)與傳統(tǒng)的大進(jìn)給銑刀并沒任何區(qū)別。但當(dāng)切削深度Ap超過這個(gè)臨界值時(shí)，如圖中的深度，切屑的形狀發(fā)生了改變，傳統(tǒng)的大進(jìn)給銑刀應(yīng)該為一個(gè)較長的切屑，而新的銑刀為14，16兩段切屑，這種斷屑方法被稱為自臺階短屑。下面我們通過一個(gè)試驗(yàn)來證明對新的刀具的性能的闡述。 試驗(yàn)機(jī)床：MIKRON UCP1000 被加工材料：NAK80 HRC40 對比試驗(yàn)刀具：進(jìn)口D32大進(jìn)給銑刀(加長型) 株鉆D32大進(jìn)給銑刀 測量儀器：KISTLER 電荷測力儀 加工參數(shù)：ap=1.7mm，ae=25mm，V=120m/min，f=0.8mm/Z

試驗(yàn)結(jié)果，株鉆刀具的切屑形態(tài)見圖10和圖11。 由于受到機(jī)床功率的限制，F(xiàn)=0.8MM/Z，機(jī)床已經(jīng)達(dá)到極限功率，XMR01-063-A22-ZD16-04的切削呈兩段排出，切削狀態(tài)正常。 對比的進(jìn)口刀具已經(jīng)完全喪失了繼續(xù)切削的能力，出現(xiàn)強(qiáng)烈的振動甚至抖動。這就證實(shí)采用分屑技術(shù)和大進(jìn)給相結(jié)合的新刀具有著更加優(yōu)越的切削性能。 加工零件：加工摩托車整流罩模具，包括型芯和行腔模板，材料為738H，HRC33~40。 刀具：XMR01-063-A22-ZP16-04，刀片ZDMT160416-GM 牌號：YBM351 刀具直徑：D63 對比刀具：進(jìn)口D63 大進(jìn)給刀具 刀具直徑：D63 冷卻方式：干式切削 客戶試驗(yàn)結(jié)果：株鉆刀具每刃平均壽命為3.5小時(shí)，進(jìn)口刀具切削壽命為3.7小時(shí)，壽命相當(dāng)；株鉆刀具的切削振動聲音對比來說少��；株鉆刀具切屑細(xì)碎容易被壓縮空氣吹走，切屑刮擦對比要輕。另外值得一提的是，在使用大進(jìn)給前，采用RDKW1204M0的刀片進(jìn)行加工，大進(jìn)給刀具有著明顯的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1)加工效率提高1~2倍，機(jī)床占用率大大降低，大大降低固定資產(chǎn)成本；2)拐角處振動，和大模具加工的優(yōu)勢更加明顯，提高效率3倍以上；3)刀片消耗量大大降低，原來RDKW刀片每月消耗2萬片，而大進(jìn)給刀片消耗量不及3000片。 新型大進(jìn)給銑刀可以通過分屑的方法有效抑制振動，從而進(jìn)一步提高加長刀具的加工性能；合理的外形設(shè)計(jì)，使得該刀具的切削性能和使用壽命達(dá)到預(yù)期的目的；較傳統(tǒng)刀具而言，新刀具的加工效率提高了2~3倍，而刀具消耗量為原來1/5，效益相當(dāng)可觀。 4 結(jié)束語 與傳統(tǒng)刀具相比，新的高效模具銑刀的加工效率提高了2~3倍，甚至更高，這個(gè)成功得益于優(yōu)化的刀具幾何設(shè)計(jì)和新的銑削策略。高性能銑削刀具的最大優(yōu)點(diǎn)是減少了對機(jī)床的投資。低振動切削對于大懸伸加工效率的提高起到了關(guān)鍵的作用，分屑方法是實(shí)現(xiàn)低振動切削最現(xiàn)實(shí)的一種方法，同時(shí)試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用都證明效果明顯。