模具銑刀材料及其選擇

    在傳統(tǒng)的模具切削加工生產(chǎn)中，以粗加工為主，隨著新型模具工業(yè)的迅速崛起、材料熱處理及切削技術(shù)的進(jìn)步，被加工件量、質(zhì)都發(fā)生了很大的變化，由粗加工擴(kuò)大至半精加工、精加工，促進(jìn)了模具工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

    近年來(lái)，由于干切削、硬切削、高速切削等快速的進(jìn)入到模具加工領(lǐng)域，使模具制造進(jìn)入一個(gè)全新的發(fā)展期，與老式的成型表面電火花工藝相比，由CNC機(jī)床的柔性、耐磨刀具材料和表面涂層、新型刀具結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的高速切削系統(tǒng)，免去了電極的準(zhǔn)備程序，可提高生產(chǎn)率30%~50%，并減少手工拋光工作量60%~100%，從而把整個(gè)模具的生產(chǎn)周期縮短了2/3[1]，提高了企業(yè)在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。

    針對(duì)模具加工高效、單件、小批量和材料硬度高、加工難度大、形狀復(fù)雜和切削余量大的特點(diǎn)，工具制造廠開(kāi)發(fā)出大量適應(yīng)模具生產(chǎn)需要的專用非標(biāo)銑刀，并在刀具行業(yè)的產(chǎn)品中形成了獨(dú)樹(shù)一幟的《模具銑刀》（JB/T7966·1～10-95）系列標(biāo)準(zhǔn)。 

    時(shí)代在發(fā)展，技術(shù)在進(jìn)步，《模具銑刀技術(shù)條件》（JB/T7966·10-95），規(guī)定用W18Cr4V或同等性能的高速鋼制造，硬度63～66HRC。從目前的市場(chǎng)調(diào)查分析，W18Cr4V、M2、9341等通用型高速鋼（HSS）在模具銑刀板塊中已失去了競(jìng)爭(zhēng)力，而代之以粉末高速鋼、高性能高速鋼、硬質(zhì)合金及超硬刀具材料。

1 高性能高速鋼和粉末高速鋼

    到目前為止，高速鋼牌號(hào)近百種，但在市場(chǎng)上流通的不超過(guò)20種。人們習(xí)慣上將高速鋼分為四大類：通用高速鋼（HSS）、高性能高速鋼（HSS-E）、粉末高速鋼（HSS-PM）和低合金高速鋼（DH）。HSS、DH材料很難勝任銑刀的加工要求，HSS-E、HSS-PM還能占據(jù)一席之地。

1.1 高性能的高速鋼

    HSS-E 是指在HSS成分基礎(chǔ)上適當(dāng)提高C、V量，有些牌號(hào)再加入Co、Al等合金元素，以提高耐熱性、耐磨性的鋼種。這類鋼的紅硬性比較高，經(jīng)625°×４h加熱后仍保持60HRC以上的高硬度，刀具的耐用度通常為HSS鋼刀具的1.5～3倍。

1.2粉末高速鋼

    HSS-PM 是用細(xì)小的高速鋼粉末在高溫高壓下直接壓制而成的高速鋼品種。在國(guó)外應(yīng)用相當(dāng)普及，而國(guó)內(nèi)只有少數(shù)廠家使用。

    HSS-PM完全避免了冶煉高速鋼碳化物不均勻的毛病，不論其截面多大，碳化物都細(xì)小均勻，所以它較冶煉高速鋼強(qiáng)度和韌性都高的多。

1.3 高速鋼模具銑刀熱處理要點(diǎn)

    由于模具加工的特殊性對(duì)刀具的要求非常嚴(yán)格，刀具熱處理要掌握如下要點(diǎn)：

1.3.1 HSS刀具淬火晶粒度控制在10號(hào)左右，硬度65～66.5HRC,過(guò)熱程度視具體刀型而定,但過(guò)熱不得超過(guò)2級(jí)(小型刀具不允許過(guò)熱)。

1.3.2 HSS-E熱處理后雖可以達(dá)到67～70HRC，但實(shí)際使用不允許有如此高的硬度，65～67HRC的硬度深受青睞。

1.3.3 HSS-PM具有優(yōu)良的力學(xué)性能，淬火晶粒度控制在10.5號(hào)，視不同產(chǎn)品上下浮動(dòng)半級(jí)。但千萬(wàn)不可盲目追求高硬度，大量的事實(shí)表明，高硬度并非高壽命。將硬度控制在66～67.5HRC不會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題（小刀具可以低1HRC）。

2 硬質(zhì)合金銑刀

    硬質(zhì)合金刀具是數(shù)控機(jī)床的主導(dǎo)產(chǎn)品，歐洲有些國(guó)家90%以上的車刀，55%以上的銑刀都用硬質(zhì)合金制造，且增長(zhǎng)勢(shì)頭正旺，以驚人的速度滲透到數(shù)控刀具的各個(gè)領(lǐng)域。展望未來(lái)，數(shù)控刀具無(wú)疑是硬質(zhì)合金的天下，模具銑刀首選材料應(yīng)是硬質(zhì)合金。

2.1硬質(zhì)合金刀具的主要特點(diǎn)

2.1.1 硬度

    硬質(zhì)合金主要由硬質(zhì)碳化物組成，所以它的硬度比高速鋼高得多，一般為89～93HRA，540℃時(shí)的熱硬性需要82～87HRA。

2.3.2 十分適合應(yīng)用在數(shù)控銑床和轉(zhuǎn)速在20000r/min以上的先進(jìn)銑床上銑削。

2.3.3株洲鉆石切削刀具股份有限公司開(kāi)發(fā)的黑金剛刀片系列,是專門(mén)為加工鑄鐵而開(kāi)發(fā)的硬質(zhì)合金刀片，用于中速或高速銑削的YBD152牌號(hào)比原有的牌號(hào)提高切削速度30%~40%,使用壽命提高近50%[3]。

2.3.4由于模具加工的工作量很大，為了提高加工效率，不希望多換刀，工具廠開(kāi)發(fā)了可轉(zhuǎn)位的面銑刀，包括銑平面、銑斜面等多功能可轉(zhuǎn)位面銑刀。

2.3.5大型模具型腔的精加工，金屬切除量大，刀具懸伸又長(zhǎng)，如果用傳統(tǒng)的銑削加工，效率很低，現(xiàn)在改用小切深大進(jìn)給量的方式，實(shí)現(xiàn)了高效加工。

3 立方氮化硼(CNB)銑刀

    CNB是繼人造金剛石之后出現(xiàn)的第二種無(wú)機(jī)超硬材料，開(kāi)拓了高速切削的新紀(jì)元。

3.1 CNB的主要特點(diǎn)

3.1.1高的硬度和耐磨性:顯微硬度可達(dá)8000~9000HV，聚晶立方氮化硼（PCBN）燒結(jié)體的硬度達(dá)到3000~5000HV，在切削耐磨材料時(shí)耐磨性為硬質(zhì)合金的50倍，為陶瓷刀具的25倍。PCBN尤其適用于以前只能磨削的高硬度材料，實(shí)現(xiàn)“以車代磨”。

3.1.2化學(xué)穩(wěn)定性好：CBN的化學(xué)惰性大，在還原性氣體介質(zhì)中對(duì)酸和堿都是穩(wěn)定的，在大氣和水蒸氣中無(wú)任何變化，與鐵系金屬在1200～1300℃也不起化學(xué)作用。

3.1.3良好的導(dǎo)熱性：其導(dǎo)熱率大大高于高速鋼和硬質(zhì)合金，但低于金剛石。

3.1.4較低的摩擦系數(shù)：CBN與不同材料間的摩擦系數(shù)約為0.1～0.3，比硬質(zhì)合金低得多。

3.2 CBN銑刀的實(shí)際應(yīng)用

3.2.1從2006年6月“第八屆中國(guó)國(guó)際機(jī)床工具商品展覽交易會(huì)”上獲悉，日本三菱綜合材料株式會(huì)社近期推出的加工鑄鐵用的MBS140整體式CBN刀片，銑削220～250HB FC250鑄鐵，切削速度500m/min，進(jìn)給量0.25mm/r,切深0.1mm,干切削7.5min,后刀面的磨損量才0.3mm.

3.2.2銑削58HRC Cr12模具鋼，CBN銑刀比其他超硬材料銑刀效率高，壽命長(zhǎng)；精銑和半精40～60HRC模具，工件表面粗糙度可達(dá)Ra0.1µm;用鋒刃CBN端銑刀銑削62～64HRC CrWMn鋼平面時(shí)，表面粗糙度達(dá)0.2～0.4µm。

3.2.3 直徑10mmCBN立銑刀在60HRC CrWMn鋼模具上銑削寬度為10mm深度為2mm槽時(shí),16min銑長(zhǎng)1.2m,后刀面磨損0.06mm。

3.2.4 在模具制造業(yè)中,廣泛使用各種立銑刀,尤其是球頭銑刀來(lái)高速加工型腔等復(fù)雜曲面,被加工模具材料幾乎包括能硬化的所有模具鋼系列,不僅工效高,而且質(zhì)量好。

4 陶瓷刀具

    陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性好、耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，且不與切屑粘接。世界各國(guó)都非常注重開(kāi)發(fā)和應(yīng)用陶瓷刀具。近20年來(lái)，陶瓷刀具已成為高速切削和加工難加工材料的主要刀具之一。目前，由于控制了原料的純度和晶粒尺寸，添加了各種碳化物、氮化物和晶須等，采用多種增韌補(bǔ)強(qiáng)，使得陶瓷刀具的抗彎強(qiáng)度、斷裂韌度和抗沖擊性能都有大幅度提高，開(kāi)發(fā)了一系列的新型陶瓷刀具材料。如納米復(fù)合陶瓷刀具、晶須增韌陶瓷刀具、梯形功能陶瓷刀具、粉末涂層陶瓷刀具、自潤(rùn)滑陶瓷刀具等。應(yīng)用范圍日益廣泛，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益十分明顯，請(qǐng)看實(shí)例：

4.1 Al2O3/TiB2刀具加工4Cr5MoVSi熱模鋼時(shí)，刀具抗邊界磨損能力為Al2O3/TiC 的2 倍[4]。

4.2 用SG4陶瓷制成的三面刃銑刀，可一次走刀銑完5.2×16×710mm淬硬鋼鍵槽的精加工，鍵側(cè)面的表面粗糙度可穩(wěn)定地達(dá)到Ra1.6～0.8 µm，可省去原來(lái)的粗銑、精磨、鑲鍵等工序 [5]。

4.3陶瓷刀具不能用于加工鋁，而對(duì)于灰鑄鐵、球墨鑄鐵、淬火鋼和未淬硬的耐熱合金等難加工材料特別適合。在德國(guó)70%加工鑄鐵的工序是由陶瓷刀具完成的，而日本陶瓷刀具的年消耗量已占刀具總量的8%～10%[6]。

5 結(jié)論

    縱觀全球，橫看同行，模具銑刀用材發(fā)生了三個(gè)明顯的變化：

5.1由通用型高速鋼向高性能高速鋼、粉末高速鋼轉(zhuǎn)化；

5.2硬質(zhì)合金模具銑刀有逐步取代高速鋼銑刀的趨勢(shì)；

5.3超硬材料在模具銑刀中份額不斷增長(zhǎng)。

    由于材料科學(xué)、機(jī)床行業(yè)的進(jìn)步，模具工業(yè)正以驚人的速度向前發(fā)展，模具材料日新月異，模具形狀千姿百態(tài)，刀具結(jié)構(gòu)千差萬(wàn)別，因?yàn)橛糜诩庸つ＞叩你姷恫荒芏ǜ裨谕ㄓ酶咚黉撘环N材料上，應(yīng)該根據(jù)加工對(duì)象、模具服役狀態(tài)、機(jī)床、工夾具等多種因素綜合考慮，選定合適的模具材料，設(shè)計(jì)優(yōu)質(zhì)的模具銑刀，并在實(shí)踐中不斷改革創(chuàng)新，力求優(yōu)質(zhì)、高效、環(huán)保。