國際汽車模具加工技術(shù)中的刀具應(yīng)用

本文結(jié)合當(dāng)今歐美各國及日本的加工技術(shù)現(xiàn)狀，從加工條件的設(shè)定和加工刀具的選配的角度對汽車模具制造進(jìn)行闡述。

    隨著中國汽車工業(yè)競爭不斷激化，汽車模具產(chǎn)業(yè)也逐漸向高起點(diǎn)、高投入方向迅速擴(kuò)大。各種大型高精設(shè)備被大量引進(jìn)。在此針對如何更好地利用這些設(shè)備，高品質(zhì)、高效率、低成本地制造出一流的模具產(chǎn)品，已經(jīng)成為普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。

1．各國汽車模具加工狀況

（1）美國

    受日本、亞洲低價(jià)格，高質(zhì)量模具大量涌入的影響，全行業(yè)面臨非常嚴(yán)峻的局面。如何縮短供貨周期成為企業(yè)面臨的關(guān)鍵問題。為了降低毛坯采購成本，在交期上發(fā)揮地理優(yōu)勢，因而多采用鑲塊構(gòu)造設(shè)計(jì)模具。另外，由于工會(huì)等約束，除BIG3相關(guān)大型廠家有開2班，一些日資廠有3班倒的之外，其余廠家基本上只上一班。因此，在有限的時(shí)間里，如何更快地進(jìn)行加工，也就是說提高生產(chǎn)加工性為最優(yōu)先課題。與日本相比，美國相對來說切削加工條件非常嚴(yán)酷。一般來說，切削速度較高，為日本的1.5倍左右，而進(jìn)給則達(dá)2~3倍。切削深度與中國相近，為日本的2~5倍。

    從沖壓模行業(yè)來看，粗加工,由于設(shè)備更新極其緩慢，以10年左右的龍門機(jī)床為主流。鑄件開粗加工刀具以球頭銑刀（圖1）為主，刀柄多采用側(cè)固形式。因此要求刀具具有極高的耐崩刃性。同時(shí)比較注重高的切屑排出以及高效的加工性能。

    而精加工也是普遍以陳舊設(shè)備為主，轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度都相對較低。最近有部分采用日本、歐洲產(chǎn)的高速加工機(jī)床（MAX25,000/min），采用KM刀柄以及熱脹夾持硬質(zhì)合金刀桿的方式進(jìn)行高速加工。其目的是“取消打磨”工序，縮短加工周期。

    塑料模行業(yè)，現(xiàn)在仍然大部分采用EDM進(jìn)行精加工。電極大多內(nèi)部制作，故用于電極加工的20,000~40,000 min-1的高速加工中心漸漸被看好，其刀具多采用金剛石涂層為主。最近，黛杰產(chǎn)整體燒結(jié)金剛石“比夢”銑刀（圖2）非常有人氣。另外，直接用于高硬度加工的粗/精加工設(shè)備投資也逐漸活躍。出現(xiàn)了一大批大量使用15,000min-1左右加工中心的廠家，被加工材料多為P20預(yù)硬鋼。粗加工用刀具，一般偏向于使用多功能高效加工刀具（圖3）。精加工刀具與沖壓模相同，以高速加工達(dá)到“取消打磨”直接加工成鏡面效果的目標(biāo)。

（2）歐洲

    嚴(yán)峻的局面與美國相似，但EU圈內(nèi)相互供給關(guān)系，相互連帶感很強(qiáng)，其模具制造有其一定的封閉性，所以行業(yè)的危機(jī)感并不很強(qiáng)烈。

    沖壓模多以鑄件為主，深沖模，落料模一般采用GGG70(QT700),也有采用鑄鋼和高硬度材料。相對來說比較注重模具的耐久性能。同一付模具功能單一，但剛性非常好，進(jìn)而模具本體非常龐大。從加工設(shè)備而言，均擁有較先進(jìn)的機(jī)床，大型汽車廠附屬模具廠均有產(chǎn)FMS生產(chǎn)線（帶有ATC+AWC+AGV）。保證從星期天1PM到星期六7PM進(jìn)行無人運(yùn)轉(zhuǎn)。

    粗加工與精加工設(shè)備分別配備，設(shè)備以龍門機(jī)床配置MT刀柄為主流。刀具則漸漸從球頭刀向圓角刀盤（圖4）轉(zhuǎn)移。盡管一次的切深雖然不大，但刃數(shù)多，可獲取較高的進(jìn)給。同時(shí)對機(jī)床的負(fù)擔(dān)也比較小。

    精加工則普遍采用歐洲產(chǎn)5軸高速加工中心(HSK63，max25,000min-1),實(shí)際加工采用10,000/min，F(xiàn)=12,000mm/min左右的加工條件)，以及熱脹刀柄和硬質(zhì)合金刀桿（圖5），通過高速加工達(dá)到“取消打磨”的目的。

    塑料模則多從方塊毛坯開始加工，以P20類預(yù)硬鋼為主，設(shè)備多為12,000-15,000 min-1左右的加工中心。粗精加工在同一臺設(shè)備上一次裝夾中完成。粗加工刀具以圓角刀片為主，精加工則以球頭刀和圓角端銑刀（圖6）為主。同樣期望采用高速加工達(dá)到“取消打磨”，直接加工成鏡面。鍛造、壓鑄模則主要以預(yù)硬鋼（45-55HRC）為主，大多采用機(jī)夾式圓角端銑刀（圖6）進(jìn)行高速直接加工，刀具材料多采用K03+TiAL涂層刀片。

（3）日本

    日本的汽車沖壓模主要以鑄件為主，材質(zhì)多為FC300(HT300)和GM材質(zhì)（合金鑄鐵），隨著最近車體表面普遍采用高張力鋼板，模具的材料也漸漸開始使用HPM/NAK/SKD等模具鋼。并均以鑲塊的形式運(yùn)用在鑄造基體上。但無論是整件鑄件，還是鑲塊，其制作水平大大優(yōu)于其他國家，即便是大余量部分，其量亦比較均勻固定。加工編程控制及提高走刀速度都比較容易。

    加工設(shè)備以龍門機(jī)床為主，粗精加工分別配備。粗加工多采用較老的設(shè)備，特別是俄羅斯、捷克產(chǎn)設(shè)備，價(jià)格低廉，剛性高，為廣大客戶所青睞。而精加工均采用日本產(chǎn)的龍門加工中心。最高轉(zhuǎn)速在10,000~12,000mm-1左右。與歐洲相比有較大的差異。這主要是由于考慮到刀具壽命以及加工精度可靠性的原因。

    塑料模多從方塊材開始加工、材料以NAK等預(yù)硬鋼為主，設(shè)備多為15,000-25,000min-1的加工中心。粗精加工在一臺設(shè)備上進(jìn)行、要求刀具切削阻力低、進(jìn)給快，以提高加工效率。粗加工刀具以大進(jìn)給方角刀盤（圖7）為主，切深不大，但進(jìn)給非常快。精加工主要以球頭刀和圓角端銑刀為主，多數(shù)是將模具直接加工成鏡面。

    鍛造模、壓鑄模多從方塊材開始加工、材料以SKD、NAK、HPM淬硬鋼(HRC45～55)為主，設(shè)備多為15,000-25,000min-1的加工中心。粗精加工在一臺設(shè)備上進(jìn)行、要求刀具切削阻力低、進(jìn)給快以提高加工效率。壓鑄模：粗加工刀具以大進(jìn)給刀盤為主，精加工主要以大進(jìn)給整體圓角端銑刀為主、輔之以球頭刀，多數(shù)是將模具直接加工成鏡面。鍛造模：粗精加工使用同一把刀、多為新開發(fā)的大進(jìn)給整體圓角端銑刀。一般是在高硬度狀態(tài)下直接進(jìn)行加工。實(shí)際目的是采取高速加工達(dá)到“取消打磨”。

    一般來說，日本模具與歐洲的最大的區(qū)別在于其功能多樣化且結(jié)構(gòu)緊湊。在模具加工過程中對制造周期和加工成本控制得非常嚴(yán)。因此，各廠家對設(shè)備、刀具及其接口裝備選取較其他國家更趨于合理化。就刀柄與機(jī)床的連接來看：

    傳統(tǒng)方式為一般機(jī)床主軸采用BT標(biāo)準(zhǔn)（MAS 403/JIS 6399）刀柄。其夾緊方式包括彈簧夾套、無扁尾帶螺釘鎖緊莫式炳、復(fù)合柄（C508）等。

    其后出于提高連接剛性的目的以及提高刀柄定位精度及刀具使用壽命，采用錐面及端面二面定位刀柄。常見有BBT、NC5等刀柄。而最新型BTS(SuperBT)刀柄采用與BBT不同的設(shè)計(jì)，使刀柄端面直接與普通機(jī)床主軸端面貼合，無需專用主軸，代表了今后刀柄技術(shù)的發(fā)展方向。（圖8）

    另外，在刀具裝夾用刀柄的形式上來說。粗加工刀具的裝夾形式，一般采用莫式柄（MT）。這是由于莫式柄的定心性能較好。柄部直經(jīng)相對于復(fù)合柄（C508）纖細(xì)些，使用中的干涉影響更小。（圖9）對粗加工球頭銑刀，一般不采用側(cè)固式或直柄形刀桿。主要是盡量減少刀具偏心和由于Z方向軸向切削力對刀具的影響。而精加工刀具柄型的選用上，φ50的機(jī)夾式銑刀亦使用熱脹式固定。刀具壽命一般可提高1倍以上。

    精加工用小直徑銑刀清根，采用普通夾套刀柄時(shí)，刀具需懸出50～80mm才可避免干涉影響，進(jìn)給速度只能達(dá)到200～300mm/min，且加工過程中由于刀具剛性不好，很容易破損。熱脹刀柄現(xiàn)已根據(jù)加工需要形成了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格系列，刀柄剛性提高，刀具只需懸出20mm，進(jìn)給速度可提高至1,000～1,500mm/min，導(dǎo)致模具總體加工時(shí)間比原來縮短15％以上。（見圖10）

2．以下就日本模具行業(yè)刀具的主要配置方式作些介紹:

傳統(tǒng)加工方式：

（1） 一般采用ф50粗銑球頭銑刀進(jìn)行粗加工，包括仿形及拐角去余量

（2） 用ф30球頭銑刀進(jìn)行半精加工

（3） 精加工使用ф30或ф25精銑球頭銑刀完成

自動(dòng)化無人加工方式：

（1） 首先對毛坯粗重切削采用高進(jìn)給SKS新干線銑刀（圖7）、或ф50粗銑 “斯文”球頭銑刀（圖1）以等高線方法進(jìn)行仿形加工，去除大部分余量；

（2） 使用ф40粗銑“斯文”球頭銑刀（圖1）進(jìn)行大范圍清根和局部清根(pencil），將加工余量均勻化。盡量減少余量不均對半精加工的影響； （3） 使用ф50（3刃）銑刀以仿形方式進(jìn)行高速半粗加工（進(jìn)給3,500～4,000 mm/min）；

（4） 半精加工先用ф30“斯文”球頭銑刀（圖1）去除拐角及根部余量（pencil），使余量均勻化；

（5） 用ф25“斯文”球頭銑刀（圖1）進(jìn)行仿形半精加工（進(jìn)給3,500～4,000 mm/min）；

（6） 精加工采用ф30鏡面球頭銑刀（圖5）進(jìn)行整個(gè)形面的高速仿形加工（進(jìn)給速度10,000mm/min），最后用小直徑（ф4～ф16）整體或鏡面球頭銑刀進(jìn)行局部清根精加工。

日本模具加工輔助刀具配置：

·粗加工切除大余量需經(jīng)常用到帶BT柄玉米刃銑刀（圖11）；

·切辺模刃口空檔加工采用背銑刀（圖12）；

·導(dǎo)柱孔粗加工采用可進(jìn)行三維切削的旋銑刀（圖14）；

·沖孔鑲套孔精加工采用鏡面圓角銑刀以圓弧插補(bǔ)形式銑削加工（較大孔）。而尺寸標(biāo)準(zhǔn)的，則直接用鏡面圓角銑刀等刀具按刀具尺寸將襯套孔“鉸削”出來（圖13）；

·鑲塊底座采用高進(jìn)給銑刀（圖7）或鉆銑刀加工（圖3）；

·模座安裝固定槽及端面用T形玉米刃復(fù)合機(jī)夾式銑刀加工；

·導(dǎo)滑板面加工：深度250mm以內(nèi)，用鏡面圓角銑刀（圖13）分層切削。250mm以上采用插銑刀加工。

高硬度部位加工：

粗加工應(yīng)用：

·模具刃口、堆焊、補(bǔ)焊、重孔鑲套后殘留量以及修整模具時(shí)的加工，使用φ50或φ30“斯文”球頭銑刀（圖１），配以專用刀片加工。（圖15）

精加工應(yīng)用：

·淬火空冷鋼鑲塊安裝在模具上后，先用φ30鏡面鏡面球頭S銑刀進(jìn)行去除殘余應(yīng)力的加工，切深約0.2mm (圖15)

·精加工用φ30鏡面球頭（圖5）銑刀仿形加工

日本某模具廠自動(dòng)化無人加工生產(chǎn)線刀具配置及加工條件例：

（1） 用φ50mm斯文球頭銑刀進(jìn)行等高線及仿形加工。 Ap=10mm,Ae=9mm留1mm給半精加工余量

（2） 用φ40mm斯文球頭銑刀進(jìn)行清根粗加工 留0.3-0.5mm給精加工余量 （以上加工在粗加工機(jī)床上進(jìn)行）

（3） 用φ50mm、3刃好收益奇霸SHC型進(jìn)行仿形半粗加工 Ap=0.7mm,Ae=3mm留0.3mm給精加工余量

（4） 用φ30mm鏡面球頭銑刀BNM型進(jìn)行等高線半精加工同時(shí)進(jìn)行清根加工。清根部不留余量

（5） 25mmC-body斯文球頭銑刀進(jìn)行仿形半精加工 Ap=0.5mm

（6） 用φ30mm鏡面球頭銑刀BNM型進(jìn)行仿形精加工 Ap=0.1-0.3mm,Ae=0.7mm

（7） 用φ16 mm、φ10 mm、φ8 mm、φ6 mm、φ4 mm萬砍球頭銑刀進(jìn)行局部清根、精加工

硬度為60HRC模具加工事例：

1） 用鏡面球頭BNM型進(jìn)行仿形半精加工去除淬硬材料表面的殘留應(yīng)力。

Ap=0.2mm,Ae=1.4mm

2） 用鏡面球頭BNM型進(jìn)行仿形精加工

Ap=0.05-0.1mm,Ae=0.7mm

自動(dòng)化無人加工刀具的特點(diǎn)：

在當(dāng)今機(jī)械加工行業(yè)競爭不斷加劇的形式下，自動(dòng)化無人加工生產(chǎn)方式越來越多地被采用。無人加工在刀具使用與加工編程方面具有如下一些特點(diǎn)：

（1）根據(jù)刀具的大致壽命情況，將程序分段、分片編制。粗加工刀具壽命一般均按操作現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定；精加工程序編制時(shí)一般刀具壽命標(biāo)準(zhǔn)按加工鋼類材料設(shè)定為600m，加工球墨鑄鐵設(shè)定為800m，加工灰鑄鐵設(shè)定為1,200m；

（2）粗加工、半粗加工等工序細(xì)分化，而刀具多功能化；

（3）在各個(gè)傳統(tǒng)工序之間加入清根工序，以使整個(gè)模具余量盡量均勻化。特別應(yīng)該注意局部清根；

（4）刀具的長壽命化。避免無畏地追求高線速度，采用刀具壽命長至少達(dá)到5,000m的切削條件。如φ30mm鏡面球頭銑刀ＢＮＭ型精加工合金鑄鐵，用轉(zhuǎn)速6,000min-1，進(jìn)給5,000mm/min，切深0.1mm，步距0.7 mm條件切削5,080 m之后，刀片后刀面磨損寬度小于0.2 mm。

自動(dòng)化無人加工生產(chǎn)方式中、刀具使用與管理非常重要。在刀具管理使用流程上，刀具的幾何特征參數(shù)（種類、直徑、刃長、懸伸等）一般根據(jù)各自的加工經(jīng)驗(yàn)按習(xí)慣用法確定。例如，使用ф50粗加工球頭銑刀時(shí)，有的用戶是按100/150來配置刀具的下刀深度；而有的則是按120/170來配置。

    刀具準(zhǔn)備部門按刀具標(biāo)準(zhǔn)將刀具與刀柄安裝并校準(zhǔn)，再將刀具的綜合數(shù)據(jù)信息傳送到工藝編程部門，由編程人員在加工程序中直接設(shè)定。加工程序?qū)嵭心�塊化，實(shí)際加工時(shí)機(jī)床操作者可根據(jù)加工要求選擇。同時(shí)刀具的標(biāo)準(zhǔn)也由程序設(shè)定值直接帶至加工過程中。刀具使用時(shí)的切削條件多由機(jī)床操作者根據(jù)程序設(shè)定及具體加工狀況自行調(diào)整。(end)