模具銑刀材料及其選擇

    在傳統(tǒng)的模具切削加工生產中，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的進步，被加工件量、質都發(fā)生了很大的變化，由粗加工擴大至半精加工、精加工，促進了模具工業(yè)的進一步發(fā)展。

    近年來，由于干切削、硬切削、高速切削等快速的進入到模具加工領域，使模具制造進入一個全新的發(fā)展期，與老式的成型表面電火花工藝相比，由CNC機床的柔性、耐磨刀具材料和表面涂層、新型刀具結構所構成的高速切削系統(tǒng)，免去了電極的準備程序，可提高生產率30%~50%，并減少手工拋光工作量60%~100%，從而把整個模具的生產周期縮短了2/3[1]，提高了企業(yè)在市場中的競爭力。

    針對模具加工高效、單件、小批量和材料硬度高、加工難度大、形狀復雜和切削余量大的特點，工具制造廠開發(fā)出大量適應模具生產需要的專用非標銑刀，并在刀具行業(yè)的產品中形成了獨樹一幟的《模具銑刀》（JB/T7966·1～10-95）系列標準。 

    時代在發(fā)展，技術在進步，《模具銑刀技術條件》（JB/T7966·10-95），規(guī)定用W18Cr4V或同等性能的高速鋼制造，硬度63～66HRC。從目前的市場調查分析，W18Cr4V、M2、9341等通用型高速鋼（HSS）在模具銑刀板塊中已失去了競爭力，而代之以粉末高速鋼、高性能高速鋼、硬質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，高速鋼牌號近百種，但在市場上流通的不超過20種。人們習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還能占據一席之地。

1.1 高性能的高速鋼

    HSS-E 是指在HSS成分基礎上適當提高C、V量，有些牌號再加入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。在國外應用相當普及，而國內只有少數廠家使用。

    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，碳化物都細小均勻，所以它較冶煉高速鋼強度和韌性都高的多。

1.3 高速鋼模具銑刀熱處理要點

    由于模具加工的特殊性對刀具的要求非常嚴格，刀具熱處理要掌握如下要點：

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

1.3.2 HSS-E熱處理后雖可以達到67～70HRC，但實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)良的力學性能，淬火晶粒度控制在10.5號，視不同產品上下浮動半級。但千萬不可盲目追求高硬度，大量的事實表明，高硬度并非高壽命。將硬度控制在66～67.5HRC不會出現質量問題（小刀具可以低1HRC）。

2 硬質合金銑刀

    硬質合金刀具是數控機床的主導產品，歐洲有些國家90%以上的車刀，55%以上的銑刀都用硬質合金制造，且增長勢頭正旺，以驚人的速度滲透到數控刀具的各個領域。展望未來，數控刀具無疑是硬質合金的天下，模具銑刀首選材料應是硬質合金。

2.1硬質合金刀具的主要特點

2.1.1 硬度

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

2.3.2 十分適合應用在數控銑床和轉速在20000r/min以上的先進銑床上銑削。

2.3.3株洲鉆石切削刀具股份有限公司開發(fā)的黑金剛刀片系列,是專門為加工鑄鐵而開發(fā)的硬質合金刀片，用于中速或高速銑削的YBD152牌號比原有的牌號提高切削速度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，工具廠開發(fā)了可轉位的面銑刀，包括銑平面、銑斜面等多功能可轉位面銑刀。

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，如果用傳統(tǒng)的銑削加工，效率很低，現在改用小切深大進給量的方式，實現了高效加工。

3 立方氮化硼(CNB)銑刀

    CNB是繼人造金剛石之后出現的第二種無機超硬材料，開拓了高速切削的新紀元。

3.1 CNB的主要特點

3.1.1高的硬度和耐磨性:顯微硬度可達8000~9000HV，聚晶立方氮化硼（PCBN）燒結體的硬度達到3000~5000HV，在切削耐磨材料時耐磨性為硬質合金的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，實現“以車代磨”。

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

3.1.3良好的導熱性：其導熱率大大高于高速鋼和硬質合金，但低于金剛石。

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

3.2 CBN銑刀的實際應用

3.2.1從2006年6月“第八屆中國國際機床工具商品展覽交易會”上獲悉，日本三菱綜合材料株式會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；精銑和半精40～60HRC模具，工件表面粗糙度可達Ra0.1µm;用鋒刃CBN端銑刀銑削62～64HRC CrWMn鋼平面時，表面粗糙度達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,16min銑長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,尤其是球頭銑刀來高速加工型腔等復雜曲面,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、耐熱性和化學穩(wěn)定性優(yōu)良等優(yōu)點，且不與切屑粘接。世界各國都非常注重開發(fā)和應用陶瓷刀具。近20年來，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，采用多種增韌補強，使得陶瓷刀具的抗彎強度、斷裂韌度和抗沖擊性能都有大幅度提高，開發(fā)了一系列的新型陶瓷刀具材料。如納米復合陶瓷刀具、晶須增韌陶瓷刀具、梯形功能陶瓷刀具、粉末涂層陶瓷刀具、自潤滑陶瓷刀具等。應用范圍日益廣泛，社會效益和經濟效益十分明顯，請看實例：

4.1 Al2O3/TiB2刀具加工4Cr5MoVSi熱模鋼時，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，鍵側面的表面粗糙度可穩(wěn)定地達到Ra1.6～0.8 µm，可省去原來的粗銑、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 結論

    縱觀全球，橫看同行，模具銑刀用材發(fā)生了三個明顯的變化：

5.1由通用型高速鋼向高性能高速鋼、粉末高速鋼轉化；

5.2硬質合金模具銑刀有逐步取代高速鋼銑刀的趨勢；

5.3超硬材料在模具銑刀中份額不斷增長。

    由于材料科學、機床行業(yè)的進步，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)，刀具結構千差萬別，因為用于加工模具的銑刀不能定格在通用高速鋼一種材料上，應該根據加工對象、模具服役狀態(tài)、機床、工夾具等多種因素綜合考慮，選定合適的模具材料，設計優(yōu)質的模具銑刀，并在實踐中不斷改革創(chuàng)新，力求優(yōu)質、高效、環(huán)保。