模具加工的最新需求及高效切削刀具

近年來，隨著全球化的進程，制造業(yè)的國際競爭也變得越來越激烈。為了在競爭中立于不敗之地，許多企業(yè)都致力于“降低成本”、“縮短交貨期”、“提高質量”等各種課題的研究。特別是最近在重新認識“日本制造”的同時，模具的高精度化、高效化加工已成為重要的關鍵詞。換言之，模具加工過程中不可或缺的工具——切削刀具的作用現(xiàn)在已被認為是至關重要的因素。

    近幾年，使用切削刀具的用戶的需求也發(fā)生了變化。以前，人們普遍認為刀具是消耗品，所以想通過減少使用量來降低刀具費用。最近人們的觀點發(fā)生了轉變，認為應該通過充分發(fā)揮刀具的作用來降低加工費。這也正是日立工具公司4年前提出的“加工減半運動”的觀點。為了配合用戶這種需求的變化，工具生產商有必要集中精力開發(fā)效率更高的刀具。

    本文將介紹以下內容：近期為配合模具加工需求而開發(fā)的用于精加工的高效小直徑整體硬質合金立銑刀（Epoch深切削圓角立銑刀）；用于粗加工的高效圓角立銑刀（多刃型大進給圓角立銑刀）；能在高效加工條件下大幅提高刀具性能的最新超潤滑涂層（JX涂層）的開發(fā)、性能和加工實例。

1．整體硬質合金立銑刀“Epoch深加工圓角立銑刀（Epoch Deep Radius）”

（1）切削性能

    近幾年，用切削加工替代以前的放電加工的趨勢越來越明顯，這種需求漸漸轉向切削工件上窄而深的部位。使用立銑刀深切削加工這種窄而深的部位時，適用的主流刀具是小直徑球頭立銑刀（日立工具也在生產Epoch深切削球頭立銑刀、Epoch筆式深切削球頭立銑刀系列）。但是，使用小直徑球頭立銑刀進行高效深切削時會出現(xiàn)以下問題（即用切削加工替代放電加工存在的問題）：①切削阻力容易增大；②中心部位的切削速度很難提高（頂端中心刃部分易受損）；③存在理論上的切削殘留部分（刀具徑向切入量不能太大）。

    日立工具為解決以上問題，開發(fā)了小直徑長頸系列Epoch深切削圓角立銑刀。在使用小直徑立銑刀進行深切削時，如果刀具切削刃前端的切削阻力太大，就會產生振動而無法在高效切削條件下加工，從而影響加工效率。從切削阻力的角度對球頭立銑刀與R角立銑刀進行對比可知，后者的切削刃接觸面積較小，切削阻力也相對較小。

    此外，在進行等高線切削時，球頭立銑刀存在理論上的切削殘留部分，尤其是切削速度低的端部橫刃容易破損。而圓角立銑刀加工時通常能形成一定的切削面，故具有加工穩(wěn)定可靠的優(yōu)點。

    現(xiàn)在開發(fā)的Epoch深切削圓角立銑刀能夠防止深切削時產生的顫振。為了進一步提高加工效率，采用了倒錐形設計。這種設計可防止切削過程中因刀具彎曲造成外周刃與被切削材料接觸，從而可實現(xiàn)穩(wěn)定加工。此外，刀具涂層采用了具有高硬度和高耐熱、耐磨性能的TH（TiSiN）硬涂層，非常適合高硬度材料的直接深切削加工。

以下通過加工實例介紹Epoch深切削圓角立銑刀的特點。

（2）加工實例

①溝槽高效加工實例

    為了對溝槽進行高效加工，需要在一定程度上加大XY方向的步距，但如果使用球頭立銑刀加工，就會使無法提高切削速度的中心刃承受很大的負荷而不得不降低切削條件。

    從使用球頭立銑刀加工溝槽的結果可以看出：若加大設定的XY步距，則中心刃處的破損程度也會加大；若減小設定的XY步距，降低切削條件，雖未觀察到中心刃受損，但前端中心橫刃的磨損卻有所增大。從使用Epoch深切削圓角立銑刀加工溝槽的結果可知，不但切削穩(wěn)定，而且磨損減小，對高硬度（約50HRC）熱模鍛鋼工件的溝槽加工效果良好。 

在本加工實例中，與球頭立銑刀相比，新型圓角立銑刀所需加工時間縮短約1/4，加工費用降低一半以上。

②高硬度材料的深切削

    從用長頸型立銑刀加工SKD11冷作模具鋼（60HRC）的結果可以看出，球頭立銑刀的外周切削刃有很大破損；而Epoch深加工圓角立銑刀無破損，只有均勻磨損�？梢酝茢�，由于球頭立銑刀的切削刃接觸長度較大，因此切削阻力也大，切削速度高的外周切削刃容易受損。這一點與例①相同，圓角立銑刀具有明顯優(yōu)勢。

    由在相同加工條件下日立工具的圓角立銑刀與其它公司圓角立銑刀的對比可以看到，其它公司生產的圓角立銑刀由于沒有采用倒錐形設計，對超過60HRC的高硬度材料加工效果不太理想。日立工具的新一代深切削圓角立銑刀因為采用了背斜式形狀的獨特設計，外周切削刃為點接觸式切削，即使在用直切法加工高硬度材料時，切削阻力也很小，且加工狀態(tài)穩(wěn)定。

    由Epoch深切削圓角立銑刀的加工實例可知，該刀具性能優(yōu)異，尤其對高硬度材料進行深切削時具有明顯優(yōu)勢�？傊�，充分發(fā)揮圓角立銑刀的作用，可對經過熱處理淬火的材料直接進行溝槽加工，因加工過程縮短，可大幅降低加工費用。實驗證明，采用圓角立銑刀加工效率可提高5倍以上，而加工費可降低35%。

2．用于大進給粗加工的可轉位圓角立銑刀

（1）多刃型大進給圓角立銑刀

    模具行業(yè)普遍采用小切深、大進給的切削方式來實現(xiàn)高效加工，但市場需求要求進一步提高加工效率。針對這種需要，日立工具開發(fā)了多切削刃刀具，以及在大進給條件下也能承受高切削速度的涂層。

    多刃型大進給圓角刀具的設計理念是在有限的刀具外徑內，根據以往的刃數(shù)設計方法，將切削刃尺寸縮小，但又不會降低刃口強度。將大進給圓角立銑刀的刀片主切削刃半徑設定為R8。與半徑同為R8的圓刀片相比，它具有相同的刃口強度，但又最大限度地縮小了刀片面積，從而實現(xiàn)了多刃化。以前外徑為φ32的刀片都是2個刀刃，而多刃型大進給圓角立銑刀的刀刃數(shù)多達5個，比以往的產品提高了2.5倍。

（2）大進給刀具的特點

    以前用于粗加工的可轉位刀具普遍配用圓刀片，表面上看似乎可獲得很大的切深量，可一次切除大量材料，但由于其切削刃與被加工材料的接觸長度大于直線刃刀片的接觸長度，因此切削阻力增大，很難實現(xiàn)大進給切削。此外，圓刀片在刀具懸伸較長的加工場合受到徑向力作用，易造成刀具彎曲而發(fā)生振顫。多刃型大進給圓角立銑刀的切削刃設計在刀具回轉軸的底部，因此切削阻力主要作用于軸向，即多刃型大進給圓角立銑刀即使懸伸較長也不易發(fā)生顫振，能夠實現(xiàn)穩(wěn)定加工。同時，通過將刀片小型化，使切削刃長度比以往的大進給刀具明顯縮短，減小了切削阻力，從而通過多刃化有效控制了切削力。

（3）小切深、大進給加工的優(yōu)點

    小切深、大進給加工是大進給刀具的應用條件，其優(yōu)點是材料切除率大、加工效率高。與采用大切深的高效加工相比，在切深量減小的情況下，可在機床工作臺的最大進給限制范圍內進行高效率的快速進給加工。

    采用圓刀片通過加大切深來提高加工效率時，加工后工件上會留下明顯的切削殘留部分，這將增加后續(xù)精加工刀具的加工負荷。雖然粗加工效率很高，但會降低后續(xù)工序的加工效率。與此相比，采用小切深、大進給加工時，粗加工的切削殘留部分減少，更接近最終精加工的形狀，從而可減輕后續(xù)工序精加工刀具的負荷，使粗加工和精加工的效率同時得到提高，穩(wěn)定可靠地實現(xiàn)高效加工。

3．超潤滑JX涂層

    如上所述，在通過改進刀刃形狀、增加刀刃數(shù)量以提高加工效率的同時，如能提高刀具回轉速度，加快切削速度和進給速度，就能進一步提高加工效率。但是，在高于現(xiàn)行切削速度時，目前的刀具涂層對切削產生的高溫和壓力承受能力不足。因此，我們重新認識了小切深、大進給切削對切削刃的影響，確定了高速化必需的性能：即使在高溫下也具有能抑制大進給切削產生的切屑與刀具之間摩擦的潤滑性能。為此，日立工具成功地開發(fā)了潤滑性極強的鈦化合物系列涂層。這種能用于高效加工的新性能JX涂層能有效降低月牙洼磨損和后刀面磨損，并有效防止刃口粘結現(xiàn)象。

（1）低摩擦系數(shù)、高硬度、高韌性的JX涂層

    JX涂層在鈦、鋁系化合物中添加了自潤滑材料，能利用切削熱在涂層表面形成薄氧化層。該氧化層可提高潤滑性能，控制切削溫度上升，同時降低切削刃與被加工工件之間的親和性，抑制切削刃的粘結。JX涂層的硬度與硬度最高的TiSiN系涂層相當，高硬度可防止高速高效加工環(huán)境下的切削刃磨損，大幅延長刀具的使用壽命。陶瓷系硬質涂層難以有效防止銑削加工特有的斷續(xù)切削造成的熱裂紋，但JX涂層由于韌性大幅提高，因此具有很高的抗崩刃性�？梢钥闯觯琂X涂層是同時具有潤滑性、耐摩耗性、抗崩刃性的新一代涂層。在刀刃數(shù)和使用壽命相同的前提下，它比以前涂層的切削速度提高了40%。

（2）多刀刃、大進給圓角立銑刀的高速切削實例

    使用多刃型大進給圓角立銑刀和JX涂層刀片在最新型的數(shù)控加工中心機床（切削進給速度最高可達50m/min）上進行高效加工的實例：多刃型大進給圓角立銑刀的刀刃外徑為φ32mm，有5個切削刃；刀片牌號為JX1045；被加工材料為40CrMnMo7（相當于JIS標準的SKT3）。在切削速度Vc＝300mm/min、主軸轉速n=3000/min、切削進給速度Vf＝50m/min、每齒進給量fz＝3.3mm/齒、切深ɑp×ɑe＝0.3×25mm的切削條件下，可輕快完成切削。加工所用的高速數(shù)控加工中心在國內外尚未普遍使用，與目前普遍使用的切削進給速度10～20m/min的高速數(shù)控加工中心相比，加工效率可提高2.5～5倍。而新一代多刃型大進給圓角立銑刀可使現(xiàn)有高速數(shù)控機床的功能發(fā)揮到極致。

    以上介紹了應用最新技術研制的Epoch深切削圓角立銑刀、大進給圓角立銑刀和JX涂層的開發(fā)目的與效果。這些新型刀具的出現(xiàn)滿足了提高模具加工效率的需求，也降低了模具加工成本。