用于模具加工的兩種新型高性能銑刀

高速加工（HSM）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、石墨電極等幾種材料的切削加工。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)時間，另一方面在大懸伸加工時要求低的切削振動。新型的模具銑刀的設(shè)計思路是采用新的技術(shù)——高性能切削（HPM）。

1．模具材料種類、特性簡介

    為便于對后面高效模具加工刀具介紹的理解，有必要對模具材料及加工方式作一個簡單介紹。

（1）模具類型

    模具主要分為以下幾個類型：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。

（2）模具材料

    每種不同的模具以及同一模具的不同部位所采用的材料有相當(dāng)大的差別，其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中碳鋼：牌號為S50C~S55C 45鋼，香港稱為王牌鋼，此鋼材的硬度為HB170～220，模具有70%～80%的加工采用這種鋼材，適用于大多數(shù)加工對象。

    40CrMnMo7預(yù)硬塑膠模具鋼：硬度HRC28～40，很適合做一些中低價模具的鑲件，有些大批量生產(chǎn)的模具模架也采用此鋼材，好處是硬度比中碳鋼高，變形也比中碳鋼穩(wěn)定，這種鋼在塑膠模具上被廣泛采用，較為普遍的品牌有718S、718H、738H、NAK80、NAK55等，這種鋼材的應(yīng)用占模具的15%～20%左右，其加工難度大于45鋼，主要為型芯和型腔加工。

    fc250-fc350，fcd500-fcd700：材料中添加了Cu、Ni、Mo等合金，通過對總碳量、Si、Mn、P、S、Mg等組成元素進(jìn)行控制，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，主要用于制造汽車外覆蓋件模具。

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)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)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間。株鉆公司最新推出了幾種新型高效刀具，在車門、保險杠、車架等零部件的沖壓模加工時，能夠大大提高刀具使用壽命、降低加工成本。其中BMR03系列刀具就是其中之一。

    該款刀具適用于汽車外覆蓋件模具粗加工時的型面輪廓強(qiáng)力仿形切削，一般來說，D50、D40的刀具進(jìn)行型面開粗，D30的刀具進(jìn)行型面的半精加工和圓弧過渡面的清根加工，被加工工件的材質(zhì)主要是以上介紹的冷作模具鋼和鉬鉻合金鑄鐵，為了降低成本，有些低檔卡車模具也采用GCr15鋼和灰口鑄鐵，甚至采用A3鋼堆焊的毛坯生產(chǎn)。因此要求該刀具有極高的綜合切削性能：（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，一般客戶希望能夠在不更換刀片情況下不間斷地加工完一個型面，對于加工一個大型模具意味著4～12小時的加工壽命；（4）低的切削振動，這是制約加工效率提高最難逾越的因素；（5）高的形狀精度和高負(fù)荷加工下刀具的精度保持性；（6）高的刀體可靠性。

    該刀片的槽型是綜合考量各種實際切削因素，并且通過長達(dá)兩年的用戶試驗，不斷優(yōu)化而最終定型的。具體而言，主要在以下幾個方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。

    比傳統(tǒng)刀具更高的精度，刀片安裝在刀體上后，與理想球體的理論誤差應(yīng)盡可小，而且曲線不能太復(fù)雜，以免造成研磨困難。株鉆球頭銑刀的球形刃設(shè)計精度（所有系列）均為≤0.005mm，制造輪廓誤差≤0.05mm（ZOLLER測刀儀檢測）。

    中心刀片的刀尖設(shè)計保證更低的切削振動和抗沖擊性能，過中心區(qū)域切削速度極低（接近于零）。切削阻力極大，非常容易出現(xiàn)刀尖崩缺現(xiàn)象。必須進(jìn)行大量試驗室試驗和客戶實際試驗來提高刀片性能。舉例來說，其中有一項為切削阻力和切削振動對比試驗，試驗方案如下：試驗刀具為A、B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。

由試驗結(jié)果可知：

（1）在其他條件相同的情形下，f=0.5mm/z時，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；

（2）在其他條件相同的情形下，f=0.8mm/z時，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；

（3）在其他條件相同的情形下，f=0.5mm/z時，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；

（4）在其他條件相同的情形下，f=0.8mm/z時，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。

    由以上四點可知，在1mm的小切深情況下，在所有切削條件相同的情況下，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)計非常重要，對刀具的實際切削效果有顯著的影響。實際上優(yōu)化設(shè)計刀尖形狀和參數(shù)是一個非常繁雜的過程，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、刀片材料特性、本身的工藝性等等，很難一蹴而就，要往返多次不斷完善。

    刀片的槽型優(yōu)化設(shè)計，球頭銑刀的圓弧切削刃各點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，因此各點承受切削阻力相差很大。

    當(dāng)切削速度低于某個值時，切削阻力會急劇增大，而高過此值時，變化會比較平緩，因此設(shè)計主切削刃棱帶、槽型主參數(shù)時必須遵循這個規(guī)律。對于球頭刀來說，設(shè)計為變棱寬棱帶、光滑曲面的切屑導(dǎo)流槽、連續(xù)變化的前角、槽寬等最為合適，配合前刀面的減振凸臺設(shè)計可以在保證刃口強(qiáng)度的基礎(chǔ)上盡可能減少棱寬，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，幾乎難以加工，排屑非常困難。刀片極易被擠缺。這時需要采用分屑技術(shù)的刀片。在實際驗證時，加工效率得到2倍以上的提高。

    極限過載和疲勞破損校驗，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。極限試驗主要用于檢測刀具在推薦切削參數(shù)下的安全性能，包括一系列的超載試驗。這需要投入極大的物力和精力，一個產(chǎn)品的開發(fā)必須包含此項驗證。這里列舉其中一項試驗：

檢驗刀具：BMR03-040-G32-XP30-02-M；刀片：XPHT40R2004；牌號：YBG302

被加工材料：NAK80（HRC40）

切削參數(shù)：Vn=2500，ap=5mm，ae=4mm，f=2000mm/min

試驗結(jié)果：加工16小時后，刀具出現(xiàn)疲勞損壞裂紋。刀體上部安裝刀片的刀槽底面與側(cè)面出現(xiàn)明顯裂痕，刀體已經(jīng)無法繼續(xù)使用。  

正是疲勞試驗發(fā)現(xiàn)了該刀具的內(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)品小批量客戶試驗證明，消除缺陷的產(chǎn)品完全可以滿足實際使用要求，現(xiàn)在大批量訂貨也沒有出現(xiàn)問題。

客戶實際案例

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

加工結(jié)果：加工前與加工后用激光對刀儀在線檢測，精度與國外刀具相同，一次加工17小時刀具微見磨損，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（牌號不詳）

加工參數(shù)：Vn=2500r/min；ap=8～12mm；ae=8mm；f=3000mm/min

加工結(jié)果：精度明顯高于原刀具，加工時振動明顯低于原刀具，刀具的平均使用壽命和加工效率高于原刀具兩倍以上，批量加工未出現(xiàn)異常情況。 

小結(jié)：新型球頭銑刀較傳統(tǒng)刀具有較大優(yōu)勢，加工實例證明了其高效切削性能，比原來傳統(tǒng)球頭銑刀提高加工效率2倍以上，且刀具壽命更長，性能可與國外先進(jìn)廠家相當(dāng)；批量應(yīng)用證明該刀具性能穩(wěn)定可靠，由于性價比高，節(jié)約了刀具消耗成本。

3．新型大進(jìn)給銑刀

    株鉆刀具公司推出的新型大進(jìn)給銑刀幾乎已成為HPM的狹義對等詞。這種大進(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，能夠進(jìn)一步提高刀具的切削性能。刀片基本形狀為類三角形，三個邊完全對稱，每個邊由修光刃、第一主切削刃、突起過渡區(qū)、第二主切削刃和刀尖圓弧等組成。刀具的原理及形狀專利正在申請中。

（1）低振動大進(jìn)給銑刀的原理及特色

    所謂低振動切削是指刀具采用大的懸伸量加工深的部位，而刀具的剛性與懸伸長度的四次方成反比，加工效率的主要制約因素是因為加工振動而不得不降低走刀速度。FEETE公司的理論研究和試驗證明，通過改變切屑的形狀，可以在切屑截面不變的情況下提高走刀速度，或者說在同等金屬去除率的情況下，可以降低切削阻力和消耗功率15%～25%。這是一個非�？捎^的數(shù)據(jù)，實際上由于受到幾何形狀以及殘余加工區(qū)域面積的限制，產(chǎn)品應(yīng)用達(dá)不到這一理論值。

    株鉆公司開發(fā)的新型大進(jìn)給銑刀成功地將小的主偏角與切屑形狀控制理論結(jié)合起來。該銑刀在切削深度ap小于凸起過渡區(qū)到修光刃時，參與切削的為第一主切削刃，這與傳統(tǒng)的大進(jìn)給銑刀并無任何區(qū)別。但當(dāng)切削深度ap超過這一臨界值時，切屑的形狀發(fā)生改變，傳統(tǒng)的大進(jìn)給銑刀應(yīng)為一段較長的切屑，而新型銑刀為兩段切屑，這種斷屑方法稱為自臺階斷屑。下面通過一個試驗來證明對新型刀具性能的闡述。

試驗機(jī)床：MIKRON UCP1000

被加工材料：NAK80（HRC40）

對比試驗刀具：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

試驗結(jié)果：由于受到機(jī)床功率的限制，f=0.8mm/z時機(jī)床已經(jīng)達(dá)到極限功率，株鉆D32大進(jìn)給銑刀MR01-063-A22-ZD16-04的切屑成兩段排出，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。這就證實采用分屑技術(shù)與大進(jìn)給相結(jié)合的新型刀具有著更加優(yōu)越的切削性能。

新型大進(jìn)給銑刀加工實例驗證

加工零件：摩托車整流罩模具（包括型芯和行腔模板），材料為738H（HRC33～40）

株鉆刀具：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

加工方式：干式切削

加工試驗結(jié)果：株鉆刀具每刃平均切削壽命為3.5小時，進(jìn)口刀具為3.7小時，壽命基本相當(dāng)；株鉆刀具的切削振動聲音相對較小；株鉆刀具切屑細(xì)碎，容易被壓縮空氣吹走，切屑刮擦相對較輕。另外值得一提的是，在采用大進(jìn)給加工前，采用RDKW1204M0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)給刀片消耗量不到3000片。

小結(jié)：新型大進(jìn)給銑刀可以通過分屑方法有效抑制振動，從而進(jìn)一步提高加長刀具的加工性能；合理的外形設(shè)計使該刀具的切削性能和使用壽命達(dá)到了預(yù)期目的；較傳統(tǒng)刀具而言，新刀具的加工效率提高2～3倍，而刀具消耗量僅為原來的1/5，效益相當(dāng)可觀。

4．結(jié)束語

    與傳統(tǒng)刀具相比，新的高效模具銑刀加工效率提高2～3倍甚至更高，這一成功得益于優(yōu)化的刀具幾何設(shè)計和新的銑削策略。高性能銑削刀具的最大優(yōu)點是減少了對機(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)鍵作用。分屑方法是實現(xiàn)低振動切削最現(xiàn)實的一種方法，同時試驗和實際應(yīng)用都證明效果明顯。