高速銑削在淬硬鋼模具加工中的應用

    對淬硬鋼進行高速銑削是一種先進加工技術(shù)，屬于有效的硬銑技術(shù)之一。長期以來，人們一直采用銑削一磨削或者銑削—電火花加工(EDM)的方法實現(xiàn)對模具的加工。雖然電火花加工具有與工件硬度無關(guān)的工藝特點，但較低的材料去除率使它的應用范圍受到限制。隨著現(xiàn)代加工技術(shù)的發(fā)展及超硬刀具材料的出現(xiàn)，以銑代磨、以銑削代替EDM進行高效經(jīng)濟的模具加工已成為可能，并在生產(chǎn)中取得了顯著的經(jīng)濟效益。

    采用硬銑技術(shù)加工模具，不但使加工周期大為縮短，而且加工質(zhì)量得到了可靠保證。在主軸高速旋轉(zhuǎn)下進行硬銑削可獲得無銑痕的表面，其表面粗糙度可達Ra0.6µm。

1 硬銑削的加工特點 

硬銑削與電火花加工相比有以下特點：

1）高效率 硬銑加工節(jié)省了EDM電極設(shè)計制造所占用的大量時間且具有較高的材料去除率，加工質(zhì)量顯著提高，大大縮短或消除了工具鉗工的配研修磨時間，使模具加工效率大為提高。

2）高質(zhì)量 硬銑削加工模具時，直接將淬硬工具鋼一次安裝加工成形，有效地避免了零件多次安裝造成的裝夾誤差，提高了零件的幾何位置精度。采用高速銑削可獲得無銑痕的加工表面，使零件表面質(zhì)量大大提高。

3）冷卻潤滑要求低 通常硬銑削可采用干銑或使用少量冷卻潤滑液，無需EDM專用工作液循環(huán)過濾系統(tǒng)，同時冷卻潤滑液的處理過程也比EDM方便得多。

4）投資少 硬銑加工既可以在專用的CNC機床或加工中心上進行，也可以在用高速主軸進行改裝的普通機床上進行。后者不僅具有普通機床的加工能力，而且還可進行硬銑削，減少了設(shè)備投資，增加了機床柔性。目前，國外一些廠商已相繼開發(fā)出一些專用的高速主軸，如IBAG Zurich公司開發(fā)的0.125～60kW的大錐度夾緊主軸，其轉(zhuǎn)速可達12×10³～80×10³r/min，并配有冷卻液供應系統(tǒng)。

2 硬銑刀具與切削用量選擇

1) 硬銑刀具材料的選擇

a. 目前，用于硬銑削的刀具材料主要有聚晶立方氮化硼(CBN)、陶瓷、新型硬質(zhì)合金和涂層硬質(zhì)合金等。

b. CBN刀具材料 CBN的晶體結(jié)構(gòu)為面心立方，具有很高的硬度、極強的耐磨性和良好的導熱性，且與鐵族元素之間有很大的惰性，在1300℃也不會發(fā)生顯著的化學作用。同時，對酸堿亦有良好的穩(wěn)定性。研究表明，用CBN復合片刀具切削硬度HRC35～67的淬火鋼尤為成功。因此，CBN刀具在硬銑加工中具有特殊的地位。

c. 陶瓷 陶瓷材料具有良好的耐磨性和熱化學穩(wěn)定性，其硬度、韌性低于CBN，可用于加工硬度HRC<50的零件。

新型硬質(zhì)合金和涂層硬質(zhì)合金 這兩種材料成本較低，適合切削硬度在HRC40～50之間的工件。

各種工具材料的高溫硬度比較如圖1所示。

圖1 各種工具材料的高溫硬度

    在進給量為0.15mm/r，切削深度0.5mm以下時，按照切削加工條件推薦銑削淬硬鋼的刀具材料如圖2所示。

1.KT9 2.LN10 3.CR1 4.NIT 5.硬質(zhì)合金 6.金屬陶瓷

圖2 不同切削條件下工具材料的選擇

    近年來，工具制造廠商陸續(xù)推出了最新產(chǎn)品。如日本黛杰JBN銑刀高速(切削速度v≥100m/min)切削HRC60以上的高硬度材料時，其刀具耐用度達60min以上，并形成系列產(chǎn)品。瑞典Seco銑刀也形成完整系列，以滿足各種銑削加工要求。

2) 銑刀直徑選擇

    試驗研究表明，有效加工淬硬鋼需要用小直徑銑刀。無論用球頭銑刀還是圓柱銑刀加工三維曲面，刀具直徑越小，其縱向干涉越小。因此，選擇刀具直徑時，對于具有外凸形縱向輪廓曲面的工件，應根據(jù)其工件結(jié)構(gòu)、銑刀強度、剛度及加工效率綜合考慮；對于內(nèi)凹形縱向輪廓面的工件，銑刀最大半徑應小于或等于縱向內(nèi)凹輪廓處的最小曲率半徑。

3) 切削用量選擇

    工件材料的切削加工性、刀具材料都對切削用量選擇產(chǎn)生直接影響。工件材料越硬、強度越高，切削速度應越低。硬銑削的切削速度范圍90～200m/min為宜。根據(jù)工件硬度和刀具材料推薦的切削速度值如圖2所示。切削深度一般取0.1～0.4mm，進給量取0.1～0.2mm/r為宜，使用JBN300加工不同材質(zhì)的淬硬鋼時，在冷卻潤滑連續(xù)切削條件下，其推薦切削用量見表1。

表1 JBN300加工淬硬鋼的切削用量

    精銑時，為了獲得更高的精度和表面質(zhì)量，可選用較高的切削速度和較小的進給量。

3 硬銑削對機床的要求

1) 高轉(zhuǎn)速 由于采用小直徑銑刀和高切速，機床必須具有高速主軸。

2) 高剛性 為了獲得良好的加工質(zhì)量，機床必須具有足夠高的剛度，以防止切削時刀具顫振對加工質(zhì)量的不利影響。

3) 良好的刀具夾緊裝置 用以保證刀具與主軸的最優(yōu)同軸度。

    比臥式加工中心更為經(jīng)濟的立式加工中心的普及應用，為復雜型面的硬銑加工提供了機床保證。

4 硬銑削在模具加工中的應用

    硬銑削作為高效加工模具的新方法，在模具制造中得到了廣泛應用。例如，國外某公司制作連桿鍛模，用電火花加工型腔需12～15h，電極制作2h。改用硬銑削后，采用Torus立銑刀對硬度HRC60的淬硬工具鋼進行加工，其相關(guān)工藝參數(shù)如表2所示。

表2 連桿鍛模高速銑削工藝參數(shù)

    整個鍛模加工只需3h20min，工效提高4～5倍，加工表面粗糙度達Ra0.5～0.6µm，質(zhì)量完全符合要求。