高效模具銑刀用于模具加工

1、高效模具銑刀用于模具加工      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)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(yàn)曲線在大部分材料的切削過(guò)程中根本無(wú)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(méi)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HRC2238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(lái)減少占機(jī)時(shí)間，另一方面在大懸伸加工時(shí)要求低的切削振動(dòng)。新型的模具銑刀的設(shè)計(jì)思路是采用

2、新的技術(shù)高性能切削（HPM）。  一、模具材料種類、特性簡(jiǎn)介為便于對(duì)后面高效模具加工刀具介紹的理解，有必要對(duì)模具材料及加工方式作一個(gè)簡(jiǎn)單介紹。（一）模具類型 模具主要分為以下幾個(gè)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。（二）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，這里只介紹與本文相關(guān)的被加工材料。 1C45W中碳鋼：牌號(hào)為S50CS55C 45鋼，香港稱為王牌鋼，此鋼材的硬度為HB170220

3、，模具有70%80%的加工采用這種鋼材，適用于大多數(shù)加工對(duì)象。 240CrMnMo7預(yù)硬塑膠模具鋼：硬度HRC2840，很適合做一些中低價(jià)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。3fc250-fc350，fcd500-fcd700：材料中添加了Cu、Ni、Mo等合金，通過(guò)對(duì)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

4、形，使之易于馬氏體化。一直以來(lái)，國(guó)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(hào)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(hào)為鍛態(tài)風(fēng)冷鋼（7CrSiMnMoV）、Cr12MoV，主要用于制造汽車外覆蓋件模具。二、汽車外覆蓋件模具粗加工用球頭銑刀近年來(lái)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(duì)客戶的要求，株鉆刀具技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(shí)間。株鉆公司最新推出了幾種

5、新型高效刀具，在車門保險(xiǎn)杠、車架等零部件的沖壓模加工時(shí)，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(shí)的型面輪廓強(qiáng)力仿形切削，一般來(lái)說(shuō)，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(guò)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：（一）適用于各種被加工材質(zhì)的刀片槽型和結(jié)構(gòu)；（二）優(yōu)秀的抗沖擊性能，強(qiáng)力銑削加工時(shí)不能出現(xiàn)切削刃意外崩缺；（三）長(zhǎng)的刀具使用

6、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(gè)型面，對(duì)于加工一個(gè)大型模具意味著412小時(shí)的加工壽命；（四）低的切削振動(dòng)，這是制約加工效率提高最難逾越的因素；（五）高的形狀精度和高負(fù)荷加工下刀具的精度保持性；（六）高的刀體可靠性。</P     該刀片的槽型是綜合考量各種實(shí)際切削因素，并且通過(guò)長(zhǎng)達(dá)兩年的用戶試驗(yàn)，不斷優(yōu)化而最終定型的。具體而言，主要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。 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(jì)精度（所有系列）均為0.00

7、5mm，制造輪廓誤差0.05mm（ZOLLER測(cè)刀儀檢測(cè)）。中心刀片的刀尖設(shè)計(jì)保證更低的切削振動(dòng)和抗沖擊性能，過(guò)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(yàn)室試驗(yàn)和客戶實(shí)際試驗(yàn)來(lái)提高刀片性能。舉例來(lái)說(shuō)，其中有一項(xiàng)為切削阻力和切削振動(dòng)對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如下：試驗(yàn)刀具為A、B兩種國(guó)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(cè)試儀器：KISTLER動(dòng)態(tài)電荷測(cè)力儀。由試驗(yàn)結(jié)果可知：（一）在其他條件相同的情形下，f=0.5mm/z時(shí)，A刀具的最大主切削力Fx=400N，

8、最大主切削力Fx=50N，最大振幅為350N，平均切削力為230N； （二）在其他條件相同的情形下，f=0.8mm/z時(shí)，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； （三）在其他條件相同的情形下，f=0.5mm/z時(shí)，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； （四）在其他條件相同的情形下，f=0.8mm/z時(shí)，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(diǎn)可知，在1m

9、m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(dòng)的振幅也明顯大得多，而上述切削參數(shù)在大多場(chǎng)合都是正常切削參數(shù)，這說(shuō)明在刀具刀尖的處理上A刀具的設(shè)計(jì)方案明顯優(yōu)越。而B刀具由于切削阻力和切削振動(dòng)太大，且刀尖的切削前角僅為20°，刀尖過(guò)于單薄，刀具的過(guò)中心刀尖非常容易崩缺。 因此刀尖的形狀設(shè)計(jì)非常重要，對(duì)刀具的實(shí)際切削效果有顯著的影響。實(shí)際上優(yōu)化設(shè)計(jì)刀尖形狀和參數(shù)是一個(gè)非常繁雜的過(guò)程，要平衡諸多因素，如切削振動(dòng)、刃部強(qiáng)度、刀具使用的工藝特點(diǎn)、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

10、。 刀片的槽型優(yōu)化設(shè)計(jì)，球頭銑刀的圓弧切削刃各點(diǎn)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(diǎn)承受切削阻力相差很大。當(dāng)切削速度低于某個(gè)值時(shí)，切削阻力會(huì)急劇增大，而高過(guò)此值時(shí)，變化會(huì)比較平緩，因此設(shè)計(jì)主切削刃棱帶、槽型主參數(shù)時(shí)必須遵循這個(gè)規(guī)律。對(duì)于球頭刀來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)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(tái)設(shè)計(jì)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(dòng)。分屑槽刀片，對(duì)于大直徑刀具D50、D40刀具和大懸長(zhǎng)刀具來(lái)說(shuō)，在進(jìn)行過(guò)渡全刃接觸銑削時(shí)，幾乎難以加工，排屑非常困難。刀片極易被擠缺。這時(shí)需要

11、采用分屑技術(shù)的刀片。在實(shí)際驗(yàn)證時(shí)，加工效率得到2倍以上的提高。</P     極限過(guò)載和疲勞破損校驗(yàn)，進(jìn)一步改進(jìn)刀具結(jié)構(gòu)，確保刀具能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定切削。極限試驗(yàn)主要用于檢測(cè)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(yàn)。這需要投入極大的物力和精力，一個(gè)產(chǎn)品的開發(fā)必須包含此項(xiàng)驗(yàn)證。這里列舉其中一項(xiàng)試驗(yàn)： 檢驗(yàn)刀具：BMR03-040-G32-XP30-02-M；刀片：XPHT40R2004；牌號(hào)：YBG302被加工材料：NAK80（HRC40）切削參數(shù)：Vn=2500，ap=5mm，ae=4mm，f=2000mm/min 試驗(yàn)結(jié)

12、果：加工16小時(shí)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(wú)法繼續(xù)使用。正是疲勞試驗(yàn)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(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，其中包括（一）面與面間采用圓弧過(guò)渡，消除應(yīng)力集中；（二）更高精度的鎖進(jìn)螺紋配合，提高刀片的安裝剛性；（三）采用優(yōu)質(zhì)耐熱合金鋼制造刀體；（四）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(yàn)證明，消除缺陷的產(chǎn)品完全可以滿足實(shí)際使用要求，現(xiàn)在大批量訂貨也沒(méi)有出現(xiàn)問(wèn)題。新型球頭銑刀較傳統(tǒng)刀具有較大優(yōu)勢(shì)，加工實(shí)例證明了其高效切削性能，比原來(lái)傳統(tǒng)球頭銑刀提高加工效率2倍以上，且刀具壽命更長(zhǎng)，性能可與國(guó)外先進(jìn)

13、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(jià)比高，節(jié)約了刀具消耗成本。三、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(duì)等詞。這種大進(jìn)給銑刀結(jié)合了低振動(dòng)切削和高進(jìn)給切削兩種切削形式的優(yōu)點(diǎn)，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(gè)邊完全對(duì)稱，每個(gè)邊由修光刃、第一主切削刃、突起過(guò)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申請(qǐng)中。 （一）低振動(dòng)大進(jìn)給銑刀的原理及特色 所謂低振動(dòng)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(zhǎng)度的四次方成反比，加工效率的主要制約因素是因?yàn)榧庸ふ駝?dòng)而不得不降低走刀速度。FEE

14、TE公司的理論研究和試驗(yàn)證明，通過(guò)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(shuō)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(gè)非?？捎^的數(shù)據(jù)，實(shí)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(lái)。該銑刀在切削深度ap小于凸起過(guò)渡區(qū)到修光刃時(shí)，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(wú)任何區(qū)別。但當(dāng)切削深度ap超過(guò)這一臨界值時(shí)，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(zhǎng)的切屑，而新型銑刀為兩段切屑，這種斷屑方法稱為自臺(tái)階斷屑。下面通

15、過(guò)一個(gè)試驗(yàn)來(lái)證明對(duì)新型刀具性能的闡述。 試驗(yàn)機(jī)床：MIKRON UCP1000被加工材料：NAK80（HRC40）對(duì)比試驗(yàn)刀具：進(jìn)口D32大進(jìn)給銑刀（加長(zhǎng)型）；株鉆D32大進(jìn)給銑刀測(cè)量?jī)x器：KISTLER電荷測(cè)力儀</P加工參數(shù)：ap=1.7mm，ae=25mm，V=120m/min，f=0.8mm/z試驗(yàn)結(jié)果：由于受到機(jī)床功率的限制，f=0.8mm/z時(shí)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(duì)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(dòng)甚至抖動(dòng)。這就證實(shí)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。 株鉆刀具每刃平均切削壽命為3.5小時(shí)，進(jìn)口刀具為3.7小時(shí)，壽命基本相當(dāng)；株鉆刀具的切削振動(dòng)聲音相對(duì)較?。恢赉@刀具切屑細(xì)碎，容易被壓縮空氣吹走，切屑刮擦相對(duì)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(shì)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（一）加工效率提高12倍，機(jī)床占用率大大降低，大大降低固定資產(chǎn)成本；（二）拐角處振動(dòng)和大模具加工的優(yōu)勢(shì)更加明顯，提高效率3倍以上；（三）刀片消耗量大大降低，原來(lái)RDKW刀片每月消耗2萬(wàn)片，而大進(jìn)給刀片消耗量不到3000片。新型大進(jìn)給銑刀可以通