陶瓷刀片在模具硬铣削加工中的优势

为了在当今全球经济中保持竞争优势,模具制造商必须在极短的时间周期内不断生产出高质量的产品。为了达到这一目标,必须开发先进的制造工艺技术和切削刀具材料,使模具加工车间能始终处于竞争的优势地位。硬铣削作为这些先进制造技术中的一项,一直在不断发展之中。前几年,由于受到当时机床和切削刀具的局限,模具制造商未能真正采用硬铣削工艺。然而在今天,大多数配备有高刚性、高转速主轴系统和先进处理器的现代加工中心对切削硬材料都得心应手。同时,先进的CAM软件包已有针对硬铣削的特定加工循环,设计了可使刀具寿命最优化的刀具轨迹(刀路)功能。

硬铣削刀具的选择

模具车间通常使用三种类型的铣削刀具:整体硬质合金立铣刀、可转位硬质合金刀片以及最新开发的可转位陶瓷刀片。在不同的加工应用中,这三种刀具各有其优势和缺点。

(1)整体硬质合金立铣刀通常需要经过精密磨削和涂层处理,其价格相当昂贵。当刀具变钝时,必须进行重磨和再涂层。但是,经过重新修复的立铣刀其切削性能往往不如新刀好。

(2)第二类硬铣削刀具安装有可转位硬质合金刀片。在大多数情况下,此类刀片的硬质合金牌号及刀片几何参数并不是专为硬铣削加工而设计的,因此在加工淬硬材料时不能提供最佳的刀具寿命和生产效率。

(3)第三类硬铣削刀具采用了可转位陶瓷刀片,尤其是晶须增强型陶瓷刀片。使用装有可转位陶瓷刀片的刀具系统能够带来诸多好处,包括缩短加工周期和减少每个工件的加工工序。但是,使用这种刀具系统要求编程员和操作者都必须重新考虑加工工艺,并应重视一些使用其它刀具时可能无须考虑的细节问题。 模具加工车间使用全套装有晶须增强陶瓷刀片的硬铣削刀具系列(包括铣削表面、型腔和轮廓的可转位刀片),就能将淬硬的毛坯粗加工成一个零件并在一次安装中完成精加工。采用陶瓷刀片的铣刀(从大型面铣刀到小直径立铣刀都采用可转位陶瓷刀片)能够实现安全的高速铣削。使用为硬铣削设计的陶瓷刀片铣刀进行高速切削时,确保刀片夹持的安全性非常重要。

高速铣刀是基于陶瓷刀片铣削速度下的安全性和再现性来开发的。目前所用的晶须增强陶瓷的熔点超过2000℃,这就意味着陶瓷刀片能够以远远高于硬质合金刀片失效点的切削速度进行加工。实际上,晶须增强陶瓷刀片能在高于硬质合金刀片熔点的温度下正常工作。用陶瓷刀片进行硬铣削加工时不推荐使用冷却液,但建议使用空气冷却法,尤其在型腔铣削中,以避免切屑的二次切削。减少冷却液的使用及废液处理费用也是在硬铣削时使用陶瓷刀片可获得的额外好处。

使用陶瓷刀片降低加工成本

使用陶瓷刀片硬铣削能以多种途径帮助模具加工车间降低生产成本。首先,可以用一道工序替代多道工序。使用陶瓷刀片硬铣削时,可以先对钢件淬火,然后在淬硬状态下对工件进行铣削加工,从而取代过去加工→淬火→再加工的三道工序。通过减少在不同加工阶段安装和搬运工件的时间,可以缩短加工周期和改进作业路径。此外,用陶瓷刀片粗铣淬硬工件还能避免昂贵而费时的EDM(电火花机床)加工,无需制作一个或多个电极。

第二,陶瓷刀片能够以比传统硬质合金刀具高得多的速度加工淬硬钢。将较高的加工速度、适当的进给率和正确的操作节拍结合起来,可使加工车间获得令人印象深刻的金属切除率。硬铣削时提高生产率的另一个关键因素是刀具的刀齿密度。刀具上每增加一个刀齿都会增大交叉进给率。更高的切削速度加上更大的进给率,带来的结果是加工周期的缩短和资金的节约。

第三,经陶瓷刀片粗铣后获得的加工表面常常可以减少精铣加工余量,从而减少精铣加工和抛光处理所需的时间。用硬质合金刀片以相对较小的进给率铣削淬硬钢时,通常可得到良好的表面光洁度,但很多时候,用陶瓷刀片粗铣加工的表面光洁度甚至优于要求的加工光洁度。在某些情况下,额外的精铣、磨削和抛光加工都能省去,从而节约大量工时。

陶瓷刀片在硬铣削加工中的应用

用陶瓷刀片进行硬铣削加工时,基于材料硬度选择适当的铣削速度和进给率是两个至关重要的因素。不幸的是,切削深度、切削宽度以及刀具导程角通常都被人们所忽视。对这些因素如何影响刀具寿命的基本认识可以使金属切除率大不相同。如果刀具在不适当的切屑负荷或低效率的切削速度和进给率下进行加工,牺牲的不仅仅是刀具寿命,同时还有生产力。考虑到所有这些因素,可以发现切削参数的微小变化能够造成令人惊讶的生产率变化。

(1)铣削速度

用陶瓷刀片成功实现硬铣削所需的切削速度基于实际的材料硬度(通常在45～65HRC范围内)。随着温度的升高,被加工金属会软化,使切削阻力减少并有助于切屑分离。为了充分发挥晶须增强陶瓷刀片在强度和硬度方面的优势,有必要以足够高的表面速度(SFM)进行加工,从而在切削区产生足以使金属软化的热量,该速度可能高达传统硬质合金刀片切削速度的5倍。

然而,这并不意味着用陶瓷刀片进行硬铣削时必须配备具有50马力和最先进处理器的新型高速加工中心,用陶瓷刀片铣削淬硬材料所需的速度并未超过现代模具制造车间大多数机床的加工速度范围。由于产生的切削力小,加工时的功率消耗实际上也很低。用陶瓷刀片能在车间现有的绝大多数机床上进行硬铣削,这也是它带给工具系统的另一个好处。

(2)进给率

程序设定的每齿进给量与实际形成的切屑厚度之间的差异受到多种因素的影响,在编制淬硬零件的加工程序之前,考虑到这些因素是很重要的。程序设定的每齿进给量可能会因切削条件而大大降低。切削深度、切削宽度以及刀尖圆弧半径或刀具导程角都会对实际形成的切屑厚度造成影响。

实际切屑厚度是切削散热的一个关键因素(切屑必须具有足够大的质量以带走大部分切削热)。当切削深度和(或)宽度小于可接受的水平时,产生的切屑厚度就不足以带走切削过程产生的所有热量。而那些不能被薄切屑吸收的热量总得有个去处,它将传入工件、刀片、刀体以及夹具中。与此相比,让切屑将绝大部分切削热带走效率更高。

进给率以及对实际切屑厚度的影响也与刀片的切削刃直接相关。对于大多数陶瓷刀片,都需要采取一些保护切削刃的措施,例如采用负倒棱(通常称为“T形棱带”)加上对刃口进行轻微钝化(0.0005″～0.001″)。由于晶须增强陶瓷刀片的切削刃强度高,因此刀片只需采用很小的负倒棱(0.002″～0.004″)即可实现对难加工材料的硬铣削。负倒棱可以改变切削力的方向使其传入刀片本体,使切削刃处于压应力状态,从而有助于强化刀片。用陶瓷刀片进行硬铣削时,必须考虑切削刃的状态,以确保实际进给量等于或大于刀片上的负倒棱。如切屑太薄,正好作用于刀片最薄弱的切削刃部位,容易造成刀片早期失效。

(3)导程角对切屑厚度的影响

在很多情况下,陶瓷铣刀都要求有一个导程角,而圆形刀片的使用则更为普遍。刀具的导程角会使加工程序设定的切屑厚度减小,减小的百分比很容易计算出来。例如,采用正方形刀片、导程角为45°的铣刀的实际切屑厚度仅为编程设定的每齿进给量的70%,因此,为使编程进给率与实际切屑厚度相等,可以将编程进给率加大40%。使用圆形刀片的铣刀也同样适用这一原则。

圆形刀片半径上的导程角根据切削深度的不同而在不断变化,这就使圆形刀片铣刀的切屑变薄量难以计算,这是使用球头立铣刀和牛鼻立铣刀时必须解决的一个常见问题,模具制造业的很多机械工艺师和编程员对切屑变薄的补偿公式都很熟悉。如果考虑使用圆形刀片的陶瓷铣刀(如牛鼻铣刀),并对刀片半径实施切屑变薄补偿,就可以确保形成合适的切屑。采用这种方法,还可使进给率比原编程进给率提高20%～40%,获得的金属切除率也将数倍于硬质合金立铣刀。

结论

虽然硬铣削也许并不能解决所有的问题,但对于那些需要通过改进工艺充分利用每一点生产能力,同时力求将成本降至最低的模具加工车间来说,硬铣削确实值得加以认真考虑。

总而言之,陶瓷刀片硬铣削的各种优势,如缩短加工周期、刀片的可靠性和可转位能力、刀柄系统可重复使用以及卓越的表面精加工能力等,在提高生产力和节约成本方面显示出令人印象深刻的潜力。以更少的成本获得更高的生产力意味着模具车间能够生产出更多的产品,这是一件好事。

虽然几年前人们还认为将陶瓷刀片用于硬铣削对于模具制造业并非最佳选择,但随着技术的成熟和刀具性能的改善,或许如今已到了重新考虑将陶瓷刀片应用于模具加工车间的最佳时机。

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