模具高速铣的刀具方案

前瞻

　　什么是将来的抓手？一个确定的事情是更高的切削速度。主轴转速在60000到80000之间的几种加工中心的模型将不久推出，驱动马达的功率在100马力以上。(约略的估计是1马力一定至少提供主轴转速1000rpm。)不用说，这些快速有力的机床将对机床制造商在很多领域安置新的需求，包括安全性(经常被忽视的)。当前，取决于刀具的直径，例如山高小魔王系列的球头立铣刀能安全地运行在切削速度高到大约每分钟3600米。但是这是一个可能不被很多其它的小直径刀具匹配的标准，尤其是那些中心锁紧螺钉或用于刀片固定的压块设计。虽然你的机床可能具备高速加工能力，但你不能自动地假定你的刀具也具备这样的能力。确信这一点是重要的。

　　今天，在美国的数以千计的加工企业从事用于模板、压模或冲模等似乎是无极限的消耗品和工业产品硬工具的加工。为了适应关于更高工具质量的客户期望和竞争压力，更短的转向时间和更低的成本，许多模具工厂正升级他们的针对高速精加工能力的工艺。这种途径的主要好处是已加工表面光洁度的成果是好到足以明显减少或甚至消除手工抛光或在钳工台上其它手工精加工处理。这些辅助操作通常占整个制造时间的25~30%。

　　模具的高速精加工依靠今天的机床的主轴速度能力是部分可行的。不管使用的设备是小型立式加工中心还是最新的大型卧式加工中心，主轴速度上到每分钟10000转现在能很平常地获得。这种速度很容易地被今天的刀具安全夹持方式所承受，这些夹持方式结合精密弹簧夹头或热胀刀柄、机械或液压夹头。一个同等重要的模具高速精加工概念是刀具高进给率。和更高的转速结合在一起，在获得良好表面光洁度所需的小切深和小步距(歧点高度)条件下高进给率产生极佳的加工结果。目前应用在淬硬到洛氏55度模具高速铣的山高公司刀具能正常地以每分钟1200毫米的进给下运行，使用PVD涂层细颗粒硬质合金刀片可获得0.63微米的光洁度。轴向和径向切深分别是0.05毫米和0.25毫米。

刀具选项阵列

　　为迎合大多数模具加工的要求(包括高速精加工)，山高推出一种通用的分体式可转位铣刀新包装。这种分体式铣刀包括价格适中的钢制刀杆和螺纹旋入的各种型式的切削刀头。提供标准设计的用于粗加工和半精仿形球头刀头和一种用于大切深或侧面铣削的玉米刃型式的球头刀头。后面这种设计，刀头上的周边刀片排列成螺旋刃形式，粗加工时对很宽范围的模具材料里提供很平稳、避振的切削。山高的这种设计还在标准的刀杆式球头立铣刀扩充系列里提供。在新的分体铣刀系列里还提供针对直壁零件高效高速精加工的120度球头和能在高金属切除率仿形粗加工的纽扣型式刀头。

　　为了完善模具刀具的系列，山高提供小直径球头立铣刀(10毫米到16毫米)，特别设计用于高速精加工，它是受欢迎小魔王模块化立铣刀系统的一部分。这些刀具容易组装，通过简单地把精密磨削的硬质合金刀片旋入一种可重复使用价格适中的钢制刀杆。

直壁零件的高效高速精加工

　　直到现在，直壁零件已经成为生产上的模具高速精铣的绊脚石。在每一次向下撞击后传统的90度球头立铣刀通常使得加工的那些零件缩回，中断了加工循环并使刀受摩擦影响而引起刀片磨损。山高对于这个问题已有解决方案，在刀杆和刀片干部前延伸一个120度切削刃的切削头。这种设计的刀使得背部的切削刃同正面的切削刃一样能进行切削，允许在一系列连续的下行和上行中切除金属。这不仅提供了一个不间断和更快的加工循环，还消除了刀的摩擦和由此引起的刀片磨损，获得更长的刀具寿命和更好的表面光洁度。

针对大金属切除率的按钮式立铣刀

　　在模具应用里的术语‘高速加工’实际上意味着两个不同的方面。首先，它意味着在很高的主轴转速和超高的进给率的精加工保证加工后表面光洁度好到足以明显降低或甚至消除在钳工台上的辅助手工精加工。另外，这个术语还指在加速的金属切除率下进行重粗加工。

　　在这个意义上，所谓的‘按钮’立铣刀作为一种重要的新刀具已经出现了。这种立铣刀的典型特征是很厚的设计有山高专利的提供极佳强度和安全性的集成刀垫的圆刀片。组合特殊的正角槽形，它们能承受很高的金属切除率。

　　在山高自己的用于模具应用的分体式铣刀里提供能用于仿形粗加工的按钮刀头，在加工深的封闭型腔时其金属切除率四倍于今天的球头刀。山高已经发展了这些刀具作为封闭型腔粗加工的一个选择(有这样的目标去延伸其使用范围但不是定义)。对传统球头立铣刀满意的工具制造者可继续使用原来的刀。但是更多的积极进取的工厂可能想要考虑用于重粗加工的按钮式立铣刀带来的好处。在封闭型腔加工时，它们不仅能更高效地切除金属，通常还能提供比球头刀更长的寿命，这是因为有时在这些应用里有严重的摩擦。

针对淬硬材料的锋利切削刃

　　所有的山高小魔王模具刀具利用PVD涂层的细颗粒硬质合金可转位刀片，它有精密磨削过的两个有效切削刃。这些刀片的一个显著特性是它们超锋利的切削刃--这体现了一种不同于传统上认为在很高的进给率下需要用超强的切削刃抵抗淬硬材料观点的创新思想。

　　在研发这些刀片时，山高把重点放在高生产率下获得良好表面光洁度所需的高速高进给的自由切削槽形。在小的轴向切深和极小的径向切深使得步距最小化，锋利的切削刃对穿透淬硬工件材料和直接利用自由切削是必须的。正是这种槽形使得依次提供高生产率、可靠的刀具性能和良好的刀具寿命成为可能。山高还提供用于淬硬模具钢高速粗加工和精加工镶焊PCBN的小魔王球头立铣刀。这里主轴必须倾斜30度以防止在刀鼻处的零速度。

其它的发展和思考

　　除了刀具的发展，许多其它的发展支持模具加工生产率的新水准。一个例子是CNC卧式加工中心，它正迅速替换用于模具和航空工业的传统立式CNC加工中心。卧式的主要好处是允许自然的排屑，很大地减少封闭型腔加工的切屑再切削问题。

　　另一个发展已允许球头立铣刀的性能提高。这是一种首先由欧洲推出的调整技术，因为考虑刀片中心的零切削速度所引起的摩擦。为了消除摩擦和由此引起的光洁度变差及刀片快速磨损，一种增长的操作是把机床主轴倾斜30度，使得刀鼻处移至一个有效切削直径而获得有效的切削。

　　还有其它的发展，对于生产模具、消除粗加工需求，计算机生成接近最终外形的铸件正在欧洲被广泛使用。虽然竞争压力肯定不可避免地在世界范围内延伸这个技术，但在美国和加拿大的模具工厂几乎持续排外主义地用整体硬质合金刀具加工他们的工具。对于现在，那提给予对粗加工刀具的创新更重要，如玉米刃、球头和按钮式立铣刀能以显著更高的进给率切除淬硬材料。

　　对于模具加工里所有的高速应用，注意力也一定要有一些更远的考虑。例如必须牢记高速主轴在提高切削速度的同时允许进给率大幅提高。这使得使用小直径刀具能用于粗加工也能精加工成为可能，在同样的时间获得相同或更好的生产率的同时允许更接近的近似值来得到最终外形。基于选择正确的刀杆设计，刀具平衡还对于防止过量的振动和由此的能对刀具寿命、表面光洁度、尺寸精度甚至是主轴寿命有不良影响的刀具跳动是重要的。

　　还有其他关于CNC机床的考虑。为了在很高的速度和进给量下有效加工模具的复杂雕刻表面，使用的机床应该是有‘前瞻’功能的CNC。这是在正执行的运动之前扫描100到120行机床将要执行的程序块的能力，其结果是控制能对刀具轨迹和角度变换得出优化的进给率。用这个方式，机床能在加工复杂表面时维持高速和高精度，可能除了那些深型腔和复杂的外形。

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