模具加工刀具材料选择的思量

　　为加工模具和模板选择最有利的加工材料和工具本身的设计一样重要，因为材料涉及工具的可加工性、硬度和期望的表面光洁度。模具和模板中的新材料、材料硬化的新涂料、预硬化处理材料和混合材料的使用等等让制造工程师在最佳切割工具的选择上感到莫衷一是。

　　新的硬质合金球刀，尤其是铣法中使用的球刀，已经改进了其快速并有效地敷设模槽、进行模具削方、勾边以及仿形切削和精加工的能力。能够使用大范围不同刀片几何图形的多功能铣刀的发展现在允许所有类型的铣加工由一个刀片来完成——这样能够获得更大的灵活性，降低成本。

　　一些新的定型铣削系统设计甚至允许用户只改变不同长度调节器刀柄来提供通用性，再加上利用感应加热、夹具及收缩安装切割工具等性能优点的新“收缩配合”夹具技术，深槽工具的同心度和刚性被大大地改善了。这些改进措施给模具制造商提供了比以前能够获得的更好的金属切割选择范围。这里的选项非常多，比如，碳化物刀片制造商拥有20多种不同的碳化物刀片基底，这些碳化物基底能够涂上钛氮化物（TiN）、钛碳氮化物（TiCN）、钛碳化物（TiC）、铝氧化物（Al2O3）、锆碳氮化物（ZrCN）、钛铝氮化物（TiAIN）或者铝钛氮化物等。这些涂料单独涂敷，也可以通过物理涂敷工艺（PVD）或者化学涂敷工艺（CVD）或者允许涂敷70%超薄层的多层CVD工艺混合涂敷。

　　涂料确实在很大程度上改善了磨损阻力、增加了工具寿命并使更高的速度和进料成为可能。PVD和CVD涂料因涂敷的工艺温度不同而有区别。PVD工艺是一种低温工艺，它提供摩擦系数很低的更精细的断裂阻力涂料颗粒结构。因此，有PVD涂层的刀片刃口更锋利。

　　现在，在这个选择清单中又增加了几种陶瓷材料，这时就会发现恰当的选择实际上是多么困难。因此，首先考虑在什么地方为什么发生了刀片故障以及加工不同模具材料一些的一些基本要求，这些可以为具体刀片类型的选择作出参考。

　　故障分析

　　模具制造中所使用的切割工具刀片主要的故障情况是热断裂，然后是裂缝周围的腐蚀、轧件材料（与焊接在工具刀片边上的材料相似）的堆积，最后是边碎裂。轧件材料像H11、H13、D2和A2工具钢容易导致热断裂和工具边的碎裂。

　　机加工过程中使用冷却剂和高给料速度增强了热断裂。传统的CVD涂层碳化物工具通常只局限于对付热断裂阻力。传统的CVD涂料像TiC、TiCN和TiN能提供有限的热阻隔性能但是却有高稳定性、抗氧化和抗化学物的性能。Al2O3或者AlO3/ZrO2合成氧化物涂料可以提供增强了的化学抗磨损能力以及隔热保护能力。这些类型的涂料的不利面是它们有限的断裂韧度特性。通常抗拉应力在高温（～1000℃）CVD涂料中较高。

　　在和氧化物涂层结合使用时，中温（～850℃）多层MTCVD涂料像TiCN或者ZrCN 的抗拉应力较小并且更适合于综合断裂韧度、抗磨蚀阻力、抗化学物磨损和抗热断裂等性能。

　　在过去的5年中，使用以TiAIN合成物为基础的PVD涂料有很多好处。这些类型PVD涂料的高抗氧化性能、高化学稳定性、高热硬度和增强了的隔热性能促进了其在高速（1,000-1,500sfm）机加工领域的使用。毫无疑问，使用PVD TiAIN涂料提高了机加工的生产率。

　　模具材料

　　因为铣削法是模具机加工的主要部分，最好把注意力集中在目前常用的模具材料上。此外，就碳化物级别和涂料来说，多数碳化物刀片制造商的产品相似，因此本质上是通用的。

　　铝

　　对于塑料成型行业中的某些部分来说，铝是优先选择的模具材料。其金属切削率可以比机器钢快8～10倍。近几年，铝生产商已经开发出了更好的高强度材料，其硬度特性范围在158～168布里涅耳之间。在铝上很难加工出非常光滑的表面，因此，完成工序阶段抛光操作就变得比较重要。

　　通常，铣削铝要求粗加工的碳化物级别为C2，精加工碳化物级别为C3。这些是中粒通用目的的铣削级别，这里中粒在要求锐边的粗加工和精加工应用中有着非常优秀的抗磨损性能。每齿走刀量在.004-.014之间时可以获得700-2000sfm。此外，金属陶瓷级别用于要求好的边缘韧力和润滑性的锻铝材料是比较理想的。采用这些级别的陶瓷刀片可以获得1500-2500sfm。对于立铣刀和平面铣刀来说，每齿走刀量一般在.006-.014之间。刀片设计有一个良好的正刀面角以保证碎片尽可能快地离开刃口。

　　多数情况下，唯一的要求是无涂层的碳化物级别。铝很容易切割，提高抗磨寿命使用任何涂料带来的额外费用通常是很难证明是合算的。

　　然而，在作高速机加工时，可以选择使用多晶金刚石硬焊接的PCD刀片，因为它有优秀的表面光洁度，这种光洁度能够在速度提高时产生。

　　铍铜

　　就热传导率特性来讲，铜基合金材料模具能给模具制造商带来很多好处。它们还有从10到40Rc的硬度级别，几乎是铝的两倍。然而，适用于机加工铝的碳化物级别C2在这里也同样适用。建议的粗加工和精加工走刀量和速度都稍微有些少。在330-660sfm之间是比较现实的，每齿走刀量在.003-.008in之间。另一方面，建议刀片设计的正前角最少为7度。

　　P20工具和模具钢

　　P20是一种常用的模具钢，它通常是铬、镍和钼合金。它一般是用大约32Rc的均匀硬度经过淬火和回火处理。采用P20钢可以获得非常光滑的表面光洁度。可是，根据机加工变量和期望的表面光洁度，可使用的刀片级别和涂料种类是可以扩展的。某种涂层刀片或者金属陶瓷因为能够获得更高的走刀量可能是最好的解决方法。对粗加工，建议使用C5和C6碳化物级别，精加工建议使用C6和C7级别。要求碳化物基底的冲击韧性要好——一种兼有TiN涂层CVD的润滑性和TiN/TiCN/ Al2O3/TiN涂层的多层CVD的抗磨损性的基底。还可以使用TiC/TiCN金属陶瓷，因为它有很好的边缘韧力。粗加工可以获得300-600sfm之间的机加工速度，精加工可以获得250-625sfm之间的机加工速度。

　　使用不同的涂料，每齿的走刀量可以在.005-.008in之间。使用无涂层碳化物材料也能够成功，这些材料的边缘韧力和抗冲击强度较好。可是，要求更低的机加工速度在今天真的是不现实了。

　　应该指出的是：更硬的工具钢——比如那些超过45Rc的——今天仍在使用，这都是为了能够生成更好的表面光洁度并消除所有抛光作业。试着使用那些加工P20钢并做走刀量和速度试验的切割工具刀片会是一个很好的开端。

　　不锈钢系列

　　这些包括所有400系列不锈钢。通常，这些不锈钢的硬度范围在50-56Rc之间。这里要求的重型碳化物基底要好。CVD涂料TiC/TiCN/TiN或者TiN/TiCN/ Al2O3/TiN刀片运行良好。此外，PVD涂料TiN与Ti-TiCN涂层金属陶瓷一样有效。照例，都是冲着速度而来。使用CVD涂料能够运行的更快，当然陶瓷金属是最快的——特征是粗加工从360～650sfm，精加工从400～850sfm。每齿在.004～.012in之间时，每齿的走刀量相当稳定。

　　高温合金

　　为了延长模具寿命，模具制造商继续在做更硬的镍基和钴基模型材料试验。这些材料的易加工性一直是一个不利因素。它们非常坚硬，有时硬度达到57Rc。通常，含铝量高的新AlTiN涂料非常有效，因为它们的硬度和氧化稳定性更高。涂料的涂敷采用一种独特的溅射离子工艺，它能浇注一层很厚而且很均匀的涂层。涂层起绝热层的作用，它把产生的热量传到碎片上，而不是刀片上。粗加工速度在80～115sfm之间，精加工速度为90sfm。每齿走刀量在.004～.012in之间。金刚石涂料尚在开发阶段，但是最后也将成为一个选项，它将使这些高温合金材料的机加工更加有效。

　　结论

　　在模具制造商继续使用不同模具材料来优化造型工艺的过程中，这些材料的可加工性和金属切割工艺的经济性也是不断变化的。切割工具刀片制造商将继续开发新的材料、涂料和工艺来改善这些切割工具的抗磨损性能和工具寿命。在使用PVD TiAIN涂料新的微型碳化物级别（<0.4mm）中已经发现了这种情况，这种涂料是针对机加工预硬化处理硬度在54Rc之上的钢材的。此外，为了增加经济效益并适应环保要求，有一种朝向干切割加工发展的趋势。就干切割应用要求的改善热能管理、润滑、低摩擦系数和碎屑去除等问题而言，涂料将发挥关键的作用。比如，一种ZrO2涂料在干式机加工中非常有效，因为其断裂强度很高而摩擦系数很低。

　　多数情况下，永远不会有一种切割工具刀片解决方案是万能的。就不同的机器、不同冷却剂、速度和走刀量以及机加工环境来说，有太多太多的变量，最终的选择权利在你。

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