应用先进刀具技术 提高模具生产效益

　　在美国的模具制造业，始终保持技术领先可能就是赢利大户与一般企业之间的区别。虽然可以采用各种策略来增加企业赢利，但其中最容易提高企业效益的策略是采用先进的刀具技术。本文将介绍和分析刀具技术的最新发展动向，以期对模具制造企业提高刀具技术水平有所裨益。   

　　要想提高刀具技术水平，具备可靠的刀具技术实用基础知识十分重要。决定切削刀具质量好坏的核心要素是刀具基体、刀具几何参数和表面处理技术。在这些要素中，有一些特性对于模具的切削加工至关重要。   

　　刀具基体  

　　关于刀具基体我们需要了解一些什么呢？如果不难做到的话，你不妨拿起手边的硬质合金刀具铣削一下H13或D2淬硬钢工件。正如大多数模具制造商都知道的，并非所有模具钢的性能都完全相同。事实上，如果你曾经体验过从切削P20到切削D2淬硬钢的变化，你就能正确理解本文讨论的内容。这一点非常关键，因为它同样适用于硬质合金基体材料。根据定义，硬质合金材料实际上可分为4种类型(见下表。数据来源：OSG Tap & Die)。   

　　硬质合金的分类表  

　　硬质合金分类－晶粒尺寸   

　　微米晶粒硬质合金－1.0～1.3μm   

　　亚微晶粒硬质合金－0.6～0.9μm   

　　超细微晶硬质合金－0.4～0.5μm   

　　纳米系列微晶硬质合金－0.1～0.3μm   

　　硬质合金晶粒的尺寸越小，硬质合金基体的硬度就越高，其耐磨性也越好。再进一步细分，硬质合金基体包括两个关键特性：韧性和硬度。   

　　(1)韧性   

　　基体的韧性定义为基体材料碎裂前施加于其上的径向力大小(N/mm)。通常以横向断裂强度(TRS)作为表示基体韧性的度量指标。   

　　(2)硬度   

　　硬度可以简单地通过对一个坚硬的测头施加精确载荷时在给定被测材料上留下的压痕大小来测定。材料越硬，抵抗变形的能力就越强。  

　　硬质合金基体中的钴含量直接影响材料的横向断裂强度(TRS)和硬度。钴是硬质合金中主要的粘结剂元素。增加钴含量可以提高基体材料的韧性(TRS)，但同时会因硬度下降而降低材料的耐磨性。反之，如减少钴含量，材料的硬度和耐磨性将提高，而韧性则会下降。   

　　高水平的切削刀具制造商研究和掌握了各种基体材料的性能差异后，就可以采用不同的基体材料为不同的加工用途(从容易翘曲的铝材加工到淬硬模具钢的高速铣削)设计制造独特的刀具。 

　　刀具几何参数  

　　新型高速机床加工技术的出现对刀具性能也提出了更高的要求，这些刀具在高主轴转速和高进给率的加工条件下应保持稳定的切削性能。如今在高速/高硬铣削加工领域，普通硬质合金刀具的市场空间已越来越小，虽然此类刀具并非已完全退出市场，但目前市场流行的先进机床已不再使用20年前甚至10年前设计的硬质合金刀具，因为市场已经完全变化了。在硬铣削加工领域，刀具几何参数的设计必须满足刚性和精度两方面的要求。   

　　对于整体圆形刀具而言，反映刀具刚性的主要指标是芯径尺寸。立铣刀的标准芯径为其直径的50％。由于硬铣加工对刀具刚性的要求更高，采用的芯径尺寸占到直径的60%～70%，从而牺牲了一部分容屑槽空间，获得的回报是刀体质量增大，刚性提高，在铣削淬硬材料时可为切削刃提供更好的支撑。由于切削深度很少超过刀具直径的10%，因此容屑槽空间的减小不会成为太大问题。   

　　在三维铣削加工中，刀具的“精度”通常是指“径向精度”。球头立铣刀的径向精度可以反映模具型腔和型芯加工完后尚需进行手工修磨的程度。高质量的球头立铣刀每隔10°就要检测一次径向精度，而普通立铣刀的精度检测常常要宽松得多，其结果是加工时刀具的误差被传递到工件上，增加了额外的手工修磨工时。  

　　刀具的表面处理  

　　高速切削和硬铣削的加工原理导致加工中产生的切削热稳定升高。因此，标准的PVD涂层(如TiN或TiCN涂层)已不再具有优势，TiAlN涂层无疑成为最佳选择，其首要原因是TiAlN涂层具有较高的氧化温度，使其更适合于切削温度高而稳定的加工场合。由于温度的升高，TiAlN涂层中包含的铝上升到刀具表面形成一层氧化铝薄膜，这层薄膜提供了更好的润滑性并扩展了刀具性能。通常TiAlN的氧化温度约为800℃。在硬铣削加工中，多层TiAlN涂层的刀具寿命可比单层TiAlN涂层提高约35%～50%。  

　　刀具基体、几何参数和涂层的技术创新  

　　加工实践表明，通过应用切削刀具在基体材料、几何参数和表面涂层方面的创新技术，推动了模具加工技术的迅猛发展。   

　　(1)新型刀具基体材料(微型工件的硬铣削)   

　　传统工艺：使用直径3mm以下的硬质合金球头立铣刀铣削淬硬工件(如D2或CPM-9V，硬度范围HRC59～62)，加工十分吃力。在很多情况下，也使用相同的刀具来完成精加工。由于刀具直径相对于工件尺寸非常小，以至于铣削时间通常要超过1～2小时。   

　　新工艺：磨制的CBN球头立铣刀是为硬铣加工而开发的新一代刀具。与TiAlN涂层硬质合金立铣刀相比，刀具硬度从Hv2800提高到Hv4500，这就意味着CBN刀具寿命可达到硬质合金刀具的5～10倍。如今，磨削技术的进步使得CBN刀具螺旋刃的磨制成形成为可能，而过去因为磨削时砂轮易变形，CBN螺旋刃的精确刃磨曾被认为难以实现。以前只有采用铣刀片和车刀片才能实现对硬度达HRC70的淬硬钢精加工，如今采用CBN整体圆形刀具也能完成，其结果是可降低刀具的长期成本，改善加工表面光洁度和消除因更换刀具引起的刀痕。   

　　(2)刀具几何形状设计新技术(例1：低主轴转速、高进给率加工)   

　　传统工艺：由于无法达到获得更快切削速度和更大进给量所必需的主轴转速，缺少高速机床(主轴转速15000～40000r/min)的模具生产车间只好被迫牺牲加工循环时间，从而导致生产效率低下，无法与采用高速机床的同行进行市场竞争。   

　　新工艺：采用专利技术设计的新一代刀具可以实现低转速/高进给铣削加工。这种新的刀具几何形状设计采用了三维负切削角，其负前角沿切削刃的长度从小到大不断变化。   

　　这种新的刀具几何形状设计使人们不必再为需要采用可变螺旋角立铣刀以消除加工中的谐振而烦恼。这些新型立铣刀采用相同的螺旋角及分度，但其切削角在逐渐变化，以减小切削力(载荷)和切削热。这种三维复合切削刃实质上采用了径向切屑减薄的概念，因此产生的切屑更小，并能承受更大的切屑载荷。这种新设计与增加排屑槽相结合，使刀具能够采用更高的进给率而不必像过去那样必须提高主轴转速。这种刀具是为那些拥有适用控制技术(预判软件)和主轴转速在4000～12000r/min范围内的加工机床而设计的。  

　　这种切削形态的另一个重要优点是即使当刀具悬伸量加大或在毛坯加工余量较大的情况下仍能保持恒定的加工载荷，这就意味着可以减少半粗、半精加工所需的刀具，相当于在加工大型模具时节约了宝贵的时间和加工成本。模具制造商在使用主轴转速低于15000r/min的机床加工时，再也不会局限于较低的金属去除率了。   

　　(3)刀具几何形状设计新技术(例2：模架水线的加工)   

　　传统工艺：模架水线的加工通常采用枪钻或镶硬质合金钻尖的钻头。在使用高压冷却液的条件下，钻头以1～2″/min的低进给率钻进，并需不断地提钻啄击，以保证切屑的排出。采用这种传统工艺，钻削一个9″深的7/16″水线需要90秒钟才能完成。   

　　新技术：专门为加工模具水线而设计的整体硬质合金内冷却麻花钻可在无需提钻啄击的情况下加工长径比达30倍的深孔，进给率可高达18～30″/min，从而可将加工时间由原来的数分钟缩短到几秒钟。此外，刀具寿命延长，表面光洁度改善，加工精度可稳定保持在0.001″以内。   

　　这种新一代内冷却硬质合金麻花钻采用了特殊设计的槽型和减薄的钻尖，以产生细碎的切屑并能顺畅排出，从而可使从孔顶到孔底的钻削扭矩始终保持恒定。   

　　(3)表面涂层处理新技术(加工硬度HRC50以上的淬硬模具钢)   

　　传统工艺：硬度HRC50以上的淬硬模具钢通常采用TiAlN涂层硬质合金刀具加工。迄今为止，许多模具加工车间对于硬铣削刀具技术感到相当满意，目前市场上最好的刀具一般能以高达400sfm的表面切削速度铣削硬度HRC60的淬硬材料。但是在模具加工行业，进一步提高切削速度的限制总是来自于刀具涂层难以承受因切削速度提高引起的高温而失效。如前所述，TiAlN涂层的氧化温度约为800℃，超过这一温度涂层就会破损，刀具自然会随之失效。   

　　新工艺：采用纳米涂层技术开发的新型多层TiAlN涂层突破了传统TiAlN涂层的性能限制，其氧化温度提高到了1350℃。此外，这种纳米涂层的表面硬度也由传统TiAlN涂层的Hv2800提高到Hv3600。   

　　纳米涂层技术的优势就是在加工淬硬钢时因为允许切削速度的提高而可以充分利用更高的主轴转速。纳米涂层的切削速度(525sfm)比普通TiAlN涂层的切削速度(400sfm)提高了30%～45%，从而可转化为更快的加工循环而勿需牺牲刀具寿命。   

　　结语   

　　在美国，模具制造商之间的竞争非常激烈。虽然与三年前相比，模具企业的运营状况已经有了明显好转，但事实证明，在美国模具制造业不断发生变革的今天，只有那些始终站在技术研发前列的企业才会持续兴旺发达。   

　　现在应该重新审视那些曾经认为已十分优化了的刀具策略，以确保其始终处于技术领先地位，认识到这一点非常重要。本文提及的先进刀具技术表明，在刀具新技术方面的最小投资能使生产率、刀具寿命以及最重要的——生产效益获得巨大的增长。

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