淬硬模具高速銑削加工刀具技術分析

    模具是技術型產品和典型的非定型產品，每套模具都要進行創造性的設計、加工數控編程、生產準備、機械加工、裝配及試模等階段，所經過的周期較長，特別是其機械加工費時。因此，如何提高生產效率、縮短開發周期、提高模具制造水平、降低生產成本一直是模具制造企業面臨的難題。


    無論是沖壓模具還是鍛壓模具，構成模具型腔的材料一般都是采用高強度的耐磨材料制造（如各種牌號的合金工具鋼和不銹鋼等）。這些材料經過淬火熱處理后的硬度很高，一般可達到50HRC以上，很難用常規機械加工方法進行切削精加工。


    長期以來，對付這類難加工材料的最好辦法就是采用電火花（EDM）特種加工方法，電火花加工存在兩個明顯的缺點：一是生產效率低，二是加工質量難以保證。


     高速切削加工技術的出現為模具制造技術帶來了嶄新的途徑。與電火花（EDM）加工相比，高速切削加工具有生產效率高、產品質量好、能加工型腔較復雜的硬質零件和薄壁零件等優點。因此，自20世紀90年代以來，國外模具工業開始采用高速切削方法進行模具型腔的精加工。


    據統計，目前工業發達國家已有85％模具的電加工工藝被高速切削加工工藝所取代，高速切削加工在國際模具制造工藝中的主流地位已確立。我國在20世紀90年代也開始重視高速切削加工技術的研究與應用。高速切削加工模具的關鍵技術是刀具技術和機床技術。本文分析了淬硬模具高速銑削加工刀具的相關技術。

    2 高速銑削淬硬模具的優點

    在高速切削加工中最常用的加工方法是高速銑削，用高速銑削模具代替電火花加工模具具有如下優點。

    （１）加工質量好
     用傳統電火花加工方法加工模具時，在對工件表面局部高溫放電燒蝕過程中，工件材料表面的物理-機械性能會受到一定損傷，常常會在型腔表面產生微細裂紋，難以保證工件加工質量。高速銑削以高于常規銑削速度10倍左右的切削速度對零件進行加工，毛坯的余量還來不及充分變形就瞬間被切離工件，工件表面的殘余應力非常小。同時，高速銑削過程中機床主軸轉速極高（8000r/min～100000r/min），“機床－夾具－工件－刀具”工藝系統的激振頻率遠遠高于其固有頻率范圍，零件加工過程平穩無沖擊。因此，零件的加工精度高，表面質量好。經過高速銑削的模具型腔，表面質量可達到磨削的水平，故可省去后續的磨削加工工序。

    （2）生產效率高
    由于電火花加工是靠放電燒蝕進行的“微切削”，加工過程非常緩慢，同時，模具型腔表面粗糙度也達不到模具的要求，往往經過電火花加工后還需進行費時的手工研磨和拋光模具，因此這種工藝生產效率極低。在加工中心或高速銑床上切削加工模具，其加工過程本身的效率比電火花加工高出好幾倍。同時，可以在工件一次裝夾中完成型腔的粗、精加工及模具其它部位的機械加工，即實現所謂的“一次過”技術（One Pass Machining）。此外，該技術不需
    要做電極及后續的手工研磨和拋光，容易實現加工過程的自動化。因此，高速加工技術的應用使模具開發速度大為提高。

    （3）能加工形狀復雜的硬質零件和薄壁零件
     由高速切削機理可知，高速銑削時切削力大為減少，切削過程變得比較輕松。高速切削可以加工材料硬度達60HRC以上的淬硬鋼，可以不用切削液，即所謂的硬切削（Hard Machining）和干切削（Dry Machining）。更為突出的是，在高速銑削中橫向切削力很小，這對加工復雜模具型腔中的一些細筋和薄壁（壁厚可小于1mm）極其有利。當然，高速銑削加工模具也存在一定的局限。當工件材料硬度大于60HRC以上，并且具有既窄又深的型腔且倒角和圓角非常小時，高速銑削加工就顯得非常困難，而采用高速銑削和電火花加工的有機組合就可以達到較好的經濟效果。

    3 高速銑削淬硬模具的刀具技術

    在高速銑削加工模具中，刀具技術最關鍵，而且涉及面多，主要體現在刀具材料及幾何參數選擇、刀具的損壞與檢測、刀具與機床的連接技術、刀具的安全性等問題上。

    3.1 刀具材料及幾何參數選擇
    （１）刀具材料
    高速銑削要求高速刀具材料與被加工材料必須有較小的化學親和力，具有良好的熱穩定性、抗沖擊性、耐磨性、抗熱疲勞性，并具有優良的力學性能等。

    目前，用于高速硬銑削的刀具材料主要有聚晶立方氮化硼（PCBN）、陶瓷、新型硬質合金和涂層硬質合金等，應根據模具材料、刀具幾何形狀、切削條件三大因素來選擇刀具材料。

     由于聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具具有很高的硬度和耐磨性，因而適合于高速切削淬硬鋼。在加工硬度低于50HRC的工件時，PCBN刀具形成的切屑為長條形，在刀具表面產生月洼磨損，從而縮短刀具壽命。因此，PCBN刀具適合加工硬度高于55～65HRC的材料。

    陶瓷刀具的成本低于 PCBN刀具，具有良好的熱化學穩定性，但其韌性和硬度不如PCBN刀具好。因此，陶瓷刀具比較適合加工相對比較軟的材料（HRC≤50）。新型硬質合金和涂層硬質合金刀具成本較低，但切削硬度不如PCBN刀具和陶瓷刀具，一般在40～50HRC之間。

    從目前研究情況看，在所有模具高速切削刀具材料中，聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具的性能較好，是進行淬硬鋼模具加工的主要刀具材料。

    （2）刀具幾何參數選擇
    當刀具材料選定后，刀具幾何參數的選擇對刀具的壽命和切削速度有較大的影響，一般應選擇強度盡可能大的刀片形狀，刀尖圓弧半徑也盡可能大。

    與普通銑削相比，高速銑削時前角應小10°，后角應大5°～8°。高速銑削時，根據加工材料不同刀具的合理參數也不同，在加工淬硬鋼時，起重要作用的刀具幾何角度是前角γ0和后角α0。高速銑削時合理的前角γ0和后角α0經驗值見下表。

    表  不同材料的高速切削加工刀具合理的γ0、α0值
    工件材料－γ0－α0
    鋁合金－12°～15°－13°～15°
    鋼－0°～5°－12°～16°
    鑄鐵－0°－１２°
    另外，硬切削的切削力大，除要求刀片強度外，對刀桿強度和剛度要求也高。

    3.2 刀具的損壞與檢測
    （１）刀具損壞
     由于高速銑削刀具價格較貴，刀具的損壞嚴重縮短了刀具的使用壽命，增加了高速銑削加工的成本。因此，控制刀具的損壞，加強刀具的檢測對高速銑削具有重要意義。刀具損壞有磨損和破損兩種情況。磨損是刀具在加工過程中與工件發生接觸和摩擦而產生的表面材料消耗現象；破損是刀具發生崩刃、斷裂、塑性變形等導致刀具失去切削能力的現象，它包括脆性破損和塑性破損。

    刀具磨損是高速銑削中需解決的一個難題。高速銑削時刀具的磨損主要有后刀面磨損、前刀面月牙洼磨損、邊界磨損、微崩刃、片狀剝落、塑性變形等形態。不同加工材料及高速刀具材料的主要磨損形式不同。后刀面磨損是高速刀具磨損的最常見的形式，也是刀具的正常磨損形式，一般用后刀面均勻磨損區寬度VB值作為刀具的磨損極限。后刀面磨損區寬度加大會使刀具切削迅速減弱。前刀面月牙洼磨損主要出現在塑性金屬的高速切削加工中，常發生在切削溫度較高而刀具紅硬性差的切削條件下。邊界磨損常發生在刀具后刀面的刀具、工件接觸邊緣處，形狀為一狹長溝槽。高速切削不銹鋼、高溫合金時易發生邊界磨損。微崩刃是在刀具切削刃上產生的微小缺口，通常發生在斷續高速切削時。

    片狀剝落主要發生在刀具的前、后刀面上，其原因是刀具－切屑、刀具－工件接觸區的接觸疲勞或熱應力疲勞所致。

    （2）刀具的檢測
     目前，刀具檢測主要采用人工檢測、離線檢測和在線檢測三種形式。人工檢測是由工人在加工時憑經驗對刀具的狀態進行檢測；離線檢測是在加工之前對刀具進行專門檢測，并預測其壽命，看能否完成當前的加工任務；在線檢測也稱實時檢測，是在加工過程中實時對刀具進行檢測，并依據檢測結果進行相應的處理。

    3.3 刀具與機床連接技術
     在高速切削條件下，刀具與機床的連接系統是影響加工精度和刀具安全性的重要方面，傳統的標準7：24錐度實心長刀柄結構已不能滿足高速切削的要求，必須研制和開發各種新型結構的刀柄來連接刀具與機床。高速切削條件下，要求刀具系統（刀具、夾頭和刀柄）具有以下特點：

    （１）較高的刀具系統精度
    刀具系統精度包括系統定位夾持精度和刀具重復定位精度，前者指刀具與刀柄、刀柄與機床主軸的連接精度；后者指每次換刀后刀具系統精度一致性。刀具系統具有較高的系統精度，才能保證高速加工條件下刀具系統應有的靜態和動態穩定性。

    （２）較高的刀具系統剛性
    刀具系統的靜、動剛性是影響加工精度及切削性能的重要因素。刀具系統剛性不足會導致刀具系統振動，從而降低加工精度，并加劇刀具的磨損，降低刀具的使用壽命。

    （３）較好的動平衡性
    高速加工條件下，微小質量的不平衡都會造成巨大的離心力，引起機床和加工過程的急劇振動。因此，高速刀具系統的動平衡非常重要。

    為了適應高速切削加工對刀具系統的要求，近十多年來，各工業發達國家相繼研制開發了多種新型結構的刀柄。目前最具有代表性的是德國的HSK刀柄、美國的KM刀柄以及日本的BIG—PLUS刀柄。

    HSK 刀柄由錐面和法蘭端面完成徑向和軸向雙面定位，實現與主軸的剛性連接。當刀柄在機床主軸上安裝時，錐度為1：10的空心短錐柄與主軸錐孔完全接觸，起到定心作用，實現刀具與主軸間的同軸度。此時，HSK刀柄法蘭盤與主軸端面間還存在著約0.1mm的間隙。在拉緊機構作用下，拉桿向左移動使其前端錐面將彈性夾爪徑向脹開，同時夾爪的外錐面作用在空心短錐柄內孔的30°錐面上，空心短錐柄產生彈性變形，并使其端面與主軸端面靠緊，實現了刀柄與主軸錐面和主軸端面同時定位和夾緊的功能。

    KM刀柄是與HSK刀柄并存的1：10短錐空心刀柄，錐柄長度僅為標準7：24錐度實心長刀柄的1/3。由于配合錐度較短，部分解決了端面與錐面同時定位而產生的干涉問題。另一方面，KM刀柄與主軸錐孔間的配合過盈量較高，可達HSK刀柄結構的2～5倍，連接剛度比HSK刀柄高。同時，與其它類型的空心錐柄連接相比，相同法蘭外徑采用的錐柄直徑較小，因而主軸錐孔在高速旋轉時擴張小，高速性能好。

    3.4 刀具的安全性
     高速銑削模具時應對銑刀提出安全性要求。試驗證明，普通銑刀的結構和強度不能適應高速切削的要求。銑刀在高速旋轉時，刀具的各部分承受的離心力已遠遠超過切削力本身的作用，成為刀具的主要載荷。當離心力達到一定的程度時，會造成刀具的變形，甚至破裂，從而造成嚴重的后果。因此，研究高速銑刀的安全性技術，防止由離心力引起的刀具損壞，對高速銑削模具的刀具技術有極其重要的意義。

    德國在高速切削工具系統的方面研究成果為高速切削加工技術的推廣應用作出了重要貢獻。早在20世紀90年代初德國就開始了對高速銑刀的安全性技術研究，取得了一系列的成果，并制訂了ＤＩＮ６５８９－１《高速旋轉銑刀的安全性要求》標準草案，規定了高速銑刀失效的試驗方法和標準，在技術上提出了高速銑刀設計、制造和使用的指導性意見，規定了統一的安全性檢驗方法。該標準草案已成為各國高速銑刀安全性的指導性文件。

    高速銑刀的安全失效形式有兩種：變形和破裂。不同類型的銑刀，其安全試驗方法也不同。對于機夾可轉位銑刀，一種試驗方法是在1.6倍于最大使用轉速下刀具的永久性變形或零件的位移不超過0.05mm；另一種試驗方法是在2倍于最大使用轉速下刀具不發生破裂，包括夾緊刀片的螺釘被剪斷、刀片或其他夾緊元件被甩飛、刀體爆裂等。對于整體式銑刀，則必須在2倍于最大使用轉速條件下試驗而不發生彎曲或斷裂。

    結合高速銑刀安全性標準，通過有限元計算模型的分析，為適應高速銑刀的安全性要求，可從以下幾個方面著手：

    （１）刀具質量和刀具結構
     減輕刀具質量、減少刀具系統構件數和簡化刀具系統結構是提高刀具破裂極限的有效途徑。比較同一直徑刀具用試驗求得的破裂極限與刀具質量、刀具構件數和構件接觸面數間的關系，可以發現，刀具質量越輕，刀具系統構件數量和構件接觸面越少，刀具破裂極限轉速越高。為減小刀具質量，應根據材料抗拉強度與密度的比值以及刀具應用的轉速范圍選擇刀體材料。目前，有采用高強度鋁合金制造高速銑刀刀體。

    在刀具結構上，應注意避免和減小應力集中。刀體上的槽（包括刀座槽、容屑槽、鍵槽）會引起應力集中，降低刀體的強度，因此應盡量避免通槽和槽底帶尖角。同時，刀具的結構應對稱于回轉軸，使重心通過銑刀的軸線。刀片和刀座的夾緊、調整結構應盡可能消除游隙，并且要求重復定位性好。

    （2）刀具（刀片）的夾緊方式
    模擬計算和破裂試驗研究表明，高速銑刀刀片的夾緊方法不允許采用通常的摩擦力夾緊，而要用帶中心孔的刀片用螺釘夾緊，或用特殊設計的刀具結構，以防止刀片甩飛。刀座、刀片的夾緊力方向最好與離心力方向一致，同時要控制好螺釘的預緊力，防止螺釘因過載而提前受損。小直徑帶柄銑刀有兩種高精度、高剛度的夾緊方法：液壓夾頭和熱脹冷縮夾頭。

    （3）刀具的動平衡性
    在高速旋轉時，刀具的不平衡不僅會引起機床主軸系統振動，影響加工精度，同時還會對刀具系統產生附加徑向載荷，其大小與刀具轉速平方成正比。

    由此可見，提高刀具的動平衡性可較大程度地減小離心力，提高高速刀具的安全性。因此，按照《高速旋轉銑刀的安全性要求》標準草案要求，用于高速切削的銑刀必須經過動平衡測試，并應達到ISO1940－1規定的G4.0平衡質量等級以上要求。

    4 結語

    通過對刀具材料及幾何參數、刀具損壞與檢測、刀具與機床的連接技術、刀具安全性四個方面分析了高速銑削淬硬模具時對刀具的要求，只有解決好高速銑削刀具這些問題，才有利于模具高速銑削加工技術的推廣應用。