淬硬模具钢的高效精密立铣加工

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欢迎访问e展厅 展厅 3 铣刀展厅 钨钢铣刀, 立铣刀, 整体铣刀, 盘铣刀, 螺纹铣刀, ... 模具钢大部分是在热处理前进行切削加工，主要为平面铣削及型腔、凸模、沟槽等的立铣加工，切削加工后再进行淬火、回火等热处理，此时硬度可达到HRC50～60甚至更高。高硬度可保证模具的耐磨性，延长其使用寿命，但热处理后零件易变形，材料变硬，加工性能变差，为了达到最终精度要求，只能采用磨削甚至手工研磨等方法进行精加工。这种加工方式效率低、周期长、交货迟、成本高，难以满足客户需求。当前，事实上已形成了这样一种局面，哪家公司能高效加工模具，缩短交货期，降低相应成本，就能扩大市场，扩大销售，在竞争中取胜。 为了满足以上要求，人们改变了思路，是否在材料热处理淬硬后也能用刀具进行切削加工，特别是各类型腔、型面等是否也能用立铣刀加工，使其不但用于半精加工，甚至用于精加工，实现部分或完全“以铣代磨”。刀具切削在单位时间对零件的切除体积量远远大于砂轮磨削，即其加工效率远远高于磨削，且在设备投资、占地面积、环境保护、降低总成本等多方面可带来诸多经济与社会效益。下面介绍整体立铣刀为适应切削淬硬钢的要求而做的改进。 刀具材料的开发与创新：CBN材料开始用于立铣刀 近年来，说起以车代磨、以铣代磨加工淬硬钢，通常首先想到运用立方氮化硼（CBN）刀具材料，CBN的微粒硬度达HV8000～9000，其烧结体PCBN的硬度可达HV3000～5000，耐热性达1400～1500℃。PCBN在800℃时硬度还高于陶瓷与硬质合金的常温硬度，故可以硬质合金3～5倍的切削速度进行切削，且其化学稳定性好，在1200～1300℃高温下，也不会与铁系材料发生化学反应，与碳也是在2000℃时才会发生反应。CBN对各种材料的粘结、高温时的扩散作用也比硬质合金小得多，因此特别适合加工钢铁材料。CBN的导热性为硬质合金的20倍，仅次于金钢石，且其导热性随着温度的提高而增强。CBN与不同材料的摩擦系数仅为0.1～0.3，且随着切削速度的提高，摩擦系数会下降，而硬质合金的摩擦系数为0.4～0.6。 三菱材料公司较早开发了CBN材料的立铣刀，其CBN-2XLB型R1x5球头立铣刀（即球头半径为1mm，颈长为5mm）可以20000r/min的转速、1700mm/min的进给量、0.05mm的切深（背吃刀量）铣削60HRC的SKD11模具钢。切削了800米以后，后刀面仅磨损0.03mm。若将切深提高到0.1mm（即在较高切削负荷下），在切削了400米以后，后刀面磨损高度仅为0.022mm。由于其球头精度高（R公差为±5μm，外径公差0～10μm），加工精度很高，为保持同样的高精度，一把CBN高精度球头立铣刀所能加工的表面，若换用相同精度的硬质合金球头立铣刀，则需要7～8把。 在切削淬硬模具钢时，若选择CBN材料，虽然价格较贵，但因切削速度高，可以缩短加工时间，延长刀具寿命，提高产品质量，因此可能具有更好的经济性。 当然，如果脱离实际加工条件，一味选用新型刀具材料，也可能会增大加工成本（CBN刀具的价格约为硬质合金刀具的6～10倍）。另外，使用新型刀具材料时，若切削条件选择不当，也会影响加工质量与刀具寿命。因此，应对整个加工任务进行评估，综合权衡生产批量、加工时间、机床和刀具性能，在保证加工质量的前提下，在切削速度较低等条件下，也可以选用价格较低的涂层硬质合金刀具，同样可以实现较好的加工效果。 涂层技术与硬质合金材料的新发展 根据不同的使用要求，淬硬钢的硬度通常可达HRC45～68。为了顺利切削加工工件，切削刀具的硬度通常需要达到被切削工件硬度的3～5倍以上为宜。涂层硬度常用维氏硬度（Hv）测定，以三菱公司的产品为例，其TiN涂层立铣刀硬度为Hv1900，采用（Al，Ti）N涂层的Mstar系立铣刀硬度为Hv2800，采用(Al，Ti，Si)N涂层的VC型立铣刀的硬度为Hv3200，最近开发的Impact Miracle纳米级（Al，Ti）N涂层VF型立铣刀，其硬度进一步提高，达到Hv3700，可以说接近了PCBN的硬度值。其氧化开始温度与涂层结合力也进一步提高，摩擦系数则不断下降。以HRC值单纯与Hv值相比的话，HRC68大约相当Hv940，虽然各硬度值的提高与对比并非线性关系，但可看出，（Al，Ti）N涂层Mstar立铣刀已可以切削淬硬钢，而硬度和氧化开始温度更高的Impact Miracle涂层VF系列立铣刀可获得更佳的加工效果。 Impact Miracle涂层VF系列立铣刀的切削实例： （1）用VF-2SB R1球头立铣刀加工高速钢SKH51（M2）模具（硬度HRC65），切削用量为：转速20000转/min，进给速度6000mm/min， 0.15mm/齿，背吃刀量0.07mm，侧吃刀量0.2mm，风冷。切削长度达30m后，刀具仍未损伤。 （2）用VF-MD φ6直角头立铣刀加工模具钢SKDII（HRC60），切削用量为：转速8000转/min，进给速度2160mm/min（0.045mm/齿），风冷。切削长度达100m后，刀具仍未损伤。 （3）用VF-2SB R3球头立铣刀加工热加工用压铸模（材料为DH315，硬度HRC52），切削用量为：转速16000转/min，进给速度1600mm/min，每齿进给量0.05mm/齿，背吃刀量（切深）2mm，侧吃刀量0.2mm，顺铣，风冷。尽管该材料韧性很大，但在切削120多米后，刀具才出现损伤。 （4）用VF-2SB R1球头立铣刀切削HRC68以上的粉末冶金高速钢模具，切削用量为：转速8000转/min，进给速度1260mm/min，每齿进给量0.08mm/齿，背吃刀量0.2mm，侧吃刀时0.07mm，风冷，顺铣。切削长度可达50米以上，比一般立铣刀寿命提高数倍。 （5）用VF-2SB R10球头立铣刀加工模具钢SKDII（HRC60），切削用量为：转速1200转/min，进给速度240mm/min，每齿进给量0.1mm/齿，背吃刀量可高达8mm，侧吃刀量0.5mm，顺铣，风冷。在如此大切深条件下，仍可切削30米，为老产品的3倍。 （6）用长颈VF-2XLB R1×20球头立铣刀加工模具深型槽，材料为SKDII（HRC60），切削用量为：转速10000转/min，进给速度1000mm/min，每齿进给量0.05mm/齿，风冷，顺铣。往复切削长度可达20米，比其它类似产品寿命提高一倍。 （7）用VF-MD直角头立铣刀同时加工硬度达HRC60的淬硬钢侧面与底面，切削稳定，可获得良好的表面质量，切屑形态、色泽正常，切削速度为151m/min，每齿进给量0.1mm/齿，其底刃的耐缺损性、外周刃的耐磨性均良好。 （8）用圆弧头立铣刀VF-MDRB以切削速度50m/min、每齿进给量0.05mm/齿、切深0.5mm、切宽8mm加工SKDII（60HRC），顺铣，风冷。切削长度8米后，刀具几乎无损伤。 表 IMPACT MIRACLE 涂层的特点 Impact MIRACLE (Al，Ti，Si) N （Al，Ti）N 硬度 3700HV 3200HV 2800HV 结合力 100N 80N 80N 氧化开始温度 1300℃ 1100℃ 840℃ 摩擦系数 0.48 0.53 0.58 立铣刀基体硬质合金颗粒超微细化 立铣刀刀齿在加工时，反复承受冲击载荷，因此必须具有足够的韧性。在切削淬硬材料时，切削力大，更应提高韧性。如今，涂层的硬度越来越高，涂层保证了切削淬硬钢时刀具的耐磨性，而可切削性、韧性更多则是依靠基体材料来保证。涂层硬质合金立铣刀的基体材料主要是韧性高、抗振性好的K类硬质合金（主要成分是WC）。为了提高韧性，要使WC结晶颗粒细化，涂层表面越硬，越应使其基体晶粒细化，加工淬硬钢的性能也越高。Impact Miracle涂层基体材料的晶粒度可达1μm以下，使其耐磨性与韧性同时提高。 为适应淬硬钢加工，立铣刀结构的改进 图片说明： VF立铣刀的结构改进 (VF-2SB IMPACT MIRACLE 球头铣刀 R0.1-R10mm 共34种尺寸规格 VF-2XLB IMPACT MIRACLE 长颈球头立铣刀 R0.1-R3mm，共119种尺寸规格 VF-SD IMPACT MIRACLE直角头立铣刀 ?-?2mm 共12种尺寸规格 VF-MD IMPACT MIRACLE直角头立铣刀 ?-?5mm 共18种尺寸规格 VF-SDRB（new） IMPACT MIRACLE圆孤头立铣刀 ?-?2mm 共13种尺寸规格 VF-MDRB（new） IMPACT MIRACLE圆孤头立铣刀 ?-?0mm 共21种尺寸规格) （1）球头立铣刀结构的改进：使二主刀刃在顶刃中心构成一点，以免生成横刃，以降低切削力，改善中心部切削性能，消除啃挤现象，有利于形成并排除切屑，球刃与外周刃间应圆滑过渡，不产生接痕。 （2）直角头立铣刀与圆弧头立铣刀在底刃上的改进：使底刃位置错开，便于制造，改善底刃中心部切削条件；并改善槽形以利排屑；刃部倒圆可提高刃口耐破损性，以适应切削高硬度材料。（上图） （3）为提高寿命，增强刚性，特别设计了VF-2SSB型短刃立铣刀，全长亦较短，是适合套式夹紧刀柄的立铣刀。（上图） （4）为了实现“以铣代磨”，达到磨削的高精度，必须提高立铣刀自身的精度。三菱的高精度球头立铣刀，球头半径R精度达±0.002mm，直径精度0～0.01mm。圆弧头立铣刀转角部分圆弧R精度达0～±0.01mm。若在直径公差范围内对整批立铣刀产品按尺寸公差分段划分若干组，则分组尺寸公差必然缩小，可使各组立铣刀加工精度提高，以这样高精度的立铣刀，精加工模具侧面可达到±0.005mm的高精度，从而实现用立铣刀高效高精度加工模具，完全免除了磨削加工。(end)

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