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铣刀 |
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刀具和模具的硬铣削加工 |
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作者：Horn |
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通常，人们称加工硬度超过56HRC，或者强度超过Rm>2,000牛顿/平方毫米的钢铁材料为硬切削加工。多数情况下，制模或者锻模在预加工之后，要经过渗碳或者淬火。在预加工后，必须预留一定的精加工余量。尤其是加工带有球面或环面形状的工件时，硬铣削更显重要。硬铣削可切削硬度至70HRC的材料，所要求的表面粗糙度通常只有借助于手工抛光才能达到。这是一道很昂贵的加工工序。为了缩短手工抛光所需的时间，必须在铣削时利用具有确定几何形状的刀刃。如在HSC加工中，使表面接近于抛光表面的粗糙度：最大为Rz1的表面质量。
市场上通用的硬金属铣刀不适合在这个范围内切削。解决硬材料的铣削问题，必须满足一些先决条件。例如，一个解决方案是，使用由特种硬质合金基体材料制成的、具有独特的几何形状和相应的涂层的Horn DS铣刀(图1)。这意味着刀具必须具备这三个重要要素。在刀具的制造过程中，必须特别注意这些要素之间的平衡。
图1
硬质合金
硬质合金材料主要是由碳化钨和钴通过粉末冶金制成。其基体的耐磨强度随硬度增加而提高。铣削表面硬度超过56HRC的工件时，只能使用钴含量<10%和颗粒直径小于0.7mm的硬质合金制成的刀具(图2)。
图2
常规的ISO K-M或P类硬质合金刀具不适用于切削更高强度的材料。具有最细的和超微粉粒度的硬质合金，因其硬度、极限强度和韧性高，明显比常规的硬质合金更加适用。
几何形状
在已使用的硬质合金铣刀中，只有极少数可用于硬铣削加工。从机械加工角度来看，铣刀的诸多因素对硬铣削起着决定性的作用。属于铣刀几何形状的因素有：在微米范围内加工的准确度和精密度，Horn DS铣刀刀杆必须达到h5的质量等级。尤其是在刀具切削刃的圆弧部分和副切削刃的之间的过度处要平滑、无转折点出现，以达到最大的切削稳定性(图3)。
图3
切削硬工件材料与切削加工传统的软材料大不相同，因此对硬铣削加工刀具必须设计合适的前角、后角和楔角。
硬切削加工所用的DS型球面、环面和微型铣刀，只能设计成双刃结构型式。球面铣刀的两个主切削刃必须光滑而无过渡段。依据工件材料和硬度，硬切削铣刀横向进给量最大为ap=0.2毫米。在此时，四刃铣刀只有两个刃在进行切削加工。
涂层
约3mm厚的硬涂层可防止硬质合金的直接磨损。事实证明，TiAlN涂层在最高温度为800℃~ 1,000℃时应用效果良好。与未涂层的硬质合金刀具相比，增加硬涂层可提高刀具的表面硬度，并可明显地降低摩擦系数。涂层的重要性在三种要素—硬质合金、几何形状和涂层中与其它要素同等重要。因为它与被切削的工件材料直接接触，因此必须满足其特殊要求。
刀柄
为了达到最佳的使用效果，如为使Horn DS铣刀获得满意的加工效果，必需选用合适的刀柄。每1mm的径向跳动都会降低铣刀的耐用度，并会削弱其使用性能。
带槽的刀柄或者万能弹簧卡头，由于它的径向跳动较大而不适用于硬铣削，使用液压膨胀衬垫或者收缩衬垫能获得最佳效果。这就是在刀具和模具制中要使用Horn刀具，而Horn刀具按照DIN 6535 HA标准，都无一例外地设计成直圆柱形结构型式的原因。追加的夹紧面会破坏刀具的精度，并影响其使用性能。
切削
通常，采用HSC加工才有可能对硬度超过56HRC的工件进行切削。对此，其限制条件是切削速度和温度的综合作用。对于HSC而言，必须在合适的切削速度下测试工件材料的熔点。通常工件材料的熔点高于涂层的最高允许的温度，所以必须小心谨慎。在此最好的警句是“保持刀具冷却”。
这意味着一方面与工件的接触区必须尽可能小，另一方面必须在确定的速度中完成切削加工，使切削刃来不及发热到超过涂层所允许的温度。
正确检测转速尤其重要。为此，必须以实际有效的刀具直径为基础。在横向进给量ap=0.1毫米的情况下，直径为6毫米的球头铣刀，实际有效直径为1.54毫米。为了使切削速度达到200米/分钟，转速必需达到41,000转/分钟。
加工时产生的切屑和随切屑所带有的热量必须尽快排除。最佳的方法是通过主轴直接向切削刃吹压缩空气。按照工件材料不同，压缩空气可夹带少量润滑油。如图4所示，材料为1.2343、硬度为56 HRC的工件，利用少量润滑油能加工出更好的表面质量，因为切屑不会粘附在切削刃上。对于硬切削加工而言，绝对不能使用乳化液。只是一滴水就可能引起温度突变，并会使刀具分解为单一成分。由于温度突变所引起的硬质合金的微小裂纹，将会导致切削刃开裂。在HSC加工情况下，根据刀具直径和转速的不同，这些碎片可能具有相当于从轻武器中射出的子弹的能量。
图4
应用
最早为石墨切削而开发的HSC铣削，不仅意味着高转速和大进给量，而且在众多因素的共同作用下，其应用范围不断扩大。
论述对机床的要求已超出本文所谈及的范围。硬铣削的功率在很大程度上决定于所使用的机床。总而言之，硬切削的概念是和高速机械加工分不开的。(end)
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(3/18/2005) |
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