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高速銑削淬硬模具鋼的工藝性和經濟性研究
發布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司
更新時間：2012-08-14
? ? ? ? 高速加工機床及其刀具技術的最新發展使得在模具和零件制造領域實現“以切代磨”成為可能，用超硬刀具高速切削淬硬模具鋼等難加工材料已得到越來越廣泛的應用。由于模具或零件的高速切削加工可免除磨削或拋光等后續工序，因此精加工時如何保證工件最終表面質量同時將加工成本控制在可接受范圍之內是研究人員關注的重要問題。本文在調查的基礎上分析了用于高速銑削淬硬模具鋼的整體硬質合金涂層立銑刀的切削性能和經濟性，并給出了部分應用實例。
1.引言
高速切削加工(High-Speed Cutting, HSC)是先進制造技術的一個重要組成部分，其主要優點是可實現加工的高效率和高品質。近年來高速切削加工技術在世界主要經濟發達國家(如德、英、美、意、日等)發展迅猛，這些國家生產的高速切削加工機床及輔、配、軟、硬件幾乎每年都以一個新臺階的速度更新換代，目前所能達到的性能指標已是令人瞠目。Micron、Jobs、Haas、Fpt、Dmg等世界著名機床公司近年來大力發展的快速更換主軸頭技術使同一臺機床能適應多種負載和速度要求(即所謂粗精加工同機“一次過”)，在工件的定位、安裝、傳輸等環節可節約大量的非加工時間。
機床主軸的高速旋轉以及進給速度、加速度的相應提高，一方面可直接縮短加工時間，另一方面還因高速切削具有激振頻率特別高、工作平穩、振動小的優勢而有利于提高加工表面質量，即高速切削加工可作為模具和結構零件的最終加工，通過“以切代磨”或“以切代放電”來提高加工效率和加工質量(即勿需進行費時低效的后續磨削工序、模具電極電火花加工)；工件還可先淬火后切削，直接將硬度高達65HRC的材料高速切削加工至最終尺寸。
高速切削加工的實現除需高速機床外還需配備適宜高速切削的刀具。根據2002年廣東省國際模具高速加工技術研討會上Micron、Jobs、肯納飛碩等公司的特邀報告，近年來德國SGS、日本三菱(神鋼)及住友、瑞士山特維克、美國肯納飛碩等國外著名刀具公司都先后推出了各自的高速切削刀具，不僅有高速切削普通結構鋼的刀具，還有能直接高速切削淬硬鋼的陶瓷刀具等超硬刀具，尤其是涂層刀具異軍突起，在淬硬鋼的半精加工和精加工中發揮著巨大作用。
近年來我國(尤其華南地區)制造業發展迅速，模具和汽車、摩托車制造業發達，擁有高速切削機床的企業不斷增多。然而，與高速切削機床和刀具技術的快速發展相比，這些企業在高速切削工藝、檢測及應用軟件等方面的技術還比較落后，與硬件不能配套，致使不少廠家進口的先進設備根本沒有發揮其應有作用。一方面，主軸轉速可達數萬轉的高速機床卻一直只在幾千轉水平運行，具有高速精加工的條件卻只用于粗加工和半精加工，可切削高硬材料的機床和刀具卻只用來切削普通材料；另一方面，因工件材料與刀具、工藝配伍不當造成加工成本高昂甚至質量事故也時有發生。為了推廣高速切削加工技術的發展，幫助企業合理應用高速切削加工設備與技術，很有必要對高速切削加工的工藝性與經濟性問題進行深入探討。
2.常用可淬硬模具鋼及高速切削用立銑刀
2.1常用塑膠模具鋼和熱作鋼
市場上常見的模具淬硬鋼多用于制造塑膠模和鍛造、壓鑄型腔模，主要供應商有瑞典一勝百(ASSAB)、香港龍記(LUNG KEE)、德國撒斯特(SAARSTAHIL)、日本大同(DAIDO)等公司。表1列出了部分塑膠模具鋼和熱作鋼的品名與性能。傳統的模具鋼加工方法是先銑削后淬硬再磨拋，而用高速切削加工則可粗銑后淬硬再精銑，甚至可實現粗精銑同機一次完成。
表1幾種常用塑膠模具鋼和熱作鋼
商品名――標準――特性與用途――表面硬度ASSAB S136；S316H――AISI 420ESR――防酸不銹蝕，耐磨性高，熱處理尺寸變化小；適合于PVC、PP、EP、PC、PMMA塑膠模具，高溫回火后可作高拋光度鏡面塑膠模――低溫回火HRC50～55，高溫回火HRC34～38SAARSTAHL(SSE)GS2344EFS；GS2344ESR――AISI H13――優良的紅硬性、高溫沖擊強度、高溫耐磨性和抗熱沖擊龜裂性，可作擠壓、壓鑄、熱鍛和高溫沖裁工具――180～300℃淬硬至HRC52LKM2311；LKM2312――AISI P20――硬度均勻，加工性能良好，芯部韌性好，可作高級預硬塑膠模――HRC53～36DAIDO NAK80――AISI P21 Modified ESR――變形小，易研磨拋光，長期使用可維持高精度，可用作高硬度高鏡面模具――供貨時HRC37～41，可淬硬至約HRC60
2.2高速切削淬硬鋼常用立銑刀
本文主要討論用于高速切削的整體硬質合金PVD涂層立銑刀(可切削硬化鋼的其它刀具如CBN和陶瓷刀具等不是本文研究重點)。
(1)刀具涂層：能用于高速切削淬硬鋼的刀具涂層主要有(Ti,Al)N或(Ti,C)N，刀具基體為超細顆粒硬質合金。(2)銑刀主要形式：用于高速切削淬硬鋼的整體立銑刀主要形式有常規2刃和多刃球頭刀、長頸球頭刀、2刃錐面球頭刀、2刃帶圓弧頭平底刀、長頸帶圓弧頭平底刀、2刃直角平底刀和多刃直角平底刀等。
在我國市場上淬硬鋼常用立銑刀的主要供應商有：日本神鋼(KOBELCO)、日本三菱(MITSUBUSHI)，日本UNIMAX、日本日立(HITACHI)、日本住友(SUMITOMO ELECTRIC)、德國SGS、美國肯那飛碩(KENNAMITAL)以及韓國和以色列的涂層刀具廠商，國內企業也推出了正在開發試用的產品。
3.加工淬硬鋼用高速立銑刀的工藝性
本文以三菱公司幾款(Ti,Al)N超硬涂層整體硬質合金精加工立銑刀為例，介紹高速立銑刀的切削性能和工藝參數。對這些刀具均推薦采用干切削(空氣冷卻)和順銑工藝。
①直徑0.2～6mm 2刃直角平底立銑刀：常用于切溝槽。工件硬度小于HRC45時，軸向切深不大于0.1D(刀徑D小于2mm)～0.2D(D大于2mm)；工件硬度大于HRC45時，對應于刀徑D小于0.5mm、小于2mm和2mm以上，軸向切深分別不大于0.02D、0.05D和0.1D。②直徑1～6mm 4刃直角平底立銑刀：常用于側面精加工。工件硬度小于HRC45時，軸向切深不大于1.5D，徑向切深不大于0.1D(刀徑D小于3mm)～0.2D(刀徑D大于4mm)；工件硬度大于HRC45時，軸向切深不大于刀徑D，徑向切深不大于0.05D。③R0.1～3mm 2刃球頭立銑刀：常用于曲面精加工。軸向切深不大于0.1R，徑向切深0.2～0.4R。
高速加工時，上述刀具的切削速度和進給速度隨工件硬度和刀徑不同而變化：隨著工件硬度增大，刀具的轉速尤其是進給速度降低；隨著刀徑增大，刀具的轉速降低但線速度相對較高，進給速度也相應增大(參見表2)。
表2推薦切削條件
2刃球頭立銑刀：工件硬度＜45HRC時：R1-R2-R3：轉速(R/Min)：35000-25000-20000；進給量(Mm/Min)：1200-1800-2200工件硬度45～55HRC時：R1-R2-R3：轉速(R/Min)：25000-17000-13000；進給量(Mm/Min)：800-900-10002刃直角平底立銑刀：工件硬度＜45HRC時：直徑0.5mm-2mm-6mm：轉速(R/Min)：40000-10000-3500；進給量(Mm/Min)：240-400-400工件硬度45～55HRC時：直徑0.5mm-2mm-6mm：轉速(R/Min)：30000-8000-2700；進給量(Mm/Min)：120-120-1204刃直角平底立銑刀:工件硬度＜45HRC時：直徑1mm-3mm-6mm：轉速(R/Min)：12000-5300-3200；進給量(Mm/Min)：100-200-360工件硬度45～55HRC時：直徑1mm-3mm-6mm：轉速(R/Min)：8900-3200-2000；進給量(Mm/Min)：45-85-150
4.淬硬鋼高速銑削的經濟性
目前不同廠商生產的(Ti,Al)N涂層硬質合金立銑刀其切削性能有較大差異，市場價格也有很大不同(與其它涂層刀具相比，其價格都比較貴)。直徑2mm以下的小直徑立銑刀售價為100～400元/支，直徑4～Φ8mm立銑刀售價約為200～700元/支。通常隨著刀具直徑的增大，銑刀價格也升高(銑刀最大直徑可達20mm)。
刀徑較大的(Ti,Al)N涂層硬質合金立銑刀高速加工淬硬材料時其強度基本可滿足要求，但用小直徑刀具高速加工窄槽時銑刀則易斷易損。由于(Ti,Al)N涂層硬質合金立銑刀磨損后一般不能進行重磨，因此刀具成本較高；在用于某些模具加工時，刀具成本甚至占到模具總制造成本的12%左右。
用高速銑削法加工模具可能帶來的優點有：節省加工時間，減少加工工序，提高生產率，降低加工成本，改善加工質量。
據分析，用傳統方法加工型腔模具的成本分布大致為：粗加工占12%，半精加工和精加工各占25%，后續手工修磨占16%，調試占22%。而采用高速銑削法，可大大提高精加工效率，取消或者減少后續手工修磨工序；如果采用粗精加工同機“一次過”工藝，甚至粗加工和半精加工時間也可大大縮短(比電火花加工快得多)。
加工實例：
①用Mikron(米克朗)公司HSM400加工中心采用“粗、精加工一次過工藝”加工修枝剪鍛模(HRC52)，總耗時194分鐘(型腔內外粗銑66分鐘，球頭刀型腔內外半精銑10分鐘，球頭和平底刀30000r/Min高速精銑94分鐘，后續修整24分鐘)，最終加工表面粗糙度Ra0.5μm。②HSM400加工中心采用“粗、精加工一次過工藝”加工注塑模(HRC54)，總加工時間為468分鐘。粗加工采用4～6刃粗銑刀(直徑2～8mm)，轉速20000～8000r/Min，進給速度1500～2600mm/Min；半精銑和精銑用2刃球頭刀(直徑0.8～1.5mm)，轉速36000r/Min，進給速度1000～1600mm/Min。③表3給出的是MMC(三菱)KOBELCO(神鋼)的小直徑超硬涂層立銑刀使用實例。
表3 MITSUBISHI MSTAR小直徑超硬涂層立銑刀使用實例刀具――工件――工藝特性――切削條件――加工效果2刃球頭刀(R1.5mm)――熱鍛模，材料SKD61(HRC47)――切深0.05～0.1mm的半精加工、精加工――切速：94m/Min，進給：0.1mm/Tooth，回轉速度：10000r/Min，進給速度：2000mm/Min，干切削――每把刀具的壽命從原先可切200m增至近600m4刃直角立銑刀(直徑6mm)――塑料模，S55C――模具型腔側面精加工，切深0.6×6mm――切速：50m/Min，進給：0.04mm/Tooth，回轉速度：2650r/Min，進給速度：212mm/Min，干切削――加工50m后，后刀面磨損高度從原先的0.25mm減小到0.15mm
5.結語
迅速發展的高速切削加工機床和刀具技術使淬硬模具的“粗、精加工同機一次過”工藝的應用成為可能，切削加工可作為淬硬模具和結構零件的最終加工，實現“以切代磨拋”或“以切代放電”。因此應用高速銑削加工模具可能帶來節省加工時間、減少加工工序、提高生產率、降低加工成本、改善加工質量等諸多好處。
目前可用于高速加工淬硬模具鋼的立銑刀主要是超細顆粒硬質合金(Ti,Al)N涂層立銑刀。由于這類刀具價格比較高，而且因其不可重磨、性脆和使用中對受熱均勻的要求較高等，其加工工藝與經濟適應性尚需深入探討研究，以充分發揮高速銑削的優勢。同時，各企業也應根據自身具體情況制定適宜的高速加工技術應用策略。
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