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。 {page}

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IMPACTMIRACLE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IMPACTMIRACLE涂层VF系列立铣刀可获得更佳的加工效果。{page}

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。 {page}

(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。

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。


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