高速铣削淬硬模具钢的工艺性和经济性研究

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　　高速加工机床及其刀具技术的新发展使得在模具和零件制造领域实现“以切代磨”成为可能，用超硬刀具高速切削淬硬模具钢等难加工材料已得到越来越广泛的应用。由于模具或零件的高速切削加工可免除磨削或抛光等后续工序，因此精加工时如何保证工件终表面质量同时将加工成本控制在可接受范围之内是研究人员关注的重要问题。本文在调查的基础上分析了用于高速铣削淬硬模具钢的整体硬质合金涂层立铣刀的切削性能和经济性，并给出了部分应用实例。
 
　　1.引言
　　高速切削加工(high-speed cutting, HSC)是先进制造技术的一个重要组成部分，其主要优点是可实现加工的高效率和高品质。近年来高速切削加工技术在世界主要经济发达(如德、英、美、意、日等)发展迅猛，这些生产的高速切削加工机床及辅、配、软、硬件几乎每年都以一个新台阶的速度更新换代，目前所能达到的性能指标已是令人瞠目。Micron、Jobs、Haas、Fpt、Dmg等世界著名机床公司近年来大力发展的快速更换主轴头技术使同一台机床能适应多种负载和速度要求(即所谓粗精加工同机“一次过”)，在工件的定位、安装、传输等环节可节约大量的非加工时间。
　　机床主轴的高速旋转以及进给速度、加速度的相应提高，一方面可直接缩短加工时间，另一方面还因高速切削具有激振频率特别高、工作平稳、振动小的优势而有利于提高加工表面质量，即高速切削加工可作为模具和结构零件的终加工，通过“以切代磨”或“以切代放电”来提高加工效率和加工质量(即勿需进行费时低效的后续磨削工序、模具电极电火花加工)；工件还可先淬火后切削，直接将硬度高达65HRC的材料高速切削加工至终尺寸。
 
　　高速切削加工的实现除需高速机床外还需配备适宜高速切削的刀具。根据2002年广东省国际模具高速加工技术研讨会上Micron、Jobs、肯纳飞硕等公司的特邀报告，近年来德国SGS、日本三菱(神钢)及住友、瑞士山特维克、美国肯纳飞硕等国外著名刀具公司都先后推出了各自的高速切削刀具，不仅有高速切削普通结构钢的刀具，还有能直接高速切削淬硬钢的陶瓷刀具等超硬刀具，尤其是涂层刀具异军突起，在淬硬钢的半精加工和精加工中发挥着巨大作用。
　　近年来我国(尤其华南地区)制造业发展迅速，模具和汽车、摩托车制造业发达，拥有高速切削机床的企业不断增多。然而，与高速切削机床和刀具技术的快速发展相比，这些企业在高速切削工艺、检测及应用软件等方面的技术还比较落后，与硬件不能配套，致使不少厂家进口的先进设备根本没有发挥其应有作用。一方面，主轴转速可达数万转的高速机床却一直只在几千转水平运行，具有高速精加工的条件却只用于粗加工和半精加工，可切削高硬材料的机床和刀具却只用来切削普通材料；另一方面，因工件材料与刀具、工艺配伍不当造成加工成本高昂甚至质量事故也时有发生。为了推广高速切削加工技术的发展，帮助企业合理应用高速切削加工设备与技术，很有必要对高速切削加工的工艺性与经济性问题进行深入探讨。
　　2.常用可淬硬模具钢及高速切削用立铣刀
 
　　2.1常用塑胶模具钢和热作
　市场上常见的模具淬硬钢多用于制造塑胶模和锻造、压铸型腔模，主要供应商有瑞典一胜百(ASSAB)、香港龙记(LUNG KEE)、德国撒斯特(SAARSTAHIL)、日本大同(DAIDO)等公司。表1列出了部分塑胶模具钢和热作钢的品名与性能。传统的模具钢加工方法是先铣削后淬硬再磨抛，而用高速切削加工则可粗铣后淬硬再精铣，甚至可实现粗精铣同机一次完成。
　　表1几种常用塑胶模具钢和热作钢
　　商品名――标准――特性与用途――表面硬度ASSAB S136；S316H――AISI 420ESR――防酸不锈蚀，耐磨性高，热处理尺寸变化小；适合于PVC、PP、EP、PC、PMMA塑胶模具，高温回火后可作高抛光度镜面塑胶模――低温回火HRC50～55，高温回火HRC34～38SAARSTAHL(SSE)GS2344EFS；GS2344ESR――AISI H13――优良的红硬性、高温冲击强度、高温耐磨性和抗热冲击龟裂性，可作挤压、压铸、热锻和高温冲裁工具――180～300℃淬硬至HRC52LKM2311；LKM2312――AISI P20――硬度均匀，加工性能良好，芯部韧性好，可作高级预硬塑胶模――HRC53～36DAIDO NAK80――AISI P21 modified ESR――变形小，易研磨抛光，长期使用可维持高精度，可用作高硬度高镜面模具――供货时HRC37～41，可淬硬至约HRC60
 
　　2.2高速切削淬硬钢常用立铣刀
　　本文主要讨论用于高速切削的整体硬质合金PVD涂层立铣刀(可切削硬化钢的其它刀具如CBN和陶瓷刀具等不是本文研究重点)。
　　(1)刀具涂层：能用于高速切削淬硬钢的刀具涂层主要有(Ti,Al)N或(Ti,C)N，刀具基体为超细颗粒硬质合金。(2)铣刀主要形式：用于高速切削淬硬钢的整体立铣刀主要形式有常规2刃和多刃球头刀、长颈球头刀、2刃锥面球头刀、2刃带圆弧头平底刀、长颈带圆弧头平底刀、2刃直角平底刀和多刃直角平底刀等。
　　在我国市场上淬硬钢常用立铣刀的主要供应商有：日本神钢(KOBELCO)、日本三菱(MITSUBUSHI)，日本UNIMAX、日本日立(HITACHI)、日本住友(SUMITOMO ELECTRIC)、德国SGS、美国肯那飞硕(KENNAMITAL)以及韩国和以色列的涂层刀具厂商，国内企业也推出了正在开发试用的产品。
 
　　3.加工淬硬钢用高速立铣刀的工艺性
　　本文以三菱公司几款(Ti,Al)N超硬涂层整体硬质合金精加工立铣刀为例，介绍高速立铣刀的切削性能和工艺参数。对这些刀具均推荐采用干切削(空气冷却)和顺铣工艺。
　　①直径0.2～6mm 2刃直角平底立铣刀：常用于切沟槽。工件硬度小于HRC45时，轴向切深不大于0.1D(刀径D小于2mm)～0.2D(D大于2mm)；工件硬度大于HRC45时，对应于刀径D小于0.5mm、小于2mm和2mm以上，轴向切深分别不大于0.02D、0.05D和0.1D。②直径1～6mm 4刃直角平底立铣刀：常用于侧面精加工。工件硬度小于HRC45时，轴向切深不大于1.5D，径向切深不大于0.1D(刀径D小于3mm)～0.2D(刀径D大于4mm)；工件硬度大于HRC45时，轴向切深不大于刀径D，径向切深不大于0.05D。③R0.1～3mm 2刃球头立铣刀：常用于曲面精加工。轴向切深不大于0.1R，径向切深0.2～0.4R。
　　高速加工时，上述刀具的切削速度和进给速度随工件硬度和刀径不同而变化：随着工件硬度增大，刀具的转速尤其是进给速度降低；随着刀径增大，刀具的转速降低但线速度相对较高，进给速度也相应增大(参见表2)。
　　表2推荐切削条件
　　2刃球头立铣刀：工件硬度＜45HRC时：R1-R2-R3：转速(r/min)：35000-25000-20000；进给量(mm/min)：1200-1800-2200工件硬度45～55HRC时：R1-R2-R3：转速(r/min)：25000-17000-13000；进给量(mm/min)：800-900-10002刃直角平底立铣刀：工件硬度＜45HRC时：直径0.5mm-2mm-6mm：转速(r/min)：40000-10000-3500；进给量(mm/min)：240-400-400工件硬度45～55HRC时：直径0.5mm-2mm-6mm：转速(r/min)：30000-8000-2700；进给量(mm/min)：120-120-1204刃直角平底立铣刀:工件硬度＜45HRC时：直径1mm-3mm-6mm：转速(r/min)：12000-5300-3200；进给量(mm/min)：100-200-360工件硬度45～55HRC时：直径1mm-3mm-6mm：转速(r/min)：8900-3200-2000；进给量(mm/min)：45-85-150
 
　　4.淬硬钢高速铣削的经济性
　　目前不同厂商生产的(Ti,Al)N涂层硬质合金立铣刀其切削性能有较大差异，市场价格也有很大不同(与其它涂层刀具相比，其价格都比较贵)。直径2mm以下的小直径立铣刀售价为100～400元/支，直径4～φ8mm立铣刀售价约为200～700元/支。通常随着刀具直径的增大，铣刀价格也升高(铣刀大直径可达20mm)。
　　刀径较大的(Ti,Al)N涂层硬质合金立铣刀高速加工淬硬材料时其强度基本可满足要求，但用小直径刀具高速加工窄槽时铣刀则易断易损。由于(Ti,Al)N涂层硬质合金立铣刀磨损后一般不能进行重磨，因此刀具成本较高；在用于某些模具加工时，刀具成本甚至占到模具总制造成本的12%左右。
　　用高速铣削法加工模具可能带来的优点有：节省加工时间，减少加工工序，提高生产率，降低加工成本，改善加工质量。
　　据分析，用传统方法加工型腔模具的成本分布大致为：粗加工占12%，半精加工和精加工各占25%，后续手工修磨占16%，调试占22%。而采用高速铣削法，可大大提高精加工效率，取消或者减少后续手工修磨工序；如果采用粗精加工同机“一次过”工艺，甚至粗加工和半精加工时间也可大大缩短(比电火花加工快得多)。
　　加工实例：
　　①用Mikron(米克朗)公司HSM400加工中心采用“粗、精加工一次过工艺”加工修枝剪锻模(HRC52)，总耗时194分钟(型腔内外粗铣66分钟，球头刀型腔内外半精铣10分钟，球头和平底刀30000r/min高速精铣94分钟，后续修整24分钟)，终加工表面粗糙度Ra0.5μm。②HSM400加工中心采用“粗、精加工一次过工艺”加工注塑模(HRC54)，总加工时间为468分钟。粗加工采用4～6刃粗铣刀(直径2～8mm)，转速20000～8000r/min，进给速度1500～2600mm/min；半精铣和精铣用2刃球头刀(直径0.8～1.5mm)，转速36000r/min，进给速度1000～1600mm/min。③表3给出的是MMC(三菱)KOBELCO(神钢)的小直径超硬涂层立铣刀使用实例。
　　表3 MITSUBISHI MSTAR小直径超硬涂层立铣刀使用实例刀具――工件――工艺特性――切削条件――加工效果2刃球头刀(R1.5mm)――热锻模，材料SKD61(HRC47)――切深0.05～0.1mm的半精加工、精加工――切速：94m/min，进给：0.1mm/tooth，回转速度：10000r/min，进给速度：2000mm/min，干切削――每把刀具的寿命从原先可切200m增至近600m4刃直角立铣刀(直径6mm)――塑料模，S55C――模具型腔侧面精加工，切深0.6×6mm――切速：50m/min，进给：0.04mm/tooth，回转速度：2650r/min，进给速度：212mm/min，干切削――加工50m后，后刀面磨损高度从原先的0.25mm减小到0.15mm
 
　　5.结语
　　迅速发展的高速切削加工机床和刀具技术使淬硬模具的“粗、精加工同机一次过”工艺的应用成为可能，切削加工可作为淬硬模具和结构零件的终加工，实现“以切代磨抛”或“以切代放电”。因此应用高速铣削加工模具可能带来节省加工时间、减少加工工序、提高生产率、降低加工成本、改善加工质量等诸多好处。
　　目前可用于高速加工淬硬模具钢的立铣刀主要是超细颗粒硬质合金(Ti,Al)N涂层立铣刀。由于这类刀具价格比较高，而且因其不可重磨、性脆和使用中对受热均匀的要求较高等，其加工工艺与经济适应性尚需深入探讨研究，以充分发挥高速铣削的优势。同时，各企业也应根据自身具体情况制定适宜的高速加工技术应用策略。
 
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