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淬硬模具鋼的高效精密立銑加工

日期：2011-01-07　　有1054人瀏覽

淬硬模具鋼

圖片說明： VF立銑刀的結構改進

(VF-2SB

IMPACT MIRACLE 球頭銑刀 R0.1-R10mm 共34種尺寸規格

VF-2XLB

IMPACT MIRACLE 長頸球頭立銑刀 R0.1-R3mm，共119種尺寸規格

VF-SD

IMPACT MIRACLE直角頭立銑刀 ?-?2mm 共12種尺寸規格

VF-MD

IMPACT MIRACLE直角頭立銑刀 ?-?5mm 共18種尺寸規格

VF-SDRB（new）

IMPACT MIRACLE圓孤頭立銑刀 ?-?2mm 共13種尺寸規格

VF-MDRB（new）

MPACT MIRACLE圓孤頭立銑刀 ?-?0mm 共21種尺寸規格)

加工模具鋼大部分是在熱處理前進行切削加工，主要是平面銑削及型腔、凸模、溝槽等的立銑加工，切削加工后再進行淬火、回火等熱處理，此時硬度可高達HRC50～60左右，甚至更高。高硬度可保證模具耐磨，使用壽命長，但熱處理后零件易變形，材料變硬，加工性極差，只能用磨削，甚至用手工研磨等方法進行，以達到ZUI終精度要求。但這樣的加工效率低，加工不便，生產周期長，交貨遲，成本也大為提高，客戶不滿意。當前事實上已形成這樣一個局面，哪一家公司能高效加工模具，交貨期短，相應成本低，就能擴大市場，擴大銷售，在競爭中贏得勝利。

為了滿足以上要求，人們改變了思路，是否熱處理淬硬后也能用刀具切削，特別是各類型腔、型面等的加工也能用立銑刀來加工，且不但用于半精加工，甚至精加工，實現部分或完全以銑代磨。用刀具切削在單位時間對零件切除體積遠遠大于砂輪磨削的切除體積量，即其效率遠遠高于磨削，且在設備投資、占地面積、環境保護、降低總成本等多方面帶來諸多經濟與社會效益。下面分別敘述整體立銑刀為適應上述要求而做的改進。

為切削淬硬鋼，在刀具材料上進行的開發與創新

◆ CBN（立方氮化硼）材料開始用于立銑刀

近年來，說起以車代磨、以銑代磨加工淬硬鋼，通常首先想到運用CBN（立方氮化硼）刀具材料，CBN其微粒硬度達HV8000～9000，其燒結體硬度PCBN硬度可達HV3000～5000，耐熱性達1400～1500℃。PCBN在800℃時硬度還高于陶瓷與硬質合金的常溫硬度，故可以硬質合金3～5倍的切削速度進行切削，且其化學穩定性好，在1200～1300℃高溫下，也不與鐵系材料發生化學反應，與碳也是在2000℃下才發生反應。其對各種材料的粘結、高溫時的擴散作用也比硬質合金小得多，因此特別適合于加工鋼鐵材料。其導熱性為硬質合金的20倍，僅次于金鋼石，并且它的導熱性隨著溫度的提高而增強。它與不同材料的摩擦系數僅為0.1～0.3。且隨著切削速度的提高，摩擦系數下降，而硬質合金的摩擦系數為0.4～0.6。

三菱較早開發了CBN材料的立銑刀，其CBN—2XLB，型R1x5球頭立銑刀（即球頭半徑為1mm，頸長為5mm）銑削60HRc的SKDII模具鋼可以20000轉/min的轉速，1700mm/min的進給量，0.05mm的切深（背吃刀量），切削了800米，后刀面僅磨損0.03mm。若切深提高到0.1mm，也就是在較高負荷下，切削了400米，后刀面磨損高度僅0.022mm。由于其球頭精度高R公差為±5祄，外徑公差0～10祄，加工精度很高，為保持同樣的高精度，1根CBN高精度球頭立銑刀所能加工的表面，若換用相同高精度的硬質合金球頭立銑刀需用7～8根。

在切削淬硬模具鋼時，若選擇CBN材料，雖價格貴，但因切削速度高可縮短加工時間，延長刀具壽命，提高產品質量，因此可能具有更好的經濟性。

當然如果脫離實際加工條件，一味選用新型材料也可能增加加工成本（CBN刀具刀片價格約是硬質合金的6-10倍）。另外，使用新材料切削條件選用不當時，也會影響加工質量與刀具壽命。故應對整個加工任務進行評估，綜合權衡生產批量、加工時間、機床和刀具性能后，在保證加工質量前提下，在較低的切削速度等條件下，有可能選用價格較低的涂層硬質合金刀具，也可以實現較好的加工效果下面介紹。涂層技術與硬質合金材料的新發展。

◆ 涂層技術的發展進步為淬硬鋼加工帶來的成果

據使用要求的不同，淬硬鋼的硬度通常可達到HRc45～68。為順利切削工件，一般切削刀具的硬度需要達到被切削工件的3～5倍以上為宜。涂層硬度常用維氏硬度（Hv）測定，以三菱產品為例，其TiN涂層立銑刀為Hv1900，Mstar系立銑刀采用（Al，Ti）N涂層為Hv2800，VC型立銑刀即采用(Al，Ti，Si) N涂層的則為Hv3200，ZUI近開發的Impact Miracle納米級（Al，Ti）N涂層VF型立銑刀，其硬度進一步提高，Hv達到3700，可以說接近了PCBN的硬度值。其氧化開始溫度與涂層結合力也進一步提高，摩擦系數則不斷下降。三菱各類涂層性能表見表1。以HRc值單純與Hv值相比的話，HRc68大約相當Hv940，雖各硬度值提高與對比并非線性關系，但可看出Mstar的（Al，Ti）N涂層已可切削淬硬鋼，但硬度更高，氧化開始溫度更高的Impact Miracle涂層即VF系列立銑刀可獲得更佳的效果。

Impact Miracle涂層VF系列立銑刀的切削實例有：

1）以VF-2SB R1球頭立銑刀加工高速鋼SKH51（M2）制模具，模具硬度HRc65，切削用量為轉速20000轉/min進給速度6000mm/min，每刃齒進給量為0.15mm/齒，背吃刀量0.07mm側吃刀量0.2mm，風冷，切削長度達30m后，仍未損傷。

2）以VF-MD φ6直角頭立銑刀加工模具鋼SKDII（HRc60），切削用量為轉速8000轉/min，進給速度2160mm/min（0.045mm/齒）風冷，切削長度達100m未損。

3）以VF-2SB R3球頭立銑刀加工熱加工用壓鑄模（材料為DH315、硬度HRc52），切削用量為轉速16000轉/min，進給速度1600mm/min，0.05mm/齒，背吃刀量（切深）2mm，側吃刀量0.2mm，順銑，風冷。該材料韌性很高，切削120多米后才損傷。

4） VF-2SB R1球頭立銑刀切削HRc68以上的粉末高速鋼模具，切削用量為轉速8000轉/min，進給速度1260mm/min，每刃齒進給量為0.08mm/齒，背吃刀量0.2mm，側吃刀時0.07mm，風冷，順銑，可切削長達50米以上，比一般立銑刀壽命高數倍。

5）用VF-2SB R10球頭立銑刀加工模具鋼SKDII（HRc60）轉速1200轉/min，進給速度240mm/min，每刃齒進給量為0.1mm/齒，而背吃刀量可高達8mm，側吃刀量0.5mm，順銑，風冷。在此大切深條件下，仍可切削30米，為老產品的3倍。

6）用長頸VF-2XLB R1x20球頭立銑刀加工深部型槽，模具材料為SKDII (HRc60)，切削用量為：轉速10000轉/min，進給速度1000mm/min，每刃齒進給量為0.05mm/齒，風冷，順銑。往復切削可切削20米長，比其它類似產品壽命高一倍。

7）用VF-MD直角頭立銑刀同時加工淬硬到HRc60的鋼側面與底面，切削穩定，可獲良好表面質量，切屑形態、色澤正常良好，切削速度為151m/min，每齒進給0.1mm/齒，其底刃的耐缺損性，外周刃的耐磨性均好。

8）用圓弧頭立銑刀VF-MDRB以切削速度50m/min，每刃齒進給量為0.05mm/齒，切深0.5mm，切寬8mm，加工SKDII（60HRc）順銑，風冷，可加工8米后，幾乎無損。

◆ 立銑刀基體硬質合金超細微粒化

立銑刀刀齒在加工時，反復承受沖擊載荷，因此必需具有足夠的韌性，切削淬硬材料時，切削力大，更應提高韌性。一般如表1，涂層硬度愈來愈高，涂層保證了切削淬硬鋼的耐磨性，可切削性、韌性則更多的是靠基體材料來保證。涂層硬質合金立銑刀的基體材料主要是韌性高、抗振性好的K類硬質合金，K類硬質合金主要成分是WC（碳化鎢）也就是要使WC結晶顆粒細化，表1中所列各類涂層其表面涂層愈硬，應愈使其基體晶粒細化，加工淬硬鋼的性能也越高。表1中Impact Miracle涂層基體材料的晶粒可達1祄以下，使其耐磨性與韌性同時提高。

為適應淬硬鋼加工、立銑刀結構的改進

1) 球頭立銑刀結構的改進，使二主刀刃在頂刃中心構成一點，以免生成橫刃，以降低切削力，改善中心部切削，消除啃擠，利于形成并排除切屑，球刃與外周刃間應圓滑過渡不產生接痕。(圖1)

2) 直角頭立銑刀與圓孤頭立銑刀在底刃上的改進：使底刃位置錯開，制造方便，以改善底刃中心部切削條件；并改善槽形以利排屑；刃部倒圓可提高刃口耐破損性，以適應切削高硬度材料。（圖1）

3) 為提高壽命，增強剛性，特別設計了VF-2SSB型短刃立銑刀，全長亦較短，是適熱套式夾緊刀柄的立銑刀。

4) 為實現以銑代磨，實現磨削可達到的高精度，必須提高立銑刀自身的精度。三菱高精度球頭立銑刀，球頭半徑R精度達±0.002mm，直徑精度0～0.01mm。圓孤頭立銑刀轉角部分圓孤R精度達0～±0.01mm，R的中心精度也達到±0.01mm，以上兩點保證了圓弧頭立銑刀也能實現高精度加工，不會發生介入獲加工不足。直角頭立銑刀直徑直徑公差也在0～±0.01mm范圍，以上立銑刀若有意識在直徑公差范圍內對整批刀具按尺寸公差分段劃分若干組，則分組尺寸公差必然縮小，使各組立銑刀精度提高，以這樣高精度的立銑刀就可精加工出模具側面，可達到±0.005mm這樣的高精度，從而實現了用立銑刀高效高精度加工模具，完全免除了磨削加工。

表1 IMPACT MIRACLE 涂層的特點

Impact MIRACLE (Al，Ti，Si) N （Al，Ti）N

硬度 3700HV 3200HV 2800HV

結合力 100N 80N 80N

氧化開始溫度 1300℃ 1100℃ 840℃

摩擦系數 0.48 0.53 0.58

的高效精密立銑加工