高速、高精加工模具用CBN立铣刀

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, T0 w+ Z0 _) w% r 图1 BNBP型CBN立铣刀 9 L1 Q8 u4 Z, |& T6 k. r) z- y. R 图2 两种刀具的切削机理模式 近年来，加工中心机床的高速化极大地促进了模具加工的高速化。早期，高速钢立铣刀是模具加工的主流刀具；当机床主轴转数超过1万转后，涂层硬质合金立铣刀成为主流加工刀具；如今，主轴最高转数达4～6万转的加工中心机床开始普及应用，CBN立铣刀将成为模具加工的主流刀具。下面介绍住友电工超硬材料公司生产的高速、高精度加工模具用BNBP型CBN立铣刀(见图1)。 1 BNBP型CBN立铣刀的特点 ; D. n+ l# @$ V$ T+ w* }$ t BNBP型CBN立铣刀的切削机理与以前的硬质合金立铣刀不同(见图2)。硬质合金立铣刀铣削模具时一般采用锋利的切削刃，而BNBP型CBN立铣刀的切削机理则是采用钝化切削刃，像精密磨削那样进行铣削加工，因此在低速条件下加工时切削抗力较大，难以充分发挥刀具性能，但在高速条件下加工高硬度钢时，不仅可显示出刀具使用寿命长的优势，还能获得高精度的优质加工表面。具有大负前角的切削刃是BNBP型CBN立铣刀具有高抗崩刃性并可获得优良加工表面的重要因素。 BNBP型CBN立铣刀具有以下优势：①具有接近硬质合金刀具的高抗崩刃性能，能实现高效加工；②能获得高精度的优质加工表面，可大幅度缩短精磨时间；③能胜任高硬度钢模具的高速加工，可大幅度缩短加工时间；④使用寿命超过涂层硬质合金刀具3倍以上，用1把BNBP型CBN立铣刀就能完成模具的精加工；⑤R圆弧精度达±5µm，能实现高精度加工。 u; w( p+ |' w 2 BNBP型CBN立铣刀性能对比 图3为分别使用BNBP型CBN立铣刀和其它公司的CBN立铣刀，在同一加工条件下进行铣削后切削刃和已加工面对比。可以发现，其它公司CBN立铣刀的中心切削刃附近已发生崩刃，加工表面有撕裂痕迹；而BNBP型CBN立铣刀的中心刃附近无崩刃现象、磨损也很小，加工表面相当漂亮。比较立铣刀中心切削刃的形状可知，BNBP型CBN立铣刀的中心刃厚度较薄。由于采用了大负前角，即使在中心刃附近也具有足够强度，因此可减小中心刃厚度，从而能获得漂亮的加工表面，防止中心刃崩刃。BNBP型CBN立铣刀采用了大负前角切削刃形状和抗崩刃性能最佳的BN350型CBN材料，因此能实现接近硬质合金高效加工条件的模具铣削加工。   工件材料：SKD11(HRC60)；立铣刀：R1.0，N=20000r/min， F=2000mm/min，Ad=0.05mm，Rd=0.05mm；风冷；切削长度：100m 图3 切削刃磨损和加工表面比较 图4为在主轴转数1万转和2万转条件下铣削加工SKD11(HRC60)模具钢时切削刃的照片。以1万转铣削加工时，CBN立铣刀的中心刃部分发生了崩刃，刀具寿命低于硬质合金立铣刀；但以2万转铣削加工时，硬质合金立铣刀的磨损较大，而CBN立铣刀几乎无磨损。模具加工用立铣刀的R精度达到±5µm是很普遍的，但涂层硬质合金立铣刀由于磨损使刀夹位置后退，大大降低了R精度；而CBN立铣刀几乎无磨损，因此能实现R±5µm精度的铣削加工。   ; [. f$ _- j/ |' d( v0 A. U 工件材料：SKD11(HRC60)；立铣刀：R1.0， f＝0.05mm/齿，Ad=0.05mm，Pf=0.05mm；风冷；切削长度：100m 图4 不同转数时切削刃损伤形态的变化   ' R R; G3 M D3 L) A. R( X 工件材料：SKD11(HRC60)；立铣刀：R1.0，N=40000r/min，F=4000mm/min，Ad=0.05mm，Pf=0.05mm；油雾冷却 图5 高速加工时后刀面磨损量的比较 + U# s; L/ I2 o1 M7 M7 r; j 图6 用BNBP型CBN立铣刀加工模具实例 图5为在4万转条件下高速铣削SKD11模具钢时刀具后刀面磨损的变化。与涂层硬质合金立铣刀的后刀面磨损量相比，BNBP型CBN立铣刀的后刀面磨损量极小，几乎可忽略不计。如果将刀具寿命设定为后刀面磨损宽度VB=0.014mm，则CBN立铣刀的寿命是涂层硬质合金立铣刀的10倍左右。加工HRC60硬度等级的淬硬钢时，在1万转条件下加工时，CBN立铣刀的寿命与硬质合金立铣刀相当；但在2万转条件下加工时，CBN立铣刀的寿命是硬质合金立铣刀的3～5倍；在4万转条件下则是硬质合金立铣刀的10倍。由此可见，主轴转数越高，CBN立铣刀与硬质合金立铣刀的寿命之差就越大。CBN立铣刀的价格约为硬质合金立铣刀的3倍，如果在2万转以上进行铣削加工，至少可以实现成本与硬质合金立铣刀相当。由于刀具寿命延长3倍以上，用1把立铣刀就能加工1件模具，可以大幅度缩短磨削工序。如果用BNBP型CBN立铣刀加工硬度不太高的模具材料，则刀具寿命可达到硬质合金立铣刀的30倍以上。 / e3 C% ]0 @6 K) U1 Y6 ?7 D2 C 3 模具加工实例 + o( @+ g! z, t \& D 图6为用BNBP型CBN立铣刀加工移动电话零件用模具(切削条件见附表)。粗加工时，Ad=0.1mm对原有的CBN立铣刀来说非常苛刻，而使用BNBP型CBN立铣刀不仅不发生崩刃，而且能实现稳定加工。精加工时，使用R0.3mm的BNBP型CBN立铣刀在36000r/min的高速条件下加工。图6为BNBP型CBN立铣刀和涂层硬质合金立铣刀精加工表面的放大照片。可见，CBN立铣刀的加工面进给刀痕清晰而均匀，而硬质合金立铣刀的加工面刀痕则不是十分清晰和均匀。因此，使用BNBP型CBN立铣刀加工可以大幅度减少后续磨削工作量。   # |: s J2 g. v2 T" s: f0 z9 e( v0 z! x( W' O. g7 S8 e% E+ E4 x0 L" J% i* `% R( W1 ?0 w$ s) R' |$ {+ V2 d7 r1 s$ U6 x6 p. [1 h" C. ?: Q$ s$ h0 V" T! i w6 ~5 Q' i8 j8 c0 n* S1 o( g T* `1 Q* r& i$ K D! ^1 c; G3 @( }. ]3 w# o, O; [4 X, x+ x; c; j' k9 {9 `2 ~4 R" _- D e+ B% E& [5 y9 \; t* ]; T) Y- H1 o, I1 Y5 z! `+ }( f* T4 t% p8 I. R5 j' O6 q0 C: G3 ~, m1 R; W/ |' F- O# _# I- \2 O- j# T- X @' V7 P; U" t) e) m$ M0 h9 n' X9 T1 G m' n5 k/ e. n9 V! E8 U/ A$ x+ L# u 表 切削条件 工序 使用刀具 R (mm) 转数 (min) 进给速度 (mm/min) Ad (mm) Pf (mm) 粗加 BNBP2R100-0554 1.0 25000 1500 0.1 0.2 半精加工 BNBP2R050-0254 0.5 25000 1000 0.05 0.1 精加工 BNBP2R030-0124 0.3 36000 500 0.03 0.02   : }0 [. }2 S" B% r0 q9 Z+ Z- Z. m# Q) A, M. u6 Q9 s 8 A) A' l+ E5 T% s; b3 j 工件材料：SKD11(HRC60)；立铣刀：R0.3，N＝36000r/min， F=500mm/min，Ad=0.03mm，Pf=0.02mm；油雾冷却；MEGAⅢ加工中心 图7 切削刃磨损和加工表面比较