用于模具行业的两种高性能新型铣刀刀具

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引言

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HSM-高速加工由Salomon发现至今得到了巨大的发展和现代企业的认可，但随着近几年研究的不断深入，人们发现Salomon的高速试验曲线在大部分材料的切削过程中根本无法获得，高速加工应用成功的领域也仅仅局限于铝合金、HRC60以上的预淬钢、石墨电极等等几种材料的切削加工上。在刀具材料没有根本性突破前这种局面难以被打破。而模具行业往往需要大去除率加工的材料基本是：HRC22~38之间的钢材和铸铁。这些加工一方面要求极大的金属去除率来减少占机时间，另一方面在大悬伸加工时要求低的切削振动。新型的模具铣刀的设计思路是采用新的技术HPM-高性能切削。

1 模具被加工材料种类、特性简介

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为便于对后面高效模具刀具加工介绍的理解，有必要对模具的加工材料及加工方式作一个简单介绍。

1. 模具类型 1 u0 a7 W. q# h1 W/ X. b' w! d' f, [
   模具主要分为以下几个类型：大型汽车外覆盖件冲压模具、普通塑胶注塑模具、PVC注塑模具、吹塑模具、五金冲压及板金模具、热挤压模具、热锻模具等等。
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2. 模具材料简介 , z/ o: O5 i2 j* [ a0 k
   每种不同的模具以及同一模具不同的部位所采用的材料有相当的差别，他的加工特性也有很大的区别。模具材料的种类极为繁多，由于篇幅原因，只介绍与本文相关的被加工材料。

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   1. C45W中炭钢，牌号为S50C~S55C 45#钢香港称为王牌钢，此钢材的硬度为：HB170~HB220，模具有70%~80%的加工采用这种钢材，加工大多数对象。
   2. 40CrMnMo7预硬塑胶模具钢，硬度HRC28~40很合适做一些中下价模具的镶件，有些生产大批量的模具模架也采用此钢材，好处是硬度比中炭钢高，变形也比中炭钢稳定，P20此种钢由于在塑胶模具被广泛采用，较为普遍的品牌有：718S、718H、738H、NAK80、NAK55等等，这种钢材的应用占模具的15%~20%左右，他加工的难度要大于45钢，主要为型芯和行腔加工。
   3. fc250-fc350，fcd500-fcd700添加了Cu、Ni、Mo等合金，对总碳量Si、Mn、P、S、Mg等组成元素进行控制。因而在分子结构上由于晶体易于变形使之易于马氏体化一直以来，国内汽车行业所使用的模具材料主要包括铸态和锻态两大类。铸态材料常用的 牌号为HT300、钼铬铸铁、铸态风冷钢(7CrSiMnMoV)，铸铁材质主要用于模具基体，铸钢材 质则用于镶块。锻态材质常用的牌号为锻态风冷钢(7CrSiMnMoV)、Cr12MoV，主要用于汽车外覆盖件模具。

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   2 汽车外覆盖件模具粗加工用球头铣刀

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   近年来，工业领域使用的刀具产品样式不断变化，且绝大多数的企业本着降低制造成本的生产理念，要求生产高精度、高品质的产品。这种现象在汽车行业的加工领域也不例外。针对客户的要求，株钻刀具技术公司采取的策略是：不断提高刀具使用寿命以及缩短加工时间。株钻最新推出了几种新型高效刀具，在进行车门、保险杠、车架等零部件的冲压模加工时，能够大大提高刀具的使用寿命、降低加工成本。其中BMR03系列刀具就是其中之一。
   

   图1 株钻BMR03系列粗铣球头铣刀实物照片

   该刀具的外观图见1。 & K) ?% S# B% [+ b6 B v' e
   该款刀具适用于汽车外覆盖件模具粗加工时的型面强力轮廓仿形切削，一般来说，D50、D40的刀具进行型面开粗，D30的刀具进行型面的半精和圆弧过渡面的清根加工，被加工工件的材质主要是上面介绍的冷做模具钢和钼铬合金铸铁，有些低档的卡车模具为了降低成本具也采用GCr15钢材和灰口铸铁，甚至采用A3钢堆焊的毛坯生产。因此要求该刀具有极高综合切削性能：1)适用于各种被加工材质的刀片槽型和结构；2)优秀的抗冲击性能，强力铣削加工时不能出现切削刃意外崩缺；3)长的刀具使用寿命，一般客户希望能够不更换刀片情况下不间断的加工完一个型面，对于加工一个大型模具意味着4~12小时的加工寿命；4)低的切削振动，这是制约加工效率的提高最难逾越的因素；5)高的形状精度和高负荷加工下的刀具精度保持性；6)刀体高的可靠性。
   该刀片的槽型是综合考量各种实际切削因素并且通过长达两年的用户试验，不断优化而最终定型的。具体而言主要在以下几个方面进行了优化设计： 8 d; E- E( y1 t) E3 r$ _# U7 [

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   图2 A刀具切削力图 0 D% k6 ?% p# W+ a6 g# ?3 a

   图3 B刀具切削力图

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   1. 较传统刀具更高的精度，刀片安装在刀体后他与理想球体的理论误差应该尽可小，而且曲线不能太复杂，而造成研磨困难。株钻球头铣刀的球形刃设计精度所有系列均为≤0.005MM，制造轮廓误差≤0.05mm(ZOLLER测刀仪)；
   2. 中心刀片的刀尖设计保证更低切削振动和抗冲击性能，过中心区域切削速度极低(接近为零)。切削阻力极大，非常容易出现刀尖崩缺的现象。必须进行了大量的试验室试验和客户实际试验来提高刀片性能。 8 O0 x( ?4 {! m7 ]8 @8 {5 p
      举例来说，其中有一项为切削阻力和切削振动对比试验，试验方案如下：试验刀具AB两种国外D40球头铣刀，被加工材料为：P20HRC35，切削参数VN=3000，ap=0.5mm，ae=1mm，f=3000mm/min，测试仪器：KISTLER动态电荷测力仪。实验结果见图2～图3。 + G! [+ V0 |" H7 S- |
      由上述图可知：

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      1. 其他条件相同的情形下，f=0.5mm/Z时，A刀具的最大主切削力Fx=400N，最大主切削力Fx=50N，最大振幅为350N，平均切削力为230N；
      2. 其他条件相同的情形下，f=0.8mm/Z时，A刀具的最大主切削力Fx=600N，最大主切削力Fx=80N，最大振幅为520N，平均切削力为290N；
      3. 其他条件相同的情形下，f=0.5mm/Z时，B刀具的最大主切削力Fx=800N，最大主切削力Fx=160N，最大振幅为640N，平均切削力为400N； 8 x" s7 [% v; l0 x1 r; g3 B- x, A
      4. 其他条件相同的情形下，f=0.8mm/Z时，B刀具的最大主切削力Fx=1000N，最大主切削力Fx=200N，最大振幅为800N，平均切削力为500N。
      由以上四点可知，在1mm的小切深情况下，在所有切削条件相同情况下，B刀具的刀尖受力情况明显比A差很多，平均受力大了几乎一倍，刀具在同等频率下振动的振幅也明显大得多，而上述切削参数在大多场合都是正常切削参数，这说明在刀具刀尖的处理上A刀具的设计方案明显优越。而B刀具由于切削阻力和切削振动太大，且刀尖的切削前角仅为-20°，刀尖过于单薄，刀具的过中心刀尖非常容易崩缺。
      因此刀尖的形状设计非常重要，他对刀具的实际切削效果有着非常显著的影响。实际上优化设计刀尖形状和参数是一个非常繁杂的过程，要平衡诸多因素，如切削振动、刃部强度、刀具使用的工艺特点、刀片材料特性、本身的工艺性等等，很难一蹴而就，要往返多次不断的完善。
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   3. 刀片的槽型优化设计，球头刀的圆弧切削刃各点的切削线速度都不相同，轴心区低，外部高，线速度的变化极大，因此各点承受切削阻力相差很大。
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      图4 切削速度对切削阻力的影响 ; |7 v. [& b6 Y) v, g

      图5 刀片槽型图

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      其原理见图4，由图可知切削速度低于某个值时，切削阻力会急剧增大，而高过此值时，变化会比较平缓，因此设计主切削刃棱带、槽型主参数时必须遵循这个规律，对于球头刀来说，设计为图5变棱宽棱带、光滑曲面的切屑导流槽、连续变化的前角、槽宽等等最为合适，配合前刀面的减振凸台设计可以在保证刃口强度的基础上尽可能的减少棱宽从而最大化减少切削阻力和抑制振动。分屑槽刀片，对于大直径刀具D50、D40刀具和大悬长刀具来说，在进行过渡全刃接触铣削时，几乎难以加工，排屑非常困难。刀片极易被挤缺。这时需要采用分屑技术的刀片，具体见图6。在实际验证时，加工效率得到2倍以上的提高。
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      图6 分屑槽刀片实物照片 2 S4 x0 k k) q( |' M; O3 t4 M

      图7 刀具的疲劳损坏裂纹

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   4. 极限过载和疲劳破损校验，进一步改进刀具结构，确保刀具能够长期稳定切削。极限试验主要用于检测刀具在推荐的切削参数下安全性能，包括一系列的超载试验。这需要投入极大的物力和精力，一个产品的开发必须包含此项验证。这里列举其中一项试验：
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      • 检验刀具：BMR03_040_G32_XP30_02_M 刀片 XPHT40R2004 牌号：YBG302
        被加工材质：NAK80 HRC40
      • 切削参数：Vn=2500 ap=5mm ae=4mm f=2000mm/min
      • 试验结果：加工16小时后，刀具出现疲劳损坏裂纹，见图7，刀体上部安装刀片的刀槽底面与侧面出现明显的裂痕。刀体已经无法继续使用。
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      正是疲劳试验发现了该试验刀具的内在缺陷，为此进行了四次大的改进来解决这个问题，其中包括1)面与面间采用圆弧过渡，消除应力集中；2)更高精度的锁进螺纹配合，提高刀片的安装刚性；3)采用优质耐热合金钢制造刀体4)改变表面处理和热处理工艺，提高抗疲劳性能。改进产品小批量客户试验证明消除缺陷的产品完全可以满足实际使用的要求，现在大批量订货也没有出现问题。
3. 客户实际案例
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   1. 汽车覆盖件模具球头铣刀加工案例1 5 V2 [/ @% Q8 ]+ Q7 A
      • 机床：意大利龙门三轴加工中心
      • 刀具：BMR030-G32-XP30-02-L刀片：XPHT30R1504 牌号YBG302
      • 被加工材料：FC600
      • 加工参数：Vn=3000r/min ap=4~8mm ae=4mm f=3000mm/min
      • 结果：加工前与加工后在线激光对刀仪检测，精度与国外刀具相同，一次加工17小时刀具微见磨损，刀片刃口完好，小批量使用后性能与国外产品相同，建议批量订货取代国外刀具。
   2. 模具球头铣刀加工案例2 ! _- O1 D2 y1 F0 U9 C/ t
      • 机床：意大利龙门三轴加工中心
      • 刀具：BMR040-MT5-XP40-02-L 刀片：XPHT40R2004 牌号 YBG302 , f# E1 c1 ^; f; r. L6 {/ D: o
      • 被加工材料：钼铬铸铁 牌号不祥
      • 加工参数：Vn=2500r/min ap=8~12mm ae=8mm f=3000mm/min ; A9 S7 k ]$ ]/ _
      • 结果：精度明显高于原刀具，加工时振动明显低于原加工刀具，平均刀具的使用寿命和加工效率高于原来刀具的两倍以上，批量加工未出现异常情况。
4. 小结
   新型球头铣刀较传统刀具有较大优势，实例证明其高效切削性能，比原来传统球头铣刀提高加工效率2倍以上，而刀具寿命更长，性能可以和国外先进厂家相当；批量应用证明该刀具性能稳定可靠，由于性价比高节约了刀具消耗成本。

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图8 新型大进给铣刀实物照片

图9 新型大进给铣刀刀片轮廓 4 \, M$ u. b% {; ?! I

图10 株钻大进给铣刀试验切屑形态

图11 进口大进给铣刀试验切屑形态

3 新型大进给铣刀

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1. 新型大进给铣刀的外观 9 h5 Z3 ?" @; c1 s# s2 p
   大进给铣刀几乎与HPM(HIGH PERFORMANCE MACHINING)成为狭义的对等词，株钻刀具推出新型大进给铣刀，其外观见图8为直径63mm的大进给铣刀图片。 0 I/ L2 D; D+ o' }7 b4 ~! w
   新型大进给铣刀结合了低振动切削和高进给切削两种切削形式的优点，能够进一步提高刀具的切削性能。其刀片的基本形状见图片9，由图可知刀片基本形状为类三角形，三个边完全对称，每个边由修光刃6、第一主切削刃7、突起过渡区8、第二主切削刃9、刀尖圆弧等组成。刀具的原理及形状的专利正在申请中。
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2. 低振动的新型大进给铣刀的原理及特色 - y0 T C3 z" ^9 H' h
   所谓低振动切削是指刀具在加工深的部位而采用大的悬深，而刀具的刚性与悬长的四次方成反比，加工效率的主要制约就是因为加工振动而不得不降低走刀速度。FEETE GmbH 的理论和试验证明，如果改变切屑的形状可以使得铁屑的截面不变的情况下，提高走刀速度，或者说同等金属去除率情况下，可以降低切削阻力和消耗功率15%~25%。这是一个非常可观的数据。实际上由于受到几何形状以及残余为加工区域面积的限制，产品应用达不到之一理论值。
   株钻新型大进给铣刀成功的结合大进给铣刀小的主偏角和切屑形状控制理论，见图9，该铣刀在切削深度Ap小于突起过渡区8到修光刃6时，参与切削的为第一主切削刃7，这个与传统的大进给铣刀并没任何区别。但当切削深度Ap超过这个临界值时，如图中的深度，切屑的形状发生了改变，传统的大进给铣刀应该为一个较长的切屑，而新的铣刀为14，16两段切屑，这种断屑方法被称为自台阶短屑。下面我们通过一个试验来证明对新的刀具的性能的阐述。

   • 试验机床：MIKRON UCP1000
   • 被加工材料：NAK80 HRC40 $ M! n- c* l5 b. Y; E' q( Q
   • 对比试验刀具：进口D32大进给铣刀(加长型) 株钻D32大进给铣刀 $ |6 c$ o+ k% Q# D" ?9 q6 X
   • 测量仪器：KISTLER 电荷测力仪
   • 加工参数：ap=1.7mm，ae=25mm，V=120m/min，f=0.8mm/Z
     试验结果，株钻刀具的切屑形态见图10和图11。

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   由于受到机床功率的限制，F=0.8MM/Z，机床已经达到极限功率，XMR01-063-A22-ZD16-04的切削呈两段排出，切削状态正常。
   对比的进口刀具已经完全丧失了继续切削的能力，出现强烈的振动甚至抖动。这就证实采用分屑技术和大进给相结合的新刀具有着更加优越的切削性能。
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3. 新型大进给铣刀实例验证 C8 C2 K: R) N0 v9 e# F) S$ W
   • 加工零件：加工摩托车整流罩模具，包括型芯和行腔模板，材料为738H，HRC33~40。
   • 刀具：XMR01-063-A22-ZP16-04，刀片ZDMT160416-GM 牌号：YBM351 刀具直径：D63 5 j3 k8 w: U) Q9 \
   • 对比刀具：进口D63 大进给刀具 刀具直径：D63 5 r- k2 D8 v( Y1 n! S' C3 F1 i
   • 冷却方式：干式切削
   • 客户试验结果：株钻刀具每刃平均寿命为3.5小时，进口刀具切削寿命为3.7小时，寿命相当；株钻刀具的切削振动声音对比来说少小；株钻刀具切屑细碎容易被压缩空气吹走，切屑刮擦对比要轻。另外值得一提的是，在使用大进给前，采用RDKW1204M0的刀片进行加工，大进给刀具有着明显的优势，主要体现在以下几个方面：1)加工效率提高1~2倍，机床占用率大大降低，大大降低固定资产成本；2)拐角处振动，和大模具加工的优势更加明显，提高效率3倍以上；3)刀片消耗量大大降低，原来RDKW刀片每月消耗2万片，而大进给刀片消耗量不及3000片。
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4. 小结 ; `0 j d: H6 _# K- ?
   新型大进给铣刀可以通过分屑的方法有效抑制振动，从而进一步提高加长刀具的加工性能；合理的外形设计，使得该刀具的切削性能和使用寿命达到预期的目的；较传统刀具而言，新刀具的加工效率提高了2~3倍，而刀具消耗量为原来1/5，效益相当可观。

4 结束语

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与传统刀具相比，新的高效模具铣刀的加工效率提高了2~3倍，甚至更高，这个成功得益于优化的刀具几何设计和新的铣削策略。高性能铣削刀具的最大优点是减少了对机床的投资。低振动切削对于大悬伸加工效率的提高起到了关键的作用，分屑方法是实现低振动切削最现实的一种方法，同时试验和实际应用都证明效果明显。