模具鋼大部分是在熱處理前進行切削加工,主要為平面銑削及型腔、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,此時硬度可達到HRC50~60甚至更高。高硬度可保證模具的耐磨性,延長其使用壽命,但熱處理后零件易變形,材料變硬,加工性能變差,為了達到最終精度要求,只能采用磨削甚至手工研磨等方法進行精加工。這種加工方式效率低、周期長、交貨遲、成本高,難以滿足客戶需求。當前,事實上已形成了這樣一種局面,哪家公司能高效加工模具,縮短交貨期,降低相應成本,就能擴大市場,擴大銷售,在競爭中取勝。

為了滿足以上要求,人們改變了思路,是否在材料熱處理淬硬后也能用刀具進行切削加工,特別是各類型腔、型面等是否也能用立銑刀加工,使其不但用于半精加工,甚至用于精加工,實現部分或完全“以銑代磨”。刀具切削在單位時間對零件的切除體積量遠遠大于砂輪磨削,即其加工效率遠遠高于磨削,且在設備投資、占地面積、環境保護、降低總成本等多方面可帶來諸多經濟與社會效益。下面介紹整體立銑刀為適應切削淬硬鋼的要求而做的改進。

刀具材料的開發與創新:CBN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,通常首先想到運用立方氮化硼(CBN)刀具材料,CBN的微粒硬度達HV8000~9000,其燒結體PCBN的硬度可達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,也不會與鐵系材料發生化學反應,與碳也是在2000℃時才會發生反應。CBN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,因此特別適合加工鋼鐵材料。CBN的導熱性為硬質合金的20倍,僅次于金鋼石,且其導熱性隨著溫度的提高而增強。CBN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,摩擦系數會下降,而硬質合金的摩擦系數為0.4~0.6。

三菱材料公司較早開發了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)可以20000R/MIN的轉速、1700MM/MIN的進給量、0.05MM的切深(背吃刀量)銑削60HRC的SKD11模具鋼。切削了800米以后,后刀面僅磨損0.03MM。若將切深提高到0.1MM(即在較高切削負荷下),在切削了400米以后,后刀面磨損高度僅為0.022MM。由于其球頭精度高(R公差為±5μM,外徑公差0~10μM),加工精度很高,為保持同樣的高精度,一把CBN高精度球頭立銑刀所能加工的表面,若換用相同精度的硬質合金球頭立銑刀,則需要7~8把。

在切削淬硬模具鋼時,若選擇CBN材料,雖然價格較貴,但因切削速度高,可以縮短加工時間,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,一味選用新型刀具材料,也可能會增大加工成本(CBN刀具的價格約為硬質合金刀具的6~10倍)。另外,使用新型刀具材料時,若切削條件選擇不當,也會影響加工質量與刀具壽命。因此,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,在保證加工質量的前提下,在切削速度較低等條件下,也可以選用價格較低的涂層硬質合金刀具,同樣可以實現較好的加工效果。

涂層技術與硬質合金材料的新發展

根據不同的使用要求,淬硬鋼的硬度通??蛇_HRC45~68。為了順利切削加工工件,切削刀具的硬度通常需要達到被切削工件硬度的3~5倍以上為宜。涂層硬度常用維氏硬度(HV)測定,以三菱公司的產品為例,其TIN涂層立銑刀硬度為HV1900,采用(AL,TI)N涂層的MSTAR系立銑刀硬度為HV2800,采用(AL,TI,SI)N涂層的VC型立銑刀的硬度為HV3200,最近開發的IMPACTMIRACLE納米級(AL,TI)N涂層VF型立銑刀,其硬度進一步提高,達到HV3700,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。以HRC值單純與HV值相比的話,HRC68大約相當HV940,雖然各硬度值的提高與對比并非線性關系,但可看出,(AL,TI)N涂層MSTAR立銑刀已可以切削淬硬鋼,而硬度和氧化開始溫度更高的IMPACTMIRACLE涂層VF系列立銑刀可獲得更佳的加工效果。

Impact Miracle涂層VF系列立銑刀的切削實例:

(1)用VF2SB R1球頭立銑刀加工高速鋼SKH51(M2)模具(硬度HRC65),切削用量為:轉速20000轉/min,進給速度6000mm/min, 0.15mm/齒,背吃刀量0.07mm,側吃刀量0.2mm,風冷。切削長度達30m后,刀具仍未損傷。

(2)用VFMD 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后,刀具仍未損傷。

(3)用VF2SB 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,每齒進給量0.05mm/齒,背吃刀量(切深)2mm,側吃刀量0.2mm,順銑,風冷。盡管該材料韌性很大,但在切削120多米后,刀具才出現損傷。

(4)用VF2SB R1球頭立銑刀切削HRC68以上的粉末冶金高速鋼模具,切削用量為:轉速8000轉/min,進給速度1260mm/min,每齒進給量0.08mm/齒,背吃刀量0.2mm,側吃刀時0.07mm,風冷,順銑。切削長度可達50米以上,比一般立銑刀壽命提高數倍。

(5)用VF2SB R10球頭立銑刀加工模具鋼SKDII(HRC60),切削用量為:轉速1200轉/min,進給速度240mm/min,每齒進給量0.1mm/齒,背吃刀量可高達8mm,側吃刀量0.5mm,順銑,風冷。在如此大切深條件下,仍可切削30米,為老產品的3倍。

(6)用長頸VF2XLB R1×20球頭立銑刀加工模具深型槽,材料為SKDII(HRC60),切削用量為:轉速10000轉/min,進給速度1000mm/min,每齒進給量0.05mm/齒,風冷,順銑。往復切削長度可達20米,比其它類似產品壽命提高一倍。

(7)用VFMD直角頭立銑刀同時加工硬度達HRC60的淬硬鋼側面與底面,切削穩定,可獲得良好的表面質量,切屑形態、色澤正常,切削速度為151m/min,每齒進給量0.1mm/齒,其底刃的耐缺損性、外周刃的耐磨性均良好。

(8)用圓弧頭立銑刀VFMDRB以切削速度50m/min、每齒進給量0.05mm/齒、切深0.5mm、切寬8mm加工SKDII(60HRC),順銑,風冷。切削長度8米后,刀具幾乎無損傷。

立銑刀基體硬質合金顆粒超微細化

立銑刀刀齒在加工時,反復承受沖擊載荷,因此必須具有足夠的韌性。在切削淬硬材料時,切削力大,更應提高韌性。如今,涂層的硬度越來越高,涂層保證了切削淬硬鋼時刀具的耐磨性,而可切削性、韌性更多則是依靠基體材料來保證。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(主要成分是WC)。為了提高韌性,要使WC結晶顆粒細化,涂層表面越硬,越應使其基體晶粒細化,加工淬硬鋼的性能也越高。Impact Miracle涂層基體材料的晶粒度可達1μm以下,使其耐磨性與韌性同時提高。

 

 




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