在美國(guó)的模具制造業(yè)领靖，始終保持技術(shù)領(lǐng)先可能就是贏利大戶與一般企業(yè)之間的區(qū)別茅姜。雖然可以采用各種策略來(lái)增加企業(yè)贏利奏夫，但其中最容易提高企業(yè)效益的策略是采用先進(jìn)的刀具技術(shù)。本文將介紹和分析刀具技術(shù)的最新發(fā)展動(dòng)向琉枚，以期對(duì)模具制造企業(yè)提高刀具技術(shù)水平有所裨益酌涮。

　　要想提高刀具技術(shù)水平，具備可靠的刀具技術(shù)實(shí)用基礎(chǔ)知識(shí)十分重要更鼻。決定切削刀具質(zhì)量好壞的核心要素是刀具基體丑炒、刀具幾何參數(shù)和表面處理技術(shù)。在這些要素中，有一些特性對(duì)于模具的切削加工至關(guān)重要芬阀。

刀具基體

　　關(guān)于刀具基體我們需要了解一些什么呢焦驰？如果不難做到的話，你不妨拿起手邊的硬質(zhì)合金刀具銑削一下H13或D2淬硬鋼工件讽渐。正如大多數(shù)模具制造商都知道的搭照，并非所有模具鋼的性能都完全相同。事實(shí)上揭斥，如果你曾經(jīng)體驗(yàn)過(guò)從切削P20到切削D2淬硬鋼的變化选癣，你就能正確理解本文討論的內(nèi)容。這一點(diǎn)非常關(guān)鍵廊席，因?yàn)樗瑯舆m用于硬質(zhì)合金基體材料。根據(jù)定義菠发，硬質(zhì)合金材料實(shí)際上可分為4種類型(見(jiàn)下表王滤。數(shù)據(jù)來(lái)源：OSGTap&Die)。

　　硬質(zhì)合金的分類表

　　硬質(zhì)合金分類-晶粒尺寸

　　微米晶粒硬質(zhì)合金-1.0～1.3μm

　　亞微晶粒硬質(zhì)合金-0.6～0.9μm

　　超細(xì)微晶硬質(zhì)合金-0.4～0.5μm

　　納米系列微晶硬質(zhì)合金-0.1～0.3μm

　　硬質(zhì)合金晶粒的尺寸越小滓鸠，硬質(zhì)合金基體的硬度就越高雁乡，其耐磨性也越好。再進(jìn)一步細(xì)分糜俗，硬質(zhì)合金基體包括兩個(gè)關(guān)鍵特性：韌性和硬度踱稍。

　　(1)韌性

　　基體的韌性定義為基體材料碎裂前施加于其上的徑向力大小(N/mm)。通常以橫向斷裂強(qiáng)度(TRS)作為表示基體韌性的度量指標(biāo)悠抹。

　　(2)硬度

　　硬度可以簡(jiǎn)單地通過(guò)對(duì)一個(gè)堅(jiān)硬的測(cè)頭施加精確載荷時(shí)在給定被測(cè)材料上留下的壓痕大小來(lái)測(cè)定珠月。材料越硬，抵抗變形的能力就越強(qiáng)楔敌。

　　硬質(zhì)合金基體中的鈷含量直接影響材料的橫向斷裂強(qiáng)度(TRS)和硬度啤挎。鈷是硬質(zhì)合金中主要的粘結(jié)劑元素。增加鈷含量可以提高基體材料的韌性(TRS)卵凑，但同時(shí)會(huì)因硬度下降而降低材料的耐磨性庆聘。反之，如減少鈷含量淋话，材料的硬度和耐磨性將提高商寝，而韌性則會(huì)下降。

　　高水平的切削刀具制造商研究和掌握了各種基體材料的性能差異后性里，就可以采用不同的基體材料為不同的加工用途(從容易翹曲的鋁材加工到淬硬模具鋼的高速銑削)設(shè)計(jì)制造獨(dú)特的刀具愁淀。

刀具幾何參數(shù)

　　新型高速機(jī)床加工技術(shù)的出現(xiàn)對(duì)刀具性能也提出了更高的要求，這些刀具在高主軸轉(zhuǎn)速和高進(jìn)給率的加工條件下應(yīng)保持穩(wěn)定的切削性能柒杯。如今在高速/高硬銑削加工領(lǐng)域掸枉，普通硬質(zhì)合金刀具的市場(chǎng)空間已越來(lái)越小，雖然此類刀具并非已完全退出市場(chǎng)，但目前市場(chǎng)流行的先進(jìn)機(jī)床已不再使用20年前甚至10年前設(shè)計(jì)的硬質(zhì)合金刀具磷妻，因?yàn)槭袌?chǎng)已經(jīng)完全變化了鼠灼。在硬銑削加工領(lǐng)域，刀具幾何參數(shù)的設(shè)計(jì)必須滿足剛性和精度兩方面的要求搁赘。

　　對(duì)于整體圓形刀具而言眯词，反映刀具剛性的主要指標(biāo)是芯徑尺寸。立銑刀的標(biāo)準(zhǔn)芯徑為其直徑的50%愁反。由于硬銑加工對(duì)刀具剛性的要求更高延届，采用的芯徑尺寸占到直徑的60%～70%，從而犧牲了一部分容屑槽空間贸诚，獲得的回報(bào)是刀體質(zhì)量增大方庭，剛性提高，在銑削淬硬材料時(shí)可為切削刃提供更好的支撐酱固。由于切削深度很少超過(guò)刀具直徑的10%械念，因此容屑槽空間的減小不會(huì)成為太大問(wèn)題。

　　在三維銑削加工中运悲，刀具的“精度”通常是指“徑向精度”龄减。球頭立銑刀的徑向精度可以反映模具型腔和型芯加工完后尚需進(jìn)行手工修磨的程度。高質(zhì)量的球頭立銑刀每隔10°就要檢測(cè)一次徑向精度班眯，而普通立銑刀的精度檢測(cè)常常要寬松得多希停，其結(jié)果是加工時(shí)刀具的誤差被傳遞到工件上，增加了額外的手工修磨工時(shí)署隘。

刀具的表面處理

　　高速切削和硬銑削的加工原理導(dǎo)致加工中產(chǎn)生的切削熱穩(wěn)定升高宠能。因此，標(biāo)準(zhǔn)的PVD涂層(如TiN或TiCN涂層)已不再具有優(yōu)勢(shì)磁餐，TiAlN涂層無(wú)疑成為最佳選擇盼掘，其首要原因是TiAlN涂層具有較高的氧化溫度，使其更適合于切削溫度高而穩(wěn)定的加工場(chǎng)合耸颁。由于溫度的升高彰巫，TiAlN涂層中包含的鋁上升到刀具表面形成一層氧化鋁薄膜，這層薄膜提供了更好的潤(rùn)滑性并擴(kuò)展了刀具性能舞绝。通常TiAlN的氧化溫度約為800℃童丢。在硬銑削加工中，多層TiAlN涂層的刀具壽命可比單層TiAlN涂層提高約35%～50%吆踏。

刀具基體择车、幾何參數(shù)和涂層的技術(shù)創(chuàng)新

　　加工實(shí)踐表明，通過(guò)應(yīng)用切削刀具在基體材料轩丁、幾何參數(shù)和表面涂層方面的創(chuàng)新技術(shù)阀严，推動(dòng)了模具加工技術(shù)的迅猛發(fā)展多析。

　　(1)新型刀具基體材料(微型工件的硬銑削)

　　傳統(tǒng)工藝：使用直徑3mm以下的硬質(zhì)合金球頭立銑刀銑削淬硬工件(如D2或CPM-9V，硬度范圍HRC59～62)砚凳，加工十分吃力初祠。在很多情況下，也使用相同的刀具來(lái)完成精加工鳄橘。由于刀具直徑相對(duì)于工件尺寸非常小声离，以至于銑削時(shí)間通常要超過(guò)1～2小時(shí)。

　　新工藝：磨制的CBN球頭立銑刀是為硬銑加工而開(kāi)發(fā)的新一代刀具瘫怜。與TiAlN涂層硬質(zhì)合金立銑刀相比术徊，刀具硬度從Hv2800提高到Hv4500，這就意味著CBN刀具壽命可達(dá)到硬質(zhì)合金刀具的5～10倍鲸湃。

　　如今赠涮，磨削技術(shù)的進(jìn)步使得CBN刀具螺旋刃的磨制成形成為可能，而過(guò)去因?yàn)槟ハ鲿r(shí)砂輪易變形暗挑，CBN螺旋刃的精確刃磨曾被認(rèn)為難以實(shí)現(xiàn)世囊。以前只有采用銑刀片和車(chē)刀片才能實(shí)現(xiàn)對(duì)硬度達(dá)HRC70的淬硬鋼精加工，如今采用CBN整體圓形刀具也能完成窿祥，其結(jié)果是可降低刀具的長(zhǎng)期成本，改善加工表面光潔度和消除因更換刀具引起的刀痕蝙寨。

　　(2)刀具幾何形狀設(shè)計(jì)新技術(shù)(例1：低主軸轉(zhuǎn)速晒衩、高進(jìn)給率加工)

　　傳統(tǒng)工藝：由于無(wú)法達(dá)到獲得更快切削速度和更大進(jìn)給量所必需的主軸轉(zhuǎn)速，缺少高速機(jī)床(主軸轉(zhuǎn)速15000～40000r/min)的模具生產(chǎn)車(chē)間只好被迫犧牲加工循環(huán)時(shí)間墙歪，從而導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下囚缝，無(wú)法與采用高速機(jī)床的同行進(jìn)行市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。

　　在硬銑削加工領(lǐng)域抄瀑，刀具幾何參數(shù)的設(shè)計(jì)必須滿足剛性和精度兩方面的要求旧匈。

　　對(duì)于整體圓形刀具而言，反映刀具剛性的主要指標(biāo)是芯徑尺寸隆惊。立銑刀的標(biāo)準(zhǔn)芯徑為其直徑的50%闯智。由于硬銑加工對(duì)刀具剛性的要求更高，采用的芯徑尺寸占到直徑的60%～70%蹬寸，從而犧牲了一部分容屑槽空間犹耻，獲得的回報(bào)是刀體質(zhì)量增大，剛性提高广柴，在銑削淬硬材料時(shí)可為切削刃提供更好的支撐春探。由于切削深度很少超過(guò)刀具直徑的10%，因此容屑槽空間的減小不會(huì)成為太大問(wèn)題才嘀。

　　在三維銑削加工中辑皿，刀具的“精度”通常是指“徑向精度”时簸。球頭立銑刀的徑向精度可以反映模具型腔和型芯加工完后尚需進(jìn)行手工修磨的程度。高質(zhì)量的球頭立銑刀每隔10°就要檢測(cè)一次徑向精度赖晶，而普通立銑刀的精度檢測(cè)常常要寬松得多律适，其結(jié)果是加工時(shí)刀具的誤差被傳遞到工件上，增加了額外的手工修磨工時(shí)嬉探。

刀具的表面處理

　　高速切削和硬銑削的加工原理導(dǎo)致加工中產(chǎn)生的切削熱穩(wěn)定升高擦耀。因此，標(biāo)準(zhǔn)的PVD涂層(如TiN或TiCN涂層)已不再具有優(yōu)勢(shì)涩堤，TiAlN涂層無(wú)疑成為最佳選擇眷蜓，其首要原因是TiAlN涂層具有較高的氧化溫度，使其更適合于切削溫度高而穩(wěn)定的加工場(chǎng)合胎围。由于溫度的升高吁系，TiAlN涂層中包含的鋁上升到刀具表面形成一層氧化鋁薄膜，這層薄膜提供了更好的潤(rùn)滑性并擴(kuò)展了刀具性能白魂。通常TiAlN的氧化溫度約為800℃汽纤。在硬銑削加工中，多層TiAlN涂層的刀具壽命可比單層TiAlN涂層提高約35%～50%福荸。

刀具基體蕴坪、幾何參數(shù)和涂層的技術(shù)創(chuàng)新

　　加工實(shí)踐表明，通過(guò)應(yīng)用切削刀具在基體材料疤草、幾何參數(shù)和表面涂層方面的創(chuàng)新技術(shù)础甜，推動(dòng)了模具加工技術(shù)的迅猛發(fā)展。

　　(1)新型刀具基體材料(微型工件的硬銑削)

　　傳統(tǒng)工藝：使用直徑3mm以下的硬質(zhì)合金球頭立銑刀銑削淬硬工件(如D2或CPM-9V孩板，硬度范圍HRC59～62)怨拍，加工十分吃力。在很多情況下蛆删，也使用相同的刀具來(lái)完成精加工灰蒋。由于刀具直徑相對(duì)于工件尺寸非常小，以至于銑削時(shí)間通常要超過(guò)1～2小時(shí)捅悦。

　　新工藝：磨制的CBN球頭立銑刀是為硬銑加工而開(kāi)發(fā)的新一代刀具萍捌。與TiAlN涂層硬質(zhì)合金立銑刀相比，刀具硬度從Hv2800提高到Hv4500目露，這就意味著CBN刀具壽命可達(dá)到硬質(zhì)合金刀具的5～10倍辱矮。

　　如今，磨削技術(shù)的進(jìn)步使得CBN刀具螺旋刃的磨制成形成為可能妻铲，而過(guò)去因?yàn)槟ハ鲿r(shí)砂輪易變形愿瘫，CBN螺旋刃的精確刃磨曾被認(rèn)為難以實(shí)現(xiàn)。以前只有采用銑刀片和車(chē)刀片才能實(shí)現(xiàn)對(duì)硬度達(dá)HRC70的淬硬鋼精加工吞杭，如今采用CBN整體圓形刀具也能完成盏浇，其結(jié)果是可降低刀具的長(zhǎng)期成本变丧，改善加工表面光潔度和消除因更換刀具引起的刀痕。

　　(2)刀具幾何形狀設(shè)計(jì)新技術(shù)(例1：低主軸轉(zhuǎn)速绢掰、高進(jìn)給率加工)

　　傳統(tǒng)工藝：由于無(wú)法達(dá)到獲得更快切削速度和更大進(jìn)給量所必需的主軸轉(zhuǎn)速痒蓬，缺少高速機(jī)床(主軸轉(zhuǎn)速15000～40000r/min)的模具生產(chǎn)車(chē)間只好被迫犧牲加工循環(huán)時(shí)間，從而導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下滴劲，無(wú)法與采用高速機(jī)床的同行進(jìn)行市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)攻晒。結(jié)語(yǔ)

　　在美國(guó)，模具制造商之間的競(jìng)爭(zhēng)非常激烈班挖。雖然與三年前相比鲁捏，模具企業(yè)的運(yùn)營(yíng)狀況已經(jīng)有了明顯好轉(zhuǎn)，但事實(shí)證明萧芙，在美國(guó)模具制造業(yè)不斷發(fā)生變革的今天给梅，只有那些始終站在技術(shù)研發(fā)前列的企業(yè)才會(huì)持續(xù)興旺發(fā)達(dá)。

　　現(xiàn)在應(yīng)該重新審視那些曾經(jīng)認(rèn)為已十分優(yōu)化了的刀具策略双揪，以確保其始終處于技術(shù)領(lǐng)先地位拯羽，認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)非常重要。本文提及的先進(jìn)刀具技術(shù)表明链愉，在刀具新技術(shù)方面的最小投資能使生產(chǎn)率谐创、刀具壽命以及最重要的生產(chǎn)效益獲得巨大的增長(zhǎng)。

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