1 模具被加工材料種類旬渤、特性簡介

1. 模具類型
   模具主要分為以下幾個類型：大型汽車外覆蓋件沖壓模具冰更、普通塑膠注塑模具、PVC注塑模具昂勒、吹塑模具蜀细、五金沖壓及板金模具舟铜、熱擠壓模具、熱鍛模具等等奠衔。
2. 模具材料簡介
   每種不同的模具以及同一模具不同的部位所采用的材料有相當(dāng)?shù)牟顒e谆刨，他的加工特性也有很大的區(qū)別。模具材料的種類極為繁多归斤，由于篇幅原因痊夭，只介紹與本文相關(guān)的被加工材料。

   1. C45W中炭鋼脏里，牌號為S50C~S55C 45#鋼香港稱為王牌鋼她我，此鋼材的硬度為：HB170~HB220，模具有70%~80%的加工采用這種鋼材迫横，加工大多數(shù)對象番舆。
   2. 40CrMnMo7預(yù)硬塑膠模具鋼，硬度HRC28~40很合適做一些中下價模具的鑲件籍喧，有些生產(chǎn)大批量的模具模架也采用此鋼材水仑，好處是硬度比中炭鋼高蒿缎，變形也比中炭鋼穩(wěn)定铃踪，P20此種鋼由于在塑膠模具被廣泛采用，較為普遍的品牌有：718S菠告、718H漏碰、738H、NAK80蚜冀、NAK55等等肯铣，這種鋼材的應(yīng)用占模具的15%~20%左右，他加工的難度要大于45鋼逞扰，主要為型芯和行腔加工诉鸯。
   3. fc250-fc350，fcd500-fcd700添加了Cu唾浙、Ni躬挺、Mo等合金，對總碳量Si蛮放、Mn缩抡、P、S包颁、Mg等組成元素進(jìn)行控制瞻想。因而在分子結(jié)構(gòu)上由于晶體易于變形使之易于馬氏體化一直以來，國內(nèi)汽車行業(yè)所使用的模具材料主要包括鑄態(tài)和鍛態(tài)兩大類娩嚼。鑄態(tài)材料常用的 牌號為HT300蘑险、鉬鉻鑄鐵滴肿、鑄態(tài)風(fēng)冷鋼(7CrSiMnMoV)，鑄鐵材質(zhì)主要用于模具基體漠其，鑄鋼材 質(zhì)則用于鑲塊嘴高。鍛態(tài)材質(zhì)常用的牌號為鍛態(tài)風(fēng)冷鋼(7CrSiMnMoV)、Cr12MoV和屎，主要用于汽車外覆蓋件模具拴驮。

   2 汽車外覆蓋件模具粗加工用球頭銑刀

   近年來，工業(yè)領(lǐng)域使用的刀具產(chǎn)品樣式不斷變化柴信，且絕大多數(shù)的企業(yè)本著降低制造成本的生產(chǎn)理念守犯，要求生產(chǎn)高精度、高品質(zhì)的產(chǎn)品浸弦。這種現(xiàn)象在汽車行業(yè)的加工領(lǐng)域也不例外飘示。針對客戶的要求，株鉆刀具技術(shù)公司采取的策略是：不斷提高刀具使用壽命以及縮短加工時間弹噩。株鉆最新推出了幾種新型高效刀具每竿，在進(jìn)行車門、保險杠国赫、車架等零部件的沖壓模加工時塞俗，能夠大大提高刀具的使用壽命、降低加工成本勉窟。其中BMR03系列刀具就是其中之一皱埋。
   

   圖1 株鉆BMR03系列粗銑球頭銑刀實物照片

   該刀具的外觀圖見1。
   該款刀具適用于汽車外覆蓋件模具粗加工時的型面強(qiáng)力輪廓仿形切削糊批，一般來說拧移，D50、D40的刀具進(jìn)行型面開粗叛赚，D30的刀具進(jìn)行型面的半精和圓弧過渡面的清根加工澡绩，被加工工件的材質(zhì)主要是上面介紹的冷做模具鋼和鉬鉻合金鑄鐵，有些低檔的卡車模具為了降低成本具也采用GCr15鋼材和灰口鑄鐵俺附，甚至采用A3鋼堆焊的毛坯生產(chǎn)肥卡。因此要求該刀具有極高綜合切削性能：1)適用于各種被加工材質(zhì)的刀片槽型和結(jié)構(gòu)；2)優(yōu)秀的抗沖擊性能昙读，強(qiáng)力銑削加工時不能出現(xiàn)切削刃意外崩缺召调；3)長的刀具使用壽命，一般客戶希望能夠不更換刀片情況下不間斷的加工完一個型面蛮浑，對于加工一個大型模具意味著4~12小時的加工壽命唠叛；4)低的切削振動，這是制約加工效率的提高最難逾越的因素沮稚；5)高的形狀精度和高負(fù)荷加工下的刀具精度保持性艺沼；6)刀體高的可靠性册舞。
   該刀片的槽型是綜合考量各種實際切削因素并且通過長達(dá)兩年的用戶試驗，不斷優(yōu)化而最終定型的障般。具體而言主要在以下幾個方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計：

   圖2 A刀具切削力圖

   圖3 B刀具切削力圖

   1. 較傳統(tǒng)刀具更高的精度调鲸，刀片安裝在刀體后他與理想球體的理論誤差應(yīng)該盡可小，而且曲線不能太復(fù)雜瘾枉，而造成研磨困難称痊。株鉆球頭銑刀的球形刃設(shè)計精度所有系列均為≤0.005MM，制造輪廓誤差≤0.05mm(ZOLLER測刀儀)缆兆；
   2. 中心刀片的刀尖設(shè)計保證更低切削振動和抗沖擊性能缸日，過中心區(qū)域切削速度極低(接近為零)。切削阻力極大狡允，非常容易出現(xiàn)刀尖崩缺的現(xiàn)象绝话。必須進(jìn)行了大量的試驗室試驗和客戶實際試驗來提高刀片性能。
      舉例來說页本，其中有一項為切削阻力和切削振動對比試驗狼隶，試驗方案如下：試驗刀具AB兩種國外D40球頭銑刀，被加工材料為：P20HRC35壮才，切削參數(shù)VN=3000赞约，ap=0.5mm，ae=1mm俱竭，f=3000mm/min刮粥，測試儀器：KISTLER動態(tài)電荷測力儀车份。實驗結(jié)果見圖2～圖3谋减。
      由上述圖可知：

      1. 其他條件相同的情形下，f=0.5mm/Z時扫沼，A刀具的最大主切削力Fx=400N出爹，最大主切削力Fx=50N，最大振幅為350N缎除，平均切削力為230N严就；
      2. 其他條件相同的情形下，f=0.8mm/Z時器罐，A刀具的最大主切削力Fx=600N梢为，最大主切削力Fx=80N，最大振幅為520N轰坊，平均切削力為290N铸董；
      3. 其他條件相同的情形下，f=0.5mm/Z時肴沫，B刀具的最大主切削力Fx=800N粟害，最大主切削力Fx=160N蕴忆，最大振幅為640N，平均切削力為400N脏貌；
      4. 其他條件相同的情形下泡煌，f=0.8mm/Z時，B刀具的最大主切削力Fx=1000N站绑，最大主切削力Fx=200N焦莉，最大振幅為800N，平均切削力為500N季佣。
      由以上四點可知恕下，在1mm的小切深情況下，在所有切削條件相同情況下刘纸，B刀具的刀尖受力情況明顯比A差很多桥庵，平均受力大了幾乎一倍，刀具在同等頻率下振動的振幅也明顯大得多侈滚，而上述切削參數(shù)在大多場合都是正常切削參數(shù)氯鲫，這說明在刀具刀尖的處理上A刀具的設(shè)計方案明顯優(yōu)越。而B刀具由于切削阻力和切削振動太大坞角，且刀尖的切削前角僅為-20°倾祈，刀尖過于單薄，刀具的過中心刀尖非常容易崩缺晴叨。
      因此刀尖的形狀設(shè)計非常重要凿宾，他對刀具的實際切削效果有著非常顯著的影響。實際上優(yōu)化設(shè)計刀尖形狀和參數(shù)是一個非常繁雜的過程兼蕊，要平衡諸多因素初厚，如切削振動、刃部強(qiáng)度孙技、刀具使用的工藝特點产禾、刀片材料特性、本身的工藝性等等牵啦，很難一蹴而就亚情，要往返多次不斷的完善。
   3. 刀片的槽型優(yōu)化設(shè)計哈雏，球頭刀的圓弧切削刃各點的切削線速度都不相同楞件，軸心區(qū)低，外部高裳瘪，線速度的變化極大土浸，因此各點承受切削阻力相差很大。
      

      圖4 切削速度對切削阻力的影響

      圖5 刀片槽型圖

      其原理見圖4，由圖可知切削速度低于某個值時越客，切削阻力會急劇增大敏袄，而高過此值時，變化會比較平緩瀑兜，因此設(shè)計主切削刃棱帶坚为、槽型主參數(shù)時必須遵循這個規(guī)律，對于球頭刀來說按翅，設(shè)計為圖5變棱寬棱帶尿绕、光滑曲面的切屑導(dǎo)流槽、連續(xù)變化的前角憾侮、槽寬等等最為合適唧整，配合前刀面的減振凸臺設(shè)計可以在保證刃口強(qiáng)度的基礎(chǔ)上盡可能的減少棱寬從而最大化減少切削阻力和抑制振動。分屑槽刀片选畴，對于大直徑刀具D50啊沟、D40刀具和大懸長刀具來說，在進(jìn)行過渡全刃接觸銑削時作瞄，幾乎難以加工茶宵，排屑非常困難。刀片極易被擠缺宗挥。這時需要采用分屑技術(shù)的刀片乌庶，具體見圖6。在實際驗證時契耿，加工效率得到2倍以上的提高瞒大。
      

      圖6 分屑槽刀片實物照片

      圖7 刀具的疲勞損壞裂紋

   4. 極限過載和疲勞破損校驗，進(jìn)一步改進(jìn)刀具結(jié)構(gòu)搪桂，確保刀具能夠長期穩(wěn)定切削透敌。極限試驗主要用于檢測刀具在推薦的切削參數(shù)下安全性能，包括一系列的超載試驗锅棕。這需要投入極大的物力和精力拙泽，一個產(chǎn)品的開發(fā)必須包含此項驗證淌山。這里列舉其中一項試驗：
      • 檢驗刀具：BMR03_040_G32_XP30_02_M 刀片 XPHT40R2004 牌號：YBG302
        被加工材質(zhì)：NAK80 HRC40
      • 切削參數(shù)：Vn=2500 ap=5mm ae=4mm f=2000mm/min
      • 試驗結(jié)果：加工16小時后裸燎，刀具出現(xiàn)疲勞損壞裂紋，見圖7泼疑，刀體上部安裝刀片的刀槽底面與側(cè)面出現(xiàn)明顯的裂痕德绿。刀體已經(jīng)無法繼續(xù)使用。
      正是疲勞試驗發(fā)現(xiàn)了該試驗刀具的內(nèi)在缺陷闸声，為此進(jìn)行了四次大的改進(jìn)來解決這個問題彻盐，其中包括1)面與面間采用圓弧過渡，消除應(yīng)力集中；2)更高精度的鎖進(jìn)螺紋配合晕忙，提高刀片的安裝剛性交鹊；3)采用優(yōu)質(zhì)耐熱合金鋼制造刀體4)改變表面處理和熱處理工藝，提高抗疲勞性能膛画。改進(jìn)產(chǎn)品小批量客戶試驗證明消除缺陷的產(chǎn)品完全可以滿足實際使用的要求酥盼，現(xiàn)在大批量訂貨也沒有出現(xiàn)問題。
3. 客戶實際案例
   1. 汽車覆蓋件模具球頭銑刀加工案例1
      • 機(jī)床：意大利龍門三軸加工中心
      • 刀具：BMR030-G32-XP30-02-L刀片：XPHT30R1504 牌號YBG302
      • 被加工材料：FC600
      • 加工參數(shù)：Vn=3000r/min ap=4~8mm ae=4mm f=3000mm/min
      • 結(jié)果：加工前與加工后在線激光對刀儀檢測癞亩，精度與國外刀具相同传等，一次加工17小時刀具微見磨損，刀片刃口完好绪痘，小批量使用后性能與國外產(chǎn)品相同鹉奸，建議批量訂貨取代國外刀具。
   2. 模具球頭銑刀加工案例2
      • 機(jī)床：意大利龍門三軸加工中心
      • 刀具：BMR040-MT5-XP40-02-L 刀片：XPHT40R2004 牌號 YBG302
      • 被加工材料：鉬鉻鑄鐵 牌號不祥
      • 加工參數(shù)：Vn=2500r/min ap=8~12mm ae=8mm f=3000mm/min
      • 結(jié)果：精度明顯高于原刀具钱雷，加工時振動明顯低于原加工刀具骂铁，平均刀具的使用壽命和加工效率高于原來刀具的兩倍以上，批量加工未出現(xiàn)異常情況罩抗。
4. 小結(jié)
   新型球頭銑刀較傳統(tǒng)刀具有較大優(yōu)勢从铲，實例證明其高效切削性能，比原來傳統(tǒng)球頭銑刀提高加工效率2倍以上澄暮，而刀具壽命更長名段，性能可以和國外先進(jìn)廠家相當(dāng)；批量應(yīng)用證明該刀具性能穩(wěn)定可靠泣懊，由于性價比高節(jié)約了刀具消耗成本伸辟。

3 新型大進(jìn)給銑刀

1. 新型大進(jìn)給銑刀的外觀
   大進(jìn)給銑刀幾乎與HPM(HIGH PERFORMANCE MACHINING)成為狹義的對等詞，株鉆刀具推出新型大進(jìn)給銑刀馍刮，其外觀見圖8為直徑63mm的大進(jìn)給銑刀圖片信夫。
   新型大進(jìn)給銑刀結(jié)合了低振動切削和高進(jìn)給切削兩種切削形式的優(yōu)點，能夠進(jìn)一步提高刀具的切削性能卡啰。其刀片的基本形狀見圖片9静稻，由圖可知刀片基本形狀為類三角形，三個邊完全對稱匕冠，每個邊由修光刃6胚僧、第一主切削刃7、突起過渡區(qū)8逾族、第二主切削刃9渡厦、刀尖圓弧等組成。刀具的原理及形狀的專利正在申請中床斜。
2. 低振動的新型大進(jìn)給銑刀的原理及特色
   所謂低振動切削是指刀具在加工深的部位而采用大的懸深审鸿，而刀具的剛性與懸長的四次方成反比扇收，加工效率的主要制約就是因為加工振動而不得不降低走刀速度。FEETE GmbH 的理論和試驗證明超茎，如果改變切屑的形狀可以使得鐵屑的截面不變的情況下役倾，提高走刀速度，或者說同等金屬去除率情況下标霎，可以降低切削阻力和消耗功率15%~25%锻刺。這是一個非常可觀的數(shù)據(jù)伊镐。實際上由于受到幾何形狀以及殘余為加工區(qū)域面積的限制懂版，產(chǎn)品應(yīng)用達(dá)不到之一理論值。
   株鉆新型大進(jìn)給銑刀成功的結(jié)合大進(jìn)給銑刀小的主偏角和切屑形狀控制理論躏率，見圖9躯畴，該銑刀在切削深度Ap小于突起過渡區(qū)8到修光刃6時，參與切削的為第一主切削刃7薇芝，這個與傳統(tǒng)的大進(jìn)給銑刀并沒任何區(qū)別蓬抄。但當(dāng)切削深度Ap超過這個臨界值時，如圖中的深度夯到，切屑的形狀發(fā)生了改變嚷缭，傳統(tǒng)的大進(jìn)給銑刀應(yīng)該為一個較長的切屑，而新的銑刀為14耍贾，16兩段切屑阅爽，這種斷屑方法被稱為自臺階短屑。下面我們通過一個試驗來證明對新的刀具的性能的闡述荐开。

   • 試驗機(jī)床：MIKRON UCP1000
   • 被加工材料：NAK80 HRC40
   • 對比試驗刀具：進(jìn)口D32大進(jìn)給銑刀(加長型) 株鉆D32大進(jìn)給銑刀
   • 測量儀器：KISTLER 電荷測力儀
   • 加工參數(shù)：ap=1.7mm付翁，ae=25mm，V=120m/min晃听，f=0.8mm/Z
     試驗結(jié)果百侧，株鉆刀具的切屑形態(tài)見圖10和圖11。
   由于受到機(jī)床功率的限制呛米，F(xiàn)=0.8MM/Z惕仪，機(jī)床已經(jīng)達(dá)到極限功率，XMR01-063-A22-ZD16-04的切削呈兩段排出洒已，切削狀態(tài)正常界贮。
   對比的進(jìn)口刀具已經(jīng)完全喪失了繼續(xù)切削的能力，出現(xiàn)強(qiáng)烈的振動甚至抖動市通。這就證實采用分屑技術(shù)和大進(jìn)給相結(jié)合的新刀具有著更加優(yōu)越的切削性能窟著。
3. 新型大進(jìn)給銑刀實例驗證
   • 加工零件：加工摩托車整流罩模具，包括型芯和行腔模板苫瘾，材料為738H，HRC33~40。
   • 刀具：XMR01-063-A22-ZP16-04湃彻，刀片ZDMT160416-GM 牌號：YBM351 刀具直徑：D63
   • 對比刀具：進(jìn)口D63 大進(jìn)給刀具 刀具直徑：D63
   • 冷卻方式：干式切削
   • 客戶試驗結(jié)果：株鉆刀具每刃平均壽命為3.5小時托祖，進(jìn)口刀具切削壽命為3.7小時，壽命相當(dāng)短酵；株鉆刀具的切削振動聲音對比來說少兄廴狻；株鉆刀具切屑細(xì)碎容易被壓縮空氣吹走查库，切屑刮擦對比要輕路媚。另外值得一提的是，在使用大進(jìn)給前樊销，采用RDKW1204M0的刀片進(jìn)行加工整慎，大進(jìn)給刀具有著明顯的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1)加工效率提高1~2倍围苫，機(jī)床占用率大大降低裤园，大大降低固定資產(chǎn)成本；2)拐角處振動剂府，和大模具加工的優(yōu)勢更加明顯拧揽，提高效率3倍以上；3)刀片消耗量大大降低腺占，原來RDKW刀片每月消耗2萬片淤袜，而大進(jìn)給刀片消耗量不及3000片。
4. 小結(jié)
   新型大進(jìn)給銑刀可以通過分屑的方法有效抑制振動衰伯，從而進(jìn)一步提高加長刀具的加工性能梭唆；合理的外形設(shè)計，使得該刀具的切削性能和使用壽命達(dá)到預(yù)期的目的蟋真；較傳統(tǒng)刀具而言踱陡，新刀具的加工效率提高了2~3倍，而刀具消耗量為原來1/5酷它，效益相當(dāng)可觀荸跃。

4 結(jié)束語