淬硬模具高速銑削加工刀具技術(shù)分析
１ 引言
模具是技術(shù)型產(chǎn)品和典型的非定型產(chǎn)品秀存，每套模具都要進(jìn)行創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)羔杨、加工數(shù)控編程、生產(chǎn)準(zhǔn)備窿吩、機(jī)械加工茎杂、裝配及試模等階段曾搪，所經(jīng)過(guò)的周期較長(zhǎng)，特別是其機(jī)械加工費(fèi)時(shí)扯连。因此权饥，如何提高生產(chǎn)效率、縮短開發(fā)周期梨浑、提高模具制造水平面族、降低生產(chǎn)成本一直是模具制造企業(yè)面臨的難題。
無(wú)論是沖壓模具還是鍛壓模具迂儡，構(gòu)成模具型腔的材料一般都是采用高強(qiáng)度的耐磨材料制造（如各種牌號(hào)的合金工具鋼和不銹鋼等）芙捏。這些材料經(jīng)過(guò)淬火熱處理后的硬度很高，一般可達(dá)到50HRC以上杰打，很難用常規(guī)機(jī)械加工方法進(jìn)行切削精加工粤唤。
長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)付這類難加工材料的最好辦法就是采用電火花（EDM）特種加工方法搁鞭，電火花加工存在兩個(gè)明顯的缺點(diǎn)：一是生產(chǎn)效率低预锅，二是加工質(zhì)量難以保證。
高速切削加工技術(shù)的出現(xiàn)為模具制造技術(shù)帶來(lái)了嶄新的途徑恢恼。與電火花（EDM）加工相比民傻，高速切削加工具有生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好场斑、能加工型腔較復(fù)雜的硬質(zhì)零件和薄壁零件等優(yōu)點(diǎn)饰潜。因此，自20世紀(jì)90年代以來(lái)和簸，國(guó)外模具工業(yè)開始采用高速切削方法進(jìn)行模具型腔的精加工。
據(jù)統(tǒng)計(jì)碟刺，目前工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已有85％模具的電加工工藝被高速切削加工工藝所取代锁保，高速切削加工在國(guó)際模具制造工藝中的主流地位已確立。我國(guó)在20世紀(jì)90年代也開始重視高速切削加工技術(shù)的研究與應(yīng)用半沽。高速切削加工模具的關(guān)鍵技術(shù)是刀具技術(shù)和機(jī)床技術(shù)爽柒。本文分析了淬硬模具高速銑削加工刀具的相關(guān)技術(shù)。
2 高速銑削淬硬模具的優(yōu)點(diǎn)
在高速切削加工中最常用的加工方法是高速銑削者填，用高速銑削模具代替電火花加工模具具有如下優(yōu)點(diǎn)浩村。
（１）加工質(zhì)量好
用傳統(tǒng)電火花加工方法加工模具時(shí)，在對(duì)工件表面局部高溫放電燒蝕過(guò)程中占哟，工件材料表面的物理-機(jī)械性能會(huì)受到一定損傷心墅，常常會(huì)在型腔表面產(chǎn)生微細(xì)裂紋，難以保證工件加工質(zhì)量谴童。高速銑削以高于常規(guī)銑削速度10倍左右的切削速度對(duì)零件進(jìn)行加工辖京，毛坯的余量還來(lái)不及充分變形就瞬間被切離工件帝匙，工件表面的殘余應(yīng)力非常小。同時(shí)克干，高速銑削過(guò)程中機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速極高（8000r/min～100000r/min）反狞，“機(jī)床－夾具－工件－刀具”工藝系統(tǒng)的激振頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其固有頻率范圍，零件加工過(guò)程平穩(wěn)無(wú)沖擊讽噪。因此跳清，零件的加工精度高，表面質(zhì)量好渠吮。經(jīng)過(guò)高速銑削的模具型腔客止，表面質(zhì)量可達(dá)到磨削的水平，故可省去后續(xù)的磨削加工工序稻猜。
（2）生產(chǎn)效率高
由于電火花加工是靠放電燒蝕進(jìn)行的“微切削”牙枕，加工過(guò)程非常緩慢，同時(shí)坦康，模具型腔表面粗糙度也達(dá)不到模具的要求竣付，往往經(jīng)過(guò)電火花加工后還需進(jìn)行費(fèi)時(shí)的手工研磨和拋光模具，因此這種工藝生產(chǎn)效率極低滞欠。在加工中心或高速銑床上切削加工模具古胆，其加工過(guò)程本身的效率比電火花加工高出好幾倍。同時(shí)筛璧，可以在工件一次裝夾中完成型腔的粗逸绎、精加工及模具其它部位的機(jī)械加工，即實(shí)現(xiàn)所謂的“一次過(guò)”技術(shù)（One Pass Machining）夭谤。此外棺牧，該技術(shù)不需
要做電極及后續(xù)的手工研磨和拋光，容易實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的自動(dòng)化朗儒。因此颊乘，高速加工技術(shù)的應(yīng)用使模具開發(fā)速度大為提高。
（3）能加工形狀復(fù)雜的硬質(zhì)零件和薄壁零件
由高速切削機(jī)理可知醉锄，高速銑削時(shí)切削力大為減少乏悄，切削過(guò)程變得比較輕松。高速切削可以加工材料硬度達(dá)60HRC以上的淬硬鋼恳不，可以不用切削液褥辰，即所謂的硬切削（Hard Machining）和干切削（Dry Machining）。更為突出的是麸河，在高速銑削中橫向切削力很小力邻，這對(duì)加工復(fù)雜模具型腔中的一些細(xì)筋和薄壁（壁厚可小于1mm）極其有利。當(dāng)然冰枯，高速銑削加工模具也存在一定的局限殊划。當(dāng)工件材料硬度大于60HRC以上祷燥，并且具有既窄又深的型腔且倒角和圓角非常小時(shí)，高速銑削加工就顯得非常困難登徐，而采用高速銑削和電火花加工的有機(jī)組合就可以達(dá)到較好的經(jīng)濟(jì)效果翁乌。
3 高速銑削淬硬模具的刀具技術(shù)
在高速銑削加工模具中，刀具技術(shù)最關(guān)鍵哟笨，而且涉及面多蒙搅，主要體現(xiàn)在刀具材料及幾何參數(shù)選擇、刀具的損壞與檢測(cè)母逸、刀具與機(jī)床的連接技術(shù)潘尿、刀具的安全性等問(wèn)題上。
3.1 刀具材料及幾何參數(shù)選擇
（１）刀具材料
高速銑削要求高速刀具材料與被加工材料必須有較小的化學(xué)親和力徒溪，具有良好的熱穩(wěn)定性忿偷、抗沖擊性、耐磨性臊泌、抗熱疲勞性鲤桥，并具有優(yōu)良的力學(xué)性能等。
目前渠概，用于高速硬銑削的刀具材料主要有聚晶立方氮化硼（PCBN）茶凳、陶瓷、新型硬質(zhì)合金和涂層硬質(zhì)合金等播揪，應(yīng)根據(jù)模具材料贮喧、刀具幾何形狀、切削條件三大因素來(lái)選擇刀具材料猪狈。
由于聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具具有很高的硬度和耐磨性箱沦，因而適合于高速切削淬硬鋼。在加工硬度低于50HRC的工件時(shí)雇庙，PCBN刀具形成的切屑為長(zhǎng)條形饱普，在刀具表面產(chǎn)生月洼磨損，從而縮短刀具壽命茶踪。因此，PCBN刀具適合加工硬度高于55～65HRC的材料屿钥。
陶瓷刀具的成本低于PCBN刀具教叽，具有良好的熱化學(xué)穩(wěn)定性，但其韌性和硬度不如PCBN刀具好坎市。因此嘶忘，陶瓷刀具比較適合加工相對(duì)比較軟的材料（HRC≤50）。新型硬質(zhì)合金和涂層硬質(zhì)合金刀具成本較低盹馅，但切削硬度不如PCBN刀具和陶瓷刀具躁银，一般在40～50HRC之間愿航。
從目前研究情況看，在所有模具高速切削刀具材料中蔑辽，聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具的性能較好身音，是進(jìn)行淬硬鋼模具加工的主要刀具材料。
（2）刀具幾何參數(shù)選擇
當(dāng)刀具材料選定后触尚，刀具幾何參數(shù)的選擇對(duì)刀具的壽命和切削速度有較大的影響叔收，一般應(yīng)選擇強(qiáng)度盡可能大的刀片形狀，刀尖圓弧半徑也盡可能大傲隶。
與普通銑削相比饺律，高速銑削時(shí)前角應(yīng)小10°，后角應(yīng)大5°～8°跺株。高速銑削時(shí)复濒，根據(jù)加工材料不同刀具的合理參數(shù)也不同，在加工淬硬鋼時(shí)乒省，起重要作用的刀具幾何角度是前角γ0和后角α0巧颈。高速銑削時(shí)合理的前角γ0和后角α0經(jīng)驗(yàn)值見(jiàn)表１。
表１ 不同材料的高速切削加工刀具合理的γ0作儿、α0值
工件材料－γ0－α0
鋁合金－12°～15°－13°～15°
鋼－0°～5°－12°～16°
鑄鐵－0°－１２°
另外洛二，硬切削的切削力大，除要求刀片強(qiáng)度外攻锰，對(duì)刀桿強(qiáng)度和剛度要求也高晾嘶。
3.2 刀具的損壞與檢測(cè)
（１）刀具損壞
由于高速銑削刀具價(jià)格較貴，刀具的損壞嚴(yán)重縮短了刀具的使用壽命娶吞，增加了高速銑削加工的成本垒迂。因此，控制刀具的損壞肖糖，加強(qiáng)刀具的檢測(cè)對(duì)高速銑削具有重要意義笨拯。刀具損壞有磨損和破損兩種情況。磨損是刀具在加工過(guò)程中與工件發(fā)生接觸和摩擦而產(chǎn)生的表面材料消耗現(xiàn)象睹蜈；破損是刀具發(fā)生崩刃讶粹、斷裂、塑性變形等導(dǎo)致刀具失去切削能力的現(xiàn)象牲课，它包括脆性破損和塑性破損贩仇。
刀具磨損是高速銑削中需解決的一個(gè)難題。高速銑削時(shí)刀具的磨損主要有后刀面磨損女灸、前刀面月牙洼磨損切役、邊界磨損、微崩刃但雨、片狀剝落蕉妇、塑性變形等形態(tài)碟堵。不同加工材料及高速刀具材料的主要磨損形式不同。后刀面磨損是高速刀具磨損的最常見(jiàn)的形式腹忽，也是刀具的正常磨損形式来累，一般用后刀面均勻磨損區(qū)寬度VB值作為刀具的磨損極限。后刀面磨損區(qū)寬度加大會(huì)使刀具切削迅速減弱留凭。前刀面月牙洼磨損主要出現(xiàn)在塑性金屬的高速切削加工中佃扼，常發(fā)生在切削溫度較高而刀具紅硬性差的切削條件下。邊界磨損常發(fā)生在刀具后刀面的刀具蔼夜、工件接觸邊緣處兼耀，形狀為一狹長(zhǎng)溝槽。高速切削不銹鋼求冷、高溫合金時(shí)易發(fā)生邊界磨損瘤运。微崩刃是在刀具切削刃上產(chǎn)生的微小缺口，通常發(fā)生在斷續(xù)高速切削時(shí)匠题。
片狀剝落主要發(fā)生在刀具的前拯坟、后刀面上，其原因是刀具－切屑韭山、刀具－工件接觸區(qū)的接觸疲勞或熱應(yīng)力疲勞所致郁季。
（2）刀具的檢測(cè)
目前，刀具檢測(cè)主要采用人工檢測(cè)腻危、離線檢測(cè)和在線檢測(cè)三種形式弹双。人工檢測(cè)是由工人在加工時(shí)憑經(jīng)驗(yàn)對(duì)刀具的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)；離線檢測(cè)是在加工之前對(duì)刀具進(jìn)行專門檢測(cè)雇法，并預(yù)測(cè)其壽命战辨，看能否完成當(dāng)前的加工任務(wù)；在線檢測(cè)也稱實(shí)時(shí)檢測(cè)嗜吉，是在加工過(guò)程中實(shí)時(shí)對(duì)刀具進(jìn)行檢測(cè)莱火，并依據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的處理。
3.3 刀具與機(jī)床連接技術(shù)
在高速切削條件下熄自，刀具與機(jī)床的連接系統(tǒng)是影響加工精度和刀具安全性的重要方面驻碟，傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)7：24錐度實(shí)心長(zhǎng)刀柄結(jié)構(gòu)已不能滿足高速切削的要求，必須研制和開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)的刀柄來(lái)連接刀具與機(jī)床专菠。高速切削條件下卸禽，要求刀具系統(tǒng)（刀具、夾頭和刀柄）具有以下特點(diǎn)：
（１）較高的刀具系統(tǒng)精度
刀具系統(tǒng)精度包括系統(tǒng)定位夾持精度和刀具重復(fù)定位精度药封，前者指刀具與刀柄、刀柄與機(jī)床主軸的連接精度侯选；后者指每次換刀后刀具系統(tǒng)精度一致性吠谢。刀具系統(tǒng)具有較高的系統(tǒng)精度土童，才能保證高速加工條件下刀具系統(tǒng)應(yīng)有的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。
（２）較高的刀具系統(tǒng)剛性
刀具系統(tǒng)的靜工坊、動(dòng)剛性是影響加工精度及切削性能的重要因素献汗。刀具系統(tǒng)剛性不足會(huì)導(dǎo)致刀具系統(tǒng)振動(dòng)，從而降低加工精度王污，并加劇刀具的磨損罢吃，降低刀具的使用壽命。
（３）較好的動(dòng)平衡性
高速加工條件下昭齐，微小質(zhì)量的不平衡都會(huì)造成巨大的離心力尿招，引起機(jī)床和加工過(guò)程的急劇振動(dòng)。因此阱驾，高速刀具系統(tǒng)的動(dòng)平衡非常重要就谜。
為了適應(yīng)高速切削加工對(duì)刀具系統(tǒng)的要求，近十多年來(lái)里覆，各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相繼研制開發(fā)了多種新型結(jié)構(gòu)的刀柄丧荐。目前最具有代表性的是德國(guó)的HSK刀柄、美國(guó)的KM刀柄以及日本的BIG—PLUS刀柄哮瓦。
HSK刀柄由錐面和法蘭端面完成徑向和軸向雙面定位圣辩，實(shí)現(xiàn)與主軸的剛性連接。當(dāng)?shù)侗?/font>機(jī)床主軸上安裝時(shí)岛盗，錐度為1：10的空心短錐柄與主軸錐孔完全接觸匆罗，起到定心作用，實(shí)現(xiàn)刀具與主軸間的同軸度牺鱼。此時(shí)樊何，HSK刀柄法蘭盤與主軸端面間還存在著約0.1mm的間隙。在拉緊機(jī)構(gòu)作用下跪晕，拉桿向左移動(dòng)使其前端錐面將彈性?shī)A爪徑向脹開秀彤，同時(shí)夾爪的外錐面作用在空心短錐柄內(nèi)孔的30°錐面上，空心短錐柄產(chǎn)生彈性變形啄崖，并使其端面與主軸端面靠緊笙吠，實(shí)現(xiàn)了刀柄與主軸錐面和主軸端面同時(shí)定位和夾緊的功能。
KM刀柄是與HSK刀柄并存的1：10短錐空心刀柄垄暗，錐柄長(zhǎng)度僅為標(biāo)準(zhǔn)7：24錐度實(shí)心長(zhǎng)刀柄的1/3轴座。由于配合錐度較短，部分解決了端面與錐面同時(shí)定位而產(chǎn)生的干涉問(wèn)題简烘。另一方面苔严，KM刀柄與主軸錐孔間的配合過(guò)盈量較高，可達(dá)HSK刀柄結(jié)構(gòu)的2～5倍，連接剛度比HSK刀柄高届氢。同時(shí)欠窒，與其它類型的空心錐柄連接相比，相同法蘭外徑采用的錐柄直徑較小退子，因而主軸錐孔在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)擴(kuò)張小岖妄，高速性能好。
3.4 刀具的安全性
高速銑削模具時(shí)應(yīng)對(duì)銑刀提出安全性要求寂祥。試驗(yàn)證明荐虐，普通銑刀的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度不能適應(yīng)高速切削的要求。銑刀在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)丸凭，刀具的各部分承受的離心力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)切削力本身的作用福扬，成為刀具的主要載荷。當(dāng)離心力達(dá)到一定的程度時(shí)贮乳，會(huì)造成刀具的變形忧换，甚至破裂，從而造成嚴(yán)重的后果饥猴。因此倔晚，研究高速銑刀的安全性技術(shù)，防止由離心力引起的刀具損壞屉胳，對(duì)高速銑削模具的刀具技術(shù)有極其重要的意義封均。
德國(guó)在高速切削工具系統(tǒng)的方面研究成果為高速切削加工技術(shù)的推廣應(yīng)用作出了重要貢獻(xiàn)。早在20世紀(jì)90年代初德國(guó)就開始了對(duì)高速銑刀的安全性技術(shù)研究履剔，取得了一系列的成果篇臭，并制訂了ＤＩＮ６５８９－１《高速旋轉(zhuǎn)銑刀的安全性要求》標(biāo)準(zhǔn)草案，規(guī)定了高速銑刀失效的試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)轨来，在技術(shù)上提出了高速銑刀設(shè)計(jì)肢抚、制造和使用的指導(dǎo)性意見(jiàn)，規(guī)定了統(tǒng)一的安全性檢驗(yàn)方法基霞。該標(biāo)準(zhǔn)草案已成為各國(guó)高速銑刀安全性的指導(dǎo)性文件别主。
高速銑刀的安全失效形式有兩種：變形和破裂。不同類型的銑刀阎瘩，其安全試驗(yàn)方法也不同色罚。對(duì)于機(jī)夾可轉(zhuǎn)位銑刀，一種試驗(yàn)方法是在1.6倍于最大使用轉(zhuǎn)速下刀具的永久性變形或零件的位移不超過(guò)0.05mm账劲；另一種試驗(yàn)方法是在2倍于最大使用轉(zhuǎn)速下刀具不發(fā)生破裂戳护，包括夾緊刀片的螺釘被剪斷、刀片或其他夾緊元件被甩飛瀑焦、刀體爆裂等腌且。對(duì)于整體式銑刀，則必須在2倍于最大使用轉(zhuǎn)速條件下試驗(yàn)而不發(fā)生彎曲或斷裂。
結(jié)合高速銑刀安全性標(biāo)準(zhǔn)铺董，通過(guò)有限元計(jì)算模型的分析统捶，為適應(yīng)高速銑刀的安全性要求，可從以下幾個(gè)方面著手：
（１）刀具質(zhì)量和刀具結(jié)構(gòu)
減輕刀具質(zhì)量柄粹、減少刀具系統(tǒng)構(gòu)件數(shù)和簡(jiǎn)化刀具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是提高刀具破裂極限的有效途徑。比較同一直徑刀具用試驗(yàn)求得的破裂極限與刀具質(zhì)量匆绣、刀具構(gòu)件數(shù)和構(gòu)件接觸面數(shù)間的關(guān)系驻右，可以發(fā)現(xiàn)，刀具質(zhì)量越輕崎淳，刀具系統(tǒng)構(gòu)件數(shù)量和構(gòu)件接觸面越少境猜，刀具破裂極限轉(zhuǎn)速越高。為減小刀具質(zhì)量寨衣，應(yīng)根據(jù)材料抗拉強(qiáng)度與密度的比值以及刀具應(yīng)用的轉(zhuǎn)速范圍選擇刀體材料胸叠。目前，有采用高強(qiáng)度鋁合金制造高速銑刀刀體遇托。
在刀具結(jié)構(gòu)上债烹，應(yīng)注意避免和減小應(yīng)力集中。刀體上的槽（包括刀座槽笔广、容屑槽闪侨、鍵槽）會(huì)引起應(yīng)力集中，降低刀體的強(qiáng)度灿西，因此應(yīng)盡量避免通槽和槽底帶尖角挑明。同時(shí)，刀具的結(jié)構(gòu)應(yīng)對(duì)稱于回轉(zhuǎn)軸善婉，使重心通過(guò)銑刀的軸線沪翔。刀片和刀座的夾緊、調(diào)整結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能消除游隙抄瓦，并且要求重復(fù)定位性好潮瓶。
（2）刀具（刀片）的夾緊方式
模擬計(jì)算和破裂試驗(yàn)研究表明，高速銑刀刀片的夾緊方法不允許采用通常的摩擦力夾緊闺鲸，而要用帶中心孔的刀片用螺釘夾緊筋讨，或用特殊設(shè)計(jì)的刀具結(jié)構(gòu)，以防止刀片甩飛摸恍。刀座悉罕、刀片的夾緊力方向最好與離心力方向一致，同時(shí)要控制好螺釘?shù)念A(yù)緊力立镶，防止螺釘因過(guò)載而提前受損壁袄。小直徑帶柄銑刀有兩種高精度、高剛度的夾緊方法：液壓夾頭和熱脹冷縮夾頭。
（3）刀具的動(dòng)平衡性
在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)嗜逻，刀具的不平衡不僅會(huì)引起機(jī)床主軸系統(tǒng)振動(dòng)涩僻，影響加工精度，同時(shí)還會(huì)對(duì)刀具系統(tǒng)產(chǎn)生附加徑向載荷栈顷，其大小與刀具轉(zhuǎn)速平方成正比逆日。
由此可見(jiàn)，提高刀具的動(dòng)平衡性可較大程度地減小離心力辐菩，提高高速刀具的安全性芭贬。因此，按照《高速旋轉(zhuǎn)銑刀的安全性要求》標(biāo)準(zhǔn)草案要求处膛，用于高速切削的銑刀必須經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡測(cè)試坚呜，并應(yīng)達(dá)到ISO1940－1規(guī)定的G4.0平衡質(zhì)量等級(jí)以上要求。
4 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)對(duì)刀具材料及幾何參數(shù)胆抓、刀具損壞與檢測(cè)闸虹、刀具與機(jī)床的連接技術(shù)、刀具安全性四個(gè)方面分析了高速銑削淬硬模具時(shí)對(duì)刀具的要求辽察，只有解決好高速銑削刀具這些問(wèn)題敌痴，才有利于模具高速銑削加工技術(shù)的推廣應(yīng)用。
模具是技術(shù)型產(chǎn)品和典型的非定型產(chǎn)品秀存，每套模具都要進(jìn)行創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)羔杨、加工數(shù)控編程、生產(chǎn)準(zhǔn)備窿吩、機(jī)械加工茎杂、裝配及試模等階段曾搪，所經(jīng)過(guò)的周期較長(zhǎng)，特別是其機(jī)械加工費(fèi)時(shí)扯连。因此权饥，如何提高生產(chǎn)效率、縮短開發(fā)周期梨浑、提高模具制造水平面族、降低生產(chǎn)成本一直是模具制造企業(yè)面臨的難題。
無(wú)論是沖壓模具還是鍛壓模具迂儡，構(gòu)成模具型腔的材料一般都是采用高強(qiáng)度的耐磨材料制造（如各種牌號(hào)的合金工具鋼和不銹鋼等）芙捏。這些材料經(jīng)過(guò)淬火熱處理后的硬度很高，一般可達(dá)到50HRC以上杰打，很難用常規(guī)機(jī)械加工方法進(jìn)行切削精加工粤唤。
長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)付這類難加工材料的最好辦法就是采用電火花（EDM）特種加工方法搁鞭，電火花加工存在兩個(gè)明顯的缺點(diǎn)：一是生產(chǎn)效率低预锅，二是加工質(zhì)量難以保證。
高速切削加工技術(shù)的出現(xiàn)為模具制造技術(shù)帶來(lái)了嶄新的途徑恢恼。與電火花（EDM）加工相比民傻，高速切削加工具有生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好场斑、能加工型腔較復(fù)雜的硬質(zhì)零件和薄壁零件等優(yōu)點(diǎn)饰潜。因此，自20世紀(jì)90年代以來(lái)和簸，國(guó)外模具工業(yè)開始采用高速切削方法進(jìn)行模具型腔的精加工。
據(jù)統(tǒng)計(jì)碟刺，目前工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已有85％模具的電加工工藝被高速切削加工工藝所取代锁保，高速切削加工在國(guó)際模具制造工藝中的主流地位已確立。我國(guó)在20世紀(jì)90年代也開始重視高速切削加工技術(shù)的研究與應(yīng)用半沽。高速切削加工模具的關(guān)鍵技術(shù)是刀具技術(shù)和機(jī)床技術(shù)爽柒。本文分析了淬硬模具高速銑削加工刀具的相關(guān)技術(shù)。
2 高速銑削淬硬模具的優(yōu)點(diǎn)
在高速切削加工中最常用的加工方法是高速銑削者填，用高速銑削模具代替電火花加工模具具有如下優(yōu)點(diǎn)浩村。
（１）加工質(zhì)量好
用傳統(tǒng)電火花加工方法加工模具時(shí)，在對(duì)工件表面局部高溫放電燒蝕過(guò)程中占哟，工件材料表面的物理-機(jī)械性能會(huì)受到一定損傷心墅，常常會(huì)在型腔表面產(chǎn)生微細(xì)裂紋，難以保證工件加工質(zhì)量谴童。高速銑削以高于常規(guī)銑削速度10倍左右的切削速度對(duì)零件進(jìn)行加工辖京，毛坯的余量還來(lái)不及充分變形就瞬間被切離工件帝匙，工件表面的殘余應(yīng)力非常小。同時(shí)克干，高速銑削過(guò)程中機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速極高（8000r/min～100000r/min）反狞，“機(jī)床－夾具－工件－刀具”工藝系統(tǒng)的激振頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其固有頻率范圍，零件加工過(guò)程平穩(wěn)無(wú)沖擊讽噪。因此跳清，零件的加工精度高，表面質(zhì)量好渠吮。經(jīng)過(guò)高速銑削的模具型腔客止，表面質(zhì)量可達(dá)到磨削的水平，故可省去后續(xù)的磨削加工工序稻猜。
（2）生產(chǎn)效率高
由于電火花加工是靠放電燒蝕進(jìn)行的“微切削”牙枕，加工過(guò)程非常緩慢，同時(shí)坦康，模具型腔表面粗糙度也達(dá)不到模具的要求竣付，往往經(jīng)過(guò)電火花加工后還需進(jìn)行費(fèi)時(shí)的手工研磨和拋光模具，因此這種工藝生產(chǎn)效率極低滞欠。在加工中心或高速銑床上切削加工模具古胆，其加工過(guò)程本身的效率比電火花加工高出好幾倍。同時(shí)筛璧，可以在工件一次裝夾中完成型腔的粗逸绎、精加工及模具其它部位的機(jī)械加工，即實(shí)現(xiàn)所謂的“一次過(guò)”技術(shù)（One Pass Machining）夭谤。此外棺牧，該技術(shù)不需
要做電極及后續(xù)的手工研磨和拋光，容易實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的自動(dòng)化朗儒。因此颊乘，高速加工技術(shù)的應(yīng)用使模具開發(fā)速度大為提高。
（3）能加工形狀復(fù)雜的硬質(zhì)零件和薄壁零件
由高速切削機(jī)理可知醉锄，高速銑削時(shí)切削力大為減少乏悄，切削過(guò)程變得比較輕松。高速切削可以加工材料硬度達(dá)60HRC以上的淬硬鋼恳不，可以不用切削液褥辰，即所謂的硬切削（Hard Machining）和干切削（Dry Machining）。更為突出的是麸河，在高速銑削中橫向切削力很小力邻，這對(duì)加工復(fù)雜模具型腔中的一些細(xì)筋和薄壁（壁厚可小于1mm）極其有利。當(dāng)然冰枯，高速銑削加工模具也存在一定的局限殊划。當(dāng)工件材料硬度大于60HRC以上祷燥，并且具有既窄又深的型腔且倒角和圓角非常小時(shí)，高速銑削加工就顯得非常困難登徐，而采用高速銑削和電火花加工的有機(jī)組合就可以達(dá)到較好的經(jīng)濟(jì)效果翁乌。
3 高速銑削淬硬模具的刀具技術(shù)
在高速銑削加工模具中，刀具技術(shù)最關(guān)鍵哟笨，而且涉及面多蒙搅，主要體現(xiàn)在刀具材料及幾何參數(shù)選擇、刀具的損壞與檢測(cè)母逸、刀具與機(jī)床的連接技術(shù)潘尿、刀具的安全性等問(wèn)題上。
3.1 刀具材料及幾何參數(shù)選擇
（１）刀具材料
高速銑削要求高速刀具材料與被加工材料必須有較小的化學(xué)親和力徒溪，具有良好的熱穩(wěn)定性忿偷、抗沖擊性、耐磨性臊泌、抗熱疲勞性鲤桥，并具有優(yōu)良的力學(xué)性能等。
目前渠概，用于高速硬銑削的刀具材料主要有聚晶立方氮化硼（PCBN）茶凳、陶瓷、新型硬質(zhì)合金和涂層硬質(zhì)合金等播揪，應(yīng)根據(jù)模具材料贮喧、刀具幾何形狀、切削條件三大因素來(lái)選擇刀具材料猪狈。
由于聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具具有很高的硬度和耐磨性箱沦，因而適合于高速切削淬硬鋼。在加工硬度低于50HRC的工件時(shí)雇庙，PCBN刀具形成的切屑為長(zhǎng)條形饱普，在刀具表面產(chǎn)生月洼磨損，從而縮短刀具壽命茶踪。因此，PCBN刀具適合加工硬度高于55～65HRC的材料屿钥。
陶瓷刀具的成本低于PCBN刀具教叽，具有良好的熱化學(xué)穩(wěn)定性，但其韌性和硬度不如PCBN刀具好坎市。因此嘶忘，陶瓷刀具比較適合加工相對(duì)比較軟的材料（HRC≤50）。新型硬質(zhì)合金和涂層硬質(zhì)合金刀具成本較低盹馅，但切削硬度不如PCBN刀具和陶瓷刀具躁银，一般在40～50HRC之間愿航。
從目前研究情況看，在所有模具高速切削刀具材料中蔑辽，聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具的性能較好身音，是進(jìn)行淬硬鋼模具加工的主要刀具材料。
（2）刀具幾何參數(shù)選擇
當(dāng)刀具材料選定后触尚，刀具幾何參數(shù)的選擇對(duì)刀具的壽命和切削速度有較大的影響叔收，一般應(yīng)選擇強(qiáng)度盡可能大的刀片形狀，刀尖圓弧半徑也盡可能大傲隶。
與普通銑削相比饺律，高速銑削時(shí)前角應(yīng)小10°，后角應(yīng)大5°～8°跺株。高速銑削時(shí)复濒，根據(jù)加工材料不同刀具的合理參數(shù)也不同，在加工淬硬鋼時(shí)乒省，起重要作用的刀具幾何角度是前角γ0和后角α0巧颈。高速銑削時(shí)合理的前角γ0和后角α0經(jīng)驗(yàn)值見(jiàn)表１。
表１ 不同材料的高速切削加工刀具合理的γ0作儿、α0值
工件材料－γ0－α0
鋁合金－12°～15°－13°～15°
鋼－0°～5°－12°～16°
鑄鐵－0°－１２°
另外洛二，硬切削的切削力大，除要求刀片強(qiáng)度外攻锰，對(duì)刀桿強(qiáng)度和剛度要求也高晾嘶。
3.2 刀具的損壞與檢測(cè)
（１）刀具損壞
由于高速銑削刀具價(jià)格較貴，刀具的損壞嚴(yán)重縮短了刀具的使用壽命娶吞，增加了高速銑削加工的成本垒迂。因此，控制刀具的損壞肖糖，加強(qiáng)刀具的檢測(cè)對(duì)高速銑削具有重要意義笨拯。刀具損壞有磨損和破損兩種情況。磨損是刀具在加工過(guò)程中與工件發(fā)生接觸和摩擦而產(chǎn)生的表面材料消耗現(xiàn)象睹蜈；破損是刀具發(fā)生崩刃讶粹、斷裂、塑性變形等導(dǎo)致刀具失去切削能力的現(xiàn)象牲课，它包括脆性破損和塑性破損贩仇。
刀具磨損是高速銑削中需解決的一個(gè)難題。高速銑削時(shí)刀具的磨損主要有后刀面磨損女灸、前刀面月牙洼磨損切役、邊界磨損、微崩刃但雨、片狀剝落蕉妇、塑性變形等形態(tài)碟堵。不同加工材料及高速刀具材料的主要磨損形式不同。后刀面磨損是高速刀具磨損的最常見(jiàn)的形式腹忽，也是刀具的正常磨損形式来累，一般用后刀面均勻磨損區(qū)寬度VB值作為刀具的磨損極限。后刀面磨損區(qū)寬度加大會(huì)使刀具切削迅速減弱留凭。前刀面月牙洼磨損主要出現(xiàn)在塑性金屬的高速切削加工中佃扼，常發(fā)生在切削溫度較高而刀具紅硬性差的切削條件下。邊界磨損常發(fā)生在刀具后刀面的刀具蔼夜、工件接觸邊緣處兼耀，形狀為一狹長(zhǎng)溝槽。高速切削不銹鋼求冷、高溫合金時(shí)易發(fā)生邊界磨損瘤运。微崩刃是在刀具切削刃上產(chǎn)生的微小缺口，通常發(fā)生在斷續(xù)高速切削時(shí)匠题。
片狀剝落主要發(fā)生在刀具的前拯坟、后刀面上，其原因是刀具－切屑韭山、刀具－工件接觸區(qū)的接觸疲勞或熱應(yīng)力疲勞所致郁季。
（2）刀具的檢測(cè)
目前，刀具檢測(cè)主要采用人工檢測(cè)腻危、離線檢測(cè)和在線檢測(cè)三種形式弹双。人工檢測(cè)是由工人在加工時(shí)憑經(jīng)驗(yàn)對(duì)刀具的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)；離線檢測(cè)是在加工之前對(duì)刀具進(jìn)行專門檢測(cè)雇法，并預(yù)測(cè)其壽命战辨，看能否完成當(dāng)前的加工任務(wù)；在線檢測(cè)也稱實(shí)時(shí)檢測(cè)嗜吉，是在加工過(guò)程中實(shí)時(shí)對(duì)刀具進(jìn)行檢測(cè)莱火，并依據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的處理。
3.3 刀具與機(jī)床連接技術(shù)
在高速切削條件下熄自，刀具與機(jī)床的連接系統(tǒng)是影響加工精度和刀具安全性的重要方面驻碟，傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)7：24錐度實(shí)心長(zhǎng)刀柄結(jié)構(gòu)已不能滿足高速切削的要求，必須研制和開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)的刀柄來(lái)連接刀具與機(jī)床专菠。高速切削條件下卸禽，要求刀具系統(tǒng)（刀具、夾頭和刀柄）具有以下特點(diǎn)：
（１）較高的刀具系統(tǒng)精度
刀具系統(tǒng)精度包括系統(tǒng)定位夾持精度和刀具重復(fù)定位精度药封，前者指刀具與刀柄、刀柄與機(jī)床主軸的連接精度侯选；后者指每次換刀后刀具系統(tǒng)精度一致性吠谢。刀具系統(tǒng)具有較高的系統(tǒng)精度土童，才能保證高速加工條件下刀具系統(tǒng)應(yīng)有的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。
（２）較高的刀具系統(tǒng)剛性
刀具系統(tǒng)的靜工坊、動(dòng)剛性是影響加工精度及切削性能的重要因素献汗。刀具系統(tǒng)剛性不足會(huì)導(dǎo)致刀具系統(tǒng)振動(dòng)，從而降低加工精度王污，并加劇刀具的磨損罢吃，降低刀具的使用壽命。
（３）較好的動(dòng)平衡性
高速加工條件下昭齐，微小質(zhì)量的不平衡都會(huì)造成巨大的離心力尿招，引起機(jī)床和加工過(guò)程的急劇振動(dòng)。因此阱驾，高速刀具系統(tǒng)的動(dòng)平衡非常重要就谜。
為了適應(yīng)高速切削加工對(duì)刀具系統(tǒng)的要求，近十多年來(lái)里覆，各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相繼研制開發(fā)了多種新型結(jié)構(gòu)的刀柄丧荐。目前最具有代表性的是德國(guó)的HSK刀柄、美國(guó)的KM刀柄以及日本的BIG—PLUS刀柄哮瓦。
HSK刀柄由錐面和法蘭端面完成徑向和軸向雙面定位圣辩，實(shí)現(xiàn)與主軸的剛性連接。當(dāng)?shù)侗?/font>機(jī)床主軸上安裝時(shí)岛盗，錐度為1：10的空心短錐柄與主軸錐孔完全接觸匆罗，起到定心作用，實(shí)現(xiàn)刀具與主軸間的同軸度牺鱼。此時(shí)樊何，HSK刀柄法蘭盤與主軸端面間還存在著約0.1mm的間隙。在拉緊機(jī)構(gòu)作用下跪晕，拉桿向左移動(dòng)使其前端錐面將彈性?shī)A爪徑向脹開秀彤，同時(shí)夾爪的外錐面作用在空心短錐柄內(nèi)孔的30°錐面上，空心短錐柄產(chǎn)生彈性變形啄崖，并使其端面與主軸端面靠緊笙吠，實(shí)現(xiàn)了刀柄與主軸錐面和主軸端面同時(shí)定位和夾緊的功能。
KM刀柄是與HSK刀柄并存的1：10短錐空心刀柄垄暗，錐柄長(zhǎng)度僅為標(biāo)準(zhǔn)7：24錐度實(shí)心長(zhǎng)刀柄的1/3轴座。由于配合錐度較短，部分解決了端面與錐面同時(shí)定位而產(chǎn)生的干涉問(wèn)題简烘。另一方面苔严，KM刀柄與主軸錐孔間的配合過(guò)盈量較高，可達(dá)HSK刀柄結(jié)構(gòu)的2～5倍，連接剛度比HSK刀柄高届氢。同時(shí)欠窒，與其它類型的空心錐柄連接相比，相同法蘭外徑采用的錐柄直徑較小退子，因而主軸錐孔在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)擴(kuò)張小岖妄，高速性能好。
3.4 刀具的安全性
高速銑削模具時(shí)應(yīng)對(duì)銑刀提出安全性要求寂祥。試驗(yàn)證明荐虐，普通銑刀的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度不能適應(yīng)高速切削的要求。銑刀在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)丸凭，刀具的各部分承受的離心力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)切削力本身的作用福扬，成為刀具的主要載荷。當(dāng)離心力達(dá)到一定的程度時(shí)贮乳，會(huì)造成刀具的變形忧换，甚至破裂，從而造成嚴(yán)重的后果饥猴。因此倔晚，研究高速銑刀的安全性技術(shù)，防止由離心力引起的刀具損壞屉胳，對(duì)高速銑削模具的刀具技術(shù)有極其重要的意義封均。
德國(guó)在高速切削工具系統(tǒng)的方面研究成果為高速切削加工技術(shù)的推廣應(yīng)用作出了重要貢獻(xiàn)。早在20世紀(jì)90年代初德國(guó)就開始了對(duì)高速銑刀的安全性技術(shù)研究履剔，取得了一系列的成果篇臭，并制訂了ＤＩＮ６５８９－１《高速旋轉(zhuǎn)銑刀的安全性要求》標(biāo)準(zhǔn)草案，規(guī)定了高速銑刀失效的試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)轨来，在技術(shù)上提出了高速銑刀設(shè)計(jì)肢抚、制造和使用的指導(dǎo)性意見(jiàn)，規(guī)定了統(tǒng)一的安全性檢驗(yàn)方法基霞。該標(biāo)準(zhǔn)草案已成為各國(guó)高速銑刀安全性的指導(dǎo)性文件别主。
高速銑刀的安全失效形式有兩種：變形和破裂。不同類型的銑刀阎瘩，其安全試驗(yàn)方法也不同色罚。對(duì)于機(jī)夾可轉(zhuǎn)位銑刀，一種試驗(yàn)方法是在1.6倍于最大使用轉(zhuǎn)速下刀具的永久性變形或零件的位移不超過(guò)0.05mm账劲；另一種試驗(yàn)方法是在2倍于最大使用轉(zhuǎn)速下刀具不發(fā)生破裂戳护，包括夾緊刀片的螺釘被剪斷、刀片或其他夾緊元件被甩飛瀑焦、刀體爆裂等腌且。對(duì)于整體式銑刀，則必須在2倍于最大使用轉(zhuǎn)速條件下試驗(yàn)而不發(fā)生彎曲或斷裂。
結(jié)合高速銑刀安全性標(biāo)準(zhǔn)铺董，通過(guò)有限元計(jì)算模型的分析统捶，為適應(yīng)高速銑刀的安全性要求，可從以下幾個(gè)方面著手：
（１）刀具質(zhì)量和刀具結(jié)構(gòu)
減輕刀具質(zhì)量柄粹、減少刀具系統(tǒng)構(gòu)件數(shù)和簡(jiǎn)化刀具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是提高刀具破裂極限的有效途徑。比較同一直徑刀具用試驗(yàn)求得的破裂極限與刀具質(zhì)量匆绣、刀具構(gòu)件數(shù)和構(gòu)件接觸面數(shù)間的關(guān)系驻右，可以發(fā)現(xiàn)，刀具質(zhì)量越輕崎淳，刀具系統(tǒng)構(gòu)件數(shù)量和構(gòu)件接觸面越少境猜，刀具破裂極限轉(zhuǎn)速越高。為減小刀具質(zhì)量寨衣，應(yīng)根據(jù)材料抗拉強(qiáng)度與密度的比值以及刀具應(yīng)用的轉(zhuǎn)速范圍選擇刀體材料胸叠。目前，有采用高強(qiáng)度鋁合金制造高速銑刀刀體遇托。
在刀具結(jié)構(gòu)上债烹，應(yīng)注意避免和減小應(yīng)力集中。刀體上的槽（包括刀座槽笔广、容屑槽闪侨、鍵槽）會(huì)引起應(yīng)力集中，降低刀體的強(qiáng)度灿西，因此應(yīng)盡量避免通槽和槽底帶尖角挑明。同時(shí)，刀具的結(jié)構(gòu)應(yīng)對(duì)稱于回轉(zhuǎn)軸善婉，使重心通過(guò)銑刀的軸線沪翔。刀片和刀座的夾緊、調(diào)整結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能消除游隙抄瓦，并且要求重復(fù)定位性好潮瓶。
（2）刀具（刀片）的夾緊方式
模擬計(jì)算和破裂試驗(yàn)研究表明，高速銑刀刀片的夾緊方法不允許采用通常的摩擦力夾緊闺鲸，而要用帶中心孔的刀片用螺釘夾緊筋讨，或用特殊設(shè)計(jì)的刀具結(jié)構(gòu)，以防止刀片甩飛摸恍。刀座悉罕、刀片的夾緊力方向最好與離心力方向一致，同時(shí)要控制好螺釘?shù)念A(yù)緊力立镶，防止螺釘因過(guò)載而提前受損壁袄。小直徑帶柄銑刀有兩種高精度、高剛度的夾緊方法：液壓夾頭和熱脹冷縮夾頭。
（3）刀具的動(dòng)平衡性
在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)嗜逻，刀具的不平衡不僅會(huì)引起機(jī)床主軸系統(tǒng)振動(dòng)涩僻，影響加工精度，同時(shí)還會(huì)對(duì)刀具系統(tǒng)產(chǎn)生附加徑向載荷栈顷，其大小與刀具轉(zhuǎn)速平方成正比逆日。
由此可見(jiàn)，提高刀具的動(dòng)平衡性可較大程度地減小離心力辐菩，提高高速刀具的安全性芭贬。因此，按照《高速旋轉(zhuǎn)銑刀的安全性要求》標(biāo)準(zhǔn)草案要求处膛，用于高速切削的銑刀必須經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡測(cè)試坚呜，并應(yīng)達(dá)到ISO1940－1規(guī)定的G4.0平衡質(zhì)量等級(jí)以上要求。
4 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)對(duì)刀具材料及幾何參數(shù)胆抓、刀具損壞與檢測(cè)闸虹、刀具與機(jī)床的連接技術(shù)、刀具安全性四個(gè)方面分析了高速銑削淬硬模具時(shí)對(duì)刀具的要求辽察，只有解決好高速銑削刀具這些問(wèn)題敌痴，才有利于模具高速銑削加工技術(shù)的推廣應(yīng)用。
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