高速、高精加工模具用CBN立铣刀
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图1 BNBP型CBN立铣刀

图2 两种刀具的切削机理模式
近年来,加工中心机床的高速化极大地促进了模具加工的高速化。早期,高速钢立铣刀是模具加工的主流刀具;当机床主轴转数超过1万转后,涂层硬质合金立铣刀成为主流加工刀具;如今,主轴最高转数达4~6万转的加工中心机床开始普及应用,CBN立铣刀将成为模具加工的主流刀具。下面介绍住友电工超硬材料公司生产的高速、高精度加工模具用BNBP型CBN立铣刀(见图1)。

1 BNBP型CBN立铣刀的特点

BNBP型CBN立铣刀的切削机理与以前的硬质合金立铣刀不同(见图2)。硬质合金立铣刀铣削模具时一般采用锋利的切削刃,而BNBP型CBN立铣刀的切削机理则是采用钝化切削刃,像精密磨削那样进行铣削加工,因此在低速条件下加工时切削抗力较大,难以充分发挥刀具性能,但在高速条件下加工高硬度钢时,不仅可显示出刀具使用寿命长的优势,还能获得高精度的优质加工表面。具有大负前角的切削刃是BNBP型CBN立铣刀具有高抗崩刃性并可获得优良加工表面的重要因素。
BNBP型CBN立铣刀具有以下优势:①具有接近硬质合金刀具的高抗崩刃性能,能实现高效加工;②能获得高精度的优质加工表面,可大幅度缩短精磨时间;③能胜任高硬度钢模具的高速加工,可大幅度缩短加工时间;④使用寿命超过涂层硬质合金刀具3倍以上,用1把BNBP型CBN立铣刀就能完成模具的精加工;⑤R圆弧精度达±5µm,能实现高精度加工。

2 BNBP型CBN立铣刀性能对比

图3为分别使用BNBP型CBN立铣刀和其它公司的CBN立铣刀,在同一加工条件下进行铣削后切削刃和已加工面对比。可以发现,其它公司CBN立铣刀的中心切削刃附近已发生崩刃,加工表面有撕裂痕迹;而BNBP型CBN立铣刀的中心刃附近无崩刃现象、磨损也很小,加工表面相当漂亮。比较立铣刀中心切削刃的形状可知,BNBP型CBN立铣刀的中心刃厚度较薄。由于采用了大负前角,即使在中心刃附近也具有足够强度,因此可减小中心刃厚度,从而能获得漂亮的加工表面,防止中心刃崩刃。BNBP型CBN立铣刀采用了大负前角切削刃形状和抗崩刃性能最佳的BN350型CBN材料,因此能实现接近硬质合金高效加工条件的模具铣削加工。

工件材料:SKD11(HRC60);立铣刀:R1.0,N=20000r/min,F=2000mm/min,Ad=0.05mm,Rd=0.05mm;风冷;切削长度:100m
图3 切削刃磨损和加工表面比较
图4为在主轴转数1万转和2万转条件下铣削加工SKD11(HRC60)模具钢时切削刃的照片。以1万转铣削加工时,CBN立铣刀的中心刃部分发生了崩刃,刀具寿命低于硬质合金立铣刀;但以2万转铣削加工时,硬质合金立铣刀的磨损较大,而CBN立铣刀几乎无磨损。模具加工用立铣刀的R精度达到±5µm是很普遍的,但涂层硬质合金立铣刀由于磨损使刀夹位置后退,大大降低了R精度;而CBN立铣刀几乎无磨损,因此能实现R±5µm精度的铣削加工。

工件材料:SKD11(HRC60);立铣刀:R1.0,f=0.05mm/齿,Ad=0.05mm,Pf=0.05mm;风冷;切削长度:100m
图4 不同转数时切削刃损伤形态的变化


工件材料:SKD11(HRC60);立铣刀:R1.0,N=40000r/min,F=4000mm/min,Ad=0.05mm,Pf=0.05mm;油雾冷却
图5 高速加工时后刀面磨损量的比较

图6 用BNBP型CBN立铣刀加工模具实例
图5为在4万转条件下高速铣削SKD11模具钢时刀具后刀面磨损的变化。与涂层硬质合金立铣刀的后刀面磨损量相比,BNBP型CBN立铣刀的后刀面磨损量极小,几乎可忽略不计。如果将刀具寿命设定为后刀面磨损宽度VB=0.014mm,则CBN立铣刀的寿命是涂层硬质合金立铣刀的10倍左右。加工HRC60硬度等级的淬硬钢时,在1万转条件下加工时,CBN立铣刀的寿命与硬质合金立铣刀相当;但在2万转条件下加工时,CBN立铣刀的寿命是硬质合金立铣刀的3~5倍;在4万转条件下则是硬质合金立铣刀的10倍。由此可见,主轴转数越高,CBN立铣刀与硬质合金立铣刀的寿命之差就越大。CBN立铣刀的价格约为硬质合金立铣刀的3倍,如果在2万转以上进行铣削加工,至少可以实现成本与硬质合金立铣刀相当。由于刀具寿命延长3倍以上,用1把立铣刀就能加工1件模具,可以大幅度缩短磨削工序。如果用BNBP型CBN立铣刀加工硬度不太高的模具材料,则刀具寿命可达到硬质合金立铣刀的30倍以上。

3 模具加工实例

图6为用BNBP型CBN立铣刀加工移动电话零件用模具(切削条件见附表)。粗加工时,Ad=0.1mm对原有的CBN立铣刀来说非常苛刻,而使用BNBP型CBN立铣刀不仅不发生崩刃,而且能实现稳定加工。精加工时,使用R0.3mm的BNBP型CBN立铣刀在36000r/min的高速条件下加工。图6为BNBP型CBN立铣刀和涂层硬质合金立铣刀精加工表面的放大照片。可见,CBN立铣刀的加工面进给刀痕清晰而均匀,而硬质合金立铣刀的加工面刀痕则不是十分清晰和均匀。因此,使用BNBP型CBN立铣刀加工可以大幅度减少后续磨削工作量。
表 切削条件
工序使用刀具R
(mm)
转数
(min)
进给速度
(mm/min)
Ad
(mm)
Pf
(mm)
粗加BNBP2R100-05541.02500015000.10.2
半精加工BNBP2R050-02540.52500010000.050.1
精加工BNBP2R030-01240.3360005000.030.02


工件材料:SKD11(HRC60);立铣刀:R0.3,N=36000r/min,F=500mm/min,Ad=0.03mm,Pf=0.02mm;油雾冷却;MEGAⅢ加工中心
图7 切削刃磨损和加工表面比较
本文作者:廖先富(译)
原载:《工具展望》2007年第2期
上载于:2008-1-14 14:54:23

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