模具加工的最新需求及高效切削刀具
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近年来,随着全球化的进程,制造业的国际竞争也变得越来越激烈。为了在竞争中立于不败之地,许多企业都致力于“降低成本”、“缩短交货期”、“提高质量”等各种课题的研究。特别是最近在重新认识“日本制造”的同时,模具的高精度化、高效化加工已成为重要的关键词。换言之,模具加工过程中不可或缺的工具——切削刀具的作用现在已被认为是至关重要的因素。
近几年,使用切削刀具的用户的需求也发生了变化。以前,人们普遍认为刀具是消耗品,所以想通过减少使用量来降低刀具费用。最近人们的观点发生了转变,认为应该通过充分发挥刀具的作用来降低加工费。这也正是日立工具公司4年前提出的“加工减半运动”的观点。为了配合用户这种需求的变化,工具生产商有必要集中精力开发效率更高的刀具。
本文将介绍以下内容:近期为配合模具加工需求而开发的用于精加工的高效小直径整体硬质合金立铣刀(Epoch深切削圆角立铣刀);用于粗加工的高效圆角立铣刀(多刃型大进给圆角立铣刀);能在高效加工条件下大幅提高刀具性能的最新超润滑涂层(JX涂层)的开发、性能和加工实例。

1 整体硬质合金立铣刀“Epoch深加工圆角立铣刀(EpochDeepRadius)”

  1. 切削性能
    近几年,用切削加工替代以前的放电加工的趋势越来越明显,这种需求渐渐转向切削工件上窄而深的部位。使用立铣刀深切削加工这种窄而深的部位时,适用的主流刀具是小直径球头立铣刀(日立工具也在生产Epoch深切削球头立铣刀、Epoch笔式深切削球头立铣刀系列)。但是,使用小直径球头立铣刀进行高效深切削时会出现以下问题(即用切削加工替代放电加工存在的问题):①切削阻力容易增大;②中心部位的切削速度很难提高(顶端中心刃部分易受损);③存在理论上的切削残留部分(刀具径向切入量不能太大)。
    日立工具为解决以上问题,开发了如图1所示的小直径长颈系列Epoch深切削圆角立铣刀。在使用小直径立铣刀进行深切削时,如果刀具切削刃前端的切削阻力太大,就会产生振动而无法在高效切削条件下加工,从而影响加工效率。从切削阻力的角度对球头立铣刀与R角立铣刀进行对比可知,后者的切削刃接触面积较小,切削阻力也相对较小。

    图1 小直径长颈系列深切削圆角立铣刀外观

    图2 球头立铣刀与圆角立铣刀的对比


    图3 倒锥形设计效果图
    此外,如图2所示,在进行等高线切削时,球头立铣刀存在理论上的切削残留部分,尤其是切削速度低的端部横刃容易破损。而圆角立铣刀加工时通常能形成一定的切削面,故具有加工稳定可靠的优点。
    现在开发的Epoch深切削圆角立铣刀能够防止深切削时产生的颤振。为了进一步提高加工效率,采用了图3所示的倒锥形设计。这种设计可防止切削过程中因刀具弯曲造成外周刃与被切削材料接触,从而可实现稳定加工。此外,刀具涂层采用了具有高硬度和高耐热、耐磨性能的TH(TiSiN)硬涂层,非常适合高硬度材料的直接深切削加工。
    以下通过加工实例介绍Epoch深切削圆角立铣刀的特点。
  2. 加工实例
    1. 沟槽高效加工实例
      为了对沟槽进行高效加工,需要在一定程度上加大XY方向的步距,但如果使用球头立铣刀加工,就会使无法提高切削速度的中心刃承受很大的负荷而不得不降低切削条件。
      图4所示为使用球头立铣刀加工沟槽的结果。可以看出:若加大设定的XY步距,则中心刃处的破损程度也会加大;若减小设定的XY步距,降低切削条件,虽未观察到中心刃受损,但前端中心横刃的磨损却有所增大。图5所示为使用Epoch深切削圆角立铣刀加工沟槽的结果,不但切削稳定,而且磨损减小,对高硬度(约50HRC)热模锻钢工件的沟槽加工效果良好。

      图4 用球头立铣刀高效加工沟槽的实例

      图5 用圆角立铣刀高效加工沟槽的实例
      在本加工实例中,与球头立铣刀相比,新型圆角立铣刀所需加工时间缩短约1/4,加工费用降低一半以上。
    2. 高硬度材料的深切削
      图6所示为用长颈型立铣刀加工SKD11冷作模具钢(60HRC)的结果。可以看出,球头立铣刀的外周切削刃有很大破损;而Epoch深加工圆角立铣刀无破损,只有均匀磨损。可以推断,由于球头立铣刀的切削刃接触长度较大,因此切削阻力也大,切削速度高的外周切削刃容易受损。这一点与例a相同,圆角立铣刀具有明显优势。

      图6 高硬度材料的深雕加工(1)

      图7 高硬度材料的深雕加工(2)
      图7显示了在相同加工条件下日立工具的圆角立铣刀与其它公司圆角立铣刀的对比。可以看到,其它公司生产的圆角立铣刀由于没有采用倒锥形设计,对超过60HRC的高硬度材料加工效果不太理想。日立工具的新一代深切削圆角立铣刀因为采用了背斜式形状的独特设计,外周切削刃为点接触式切削,即使在用直切法加工高硬度材料时,切削阻力也很小,且加工状态稳定。
    由Epoch深切削圆角立铣刀的加工实例可知,该刀具性能优异,尤其对高硬度材料进行深切削时具有明显优势。总之,充分发挥圆角立铣刀的作用,可对经过热处理淬火的材料直接进行沟槽加工,因加工过程缩短,可大幅降低加工费用。实验证明,采用圆角立铣刀加工效率可提高5倍以上,而加工费可降低35%。

2 用于大进给粗加工的可转位圆角立铣刀

  1. 多刃型大进给圆角立铣刀
    模具行业普遍采用小切深、大进给的切削方式来实现高效加工,但市场需求要求进一步提高加工效率。针对这种需要,日立工具开发了多切削刃刀具,以及在大进给条件下也能承受高切削速度的涂层。
    多刃型大进给圆角刀具的设计理念是在有限的刀具外径内,根据以往的刃数设计方法,将切削刃尺寸缩小,但又不会降低刃口强度。如图8所示,将大进给圆角立铣刀的刀片主切削刃半径设定为R8。与半径同为R8的圆刀片相比,它具有相同的刃口强度,但又最大限度地缩小了刀片面积,从而实现了多刃化。如图9所示,以前外径为Ø32的刀片都是2个刀刃,而多刃型大进给圆角立铣刀的刀刃数多达5个,比以往的产品提高了2.5倍。

  2. 图8 刀片形状

    图9 ASR多刃型刀片(左)和以前的2刃型刀片(右)


    图10 切削阻力的方向

    图11 切削刃长度的对比

    图12 加工后切削残留部分的对比
  3. 大进给刀具的特点
    以前用于粗加工的可转位刀具普遍配用圆刀片,表面上看似乎可获得很大的切深量,可一次切除大量材料,但由于其切削刃与被加工材料的接触长度大于直线刃刀片的接触长度,因此切削阻力增大,很难实现大进给切削。此外,圆刀片在刀具悬伸较长的加工场合受到径向力作用,易造成刀具弯曲而发生振颤。如图10所示,多刃型大进给圆角立铣刀的切削刃设计在刀具回转轴的底部,因此切削阻力主要作用于轴向,即多刃型大进给圆角立铣刀即使悬伸较长也不易发生颤振,能够实现稳定加工。同时,通过将刀片小型化,使切削刃长度比以往的大进给刀具明显缩短(见图11),减小了切削阻力,从而通过多刃化有效控制了切削力。
  4. 小切深、大进给加工的优点
    小切深、大进给加工是大进给刀具的应用条件,其优点是材料切除率大、加工效率高。与采用大切深的高效加工相比,在切深量减小的情况下,可在机床工作台的最大进给限制范围内进行高效率的快速进给加工。
    如图12所示,采用圆刀片通过加大切深来提高加工效率时,加工后工件上会留下明显的切削残留部分,这将增加后续精加工刀具的加工负荷。虽然粗加工效率很高,但会降低后续工序的加工效率。与此相比,采用小切深、大进给加工时,粗加工的切削残留部分减少,更接近最终精加工的形状,从而可减轻后续工序精加工刀具的负荷,使粗加工和精加工的效率同时得到提高,稳定可靠地实现高效加工。

3 超润滑JX涂层

如上所述,在通过改进刀刃形状、增加刀刃数量以提高加工效率的同时,如能提高刀具回转速度,加快切削速度和进给速度,就能进一步提高加工效率。但是,在高于现行切削速度时,目前的刀具涂层对切削产生的高温和压力承受能力不足。因此,我们重新认识了小切深、大进给切削对切削刃的影响,确定了高速化必需的性能:即使在高温下也具有能抑制大进给切削产生的切屑与刀具之间摩擦的润滑性能。为此,日立工具成功地开发了润滑性极强的钛化合物系列涂层。这种能用于高效加工的新性能JX涂层能有效降低月牙洼磨损和后刀面磨损,并有效防止刃口粘结现象。
  1. 低摩擦系数、高硬度、高韧性的JX涂层
    JX涂层在钛、铝系化合物中添加了自润滑材料,能利用切削热在涂层表面形成薄氧化层。该氧化层可提高润滑性能,控制切削温度上升,同时降低切削刃与被加工工件之间的亲和性,抑制切削刃的粘结。JX涂层的硬度与硬度最高的TiSiN系涂层相当,高硬度可防止高速高效加工环境下的切削刃磨损,大幅延长刀具的使用寿命。陶瓷系硬质涂层难以有效防止铣削加工特有的断续切削造成的热裂纹,但JX涂层由于韧性大幅提高,因此具有很高的抗崩刃性。可以看出,JX涂层是同时具有润滑性、耐摩耗性、抗崩刃性的新一代涂层。在刀刃数和使用寿命相同的前提下,它比以前涂层的切削速度提高了40%。
  2. 多刀刃、大进给圆角立铣刀的高速切削实例
    图14、15介绍了使用多刃型大进给圆角立铣刀和JX涂层刀片在最新型的数控加工中心机床(切削进给速度最高可达50m/min)上进行高效加工的实例。多刃型大进给圆角立铣刀的刀刃外径为Ø32mm,有5个切削刃;刀片牌号为JX1045;被加工材料为40CrMnMo7(相当于JIS标准的SKT3)。在切削速度Vc=300mm/min、主轴转速n=3000/min、切削进给速度Vf=50m/min、每齿进给量fz=3.3mm/齿、切深ap×ae=0.3×25mm的切削条件下,可轻快完成切削。加工所用的高速数控加工中心在国内外尚未普遍使用,与目前普遍使用的切削进给速度10~20m/min的高速数控加工中心相比,加工效率可提高2.5~5倍。而新一代多刃型大进给圆角立铣刀可使现有高速数控机床的功能发挥到极致。

图13 Vc-T曲线

图14 OMV ESAGON高速数控加工中心(主轴电机28kW)

图15 加工状态
以上介绍了应用最新技术研制的Epoch深切削圆角立铣刀、大进给圆角立铣刀和JX涂层的开发目的与效果。这些新型刀具的出现满足了提高模具加工效率的需求,也降低了模具加工成本。
本文作者:黄宁秋(编译)
原载:《工具展望》2007年第4期
上载于:2008-10-6 11:48:18

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