合理選擇立銑刀實(shí)現(xiàn)模具高效加工
2023-7-14 來(lái)源：尚亞國(guó)際貿(mào)易公司 作者： 章宗城
使金屬塑料等原材料坯料成形達(dá)到所需的形狀和性質(zhì)而使用的模型器具稱模具。用模具可大批量穩(wěn)定地加工成型出同一形狀尺寸的產(chǎn)品，每個(gè)產(chǎn)品都能達(dá)到一定的精度、性能和使用壽命。使用模具的效果是使產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性生產(chǎn)效率和可信賴度均能大幅度提高。圖 1 是模具的種類(lèi)和利用模具制造的代表產(chǎn)品。
圖 1
1. 模具加工制造
模具制造一般多屬單件小批量生產(chǎn)。通常生產(chǎn)流程大致是 : ①根據(jù)產(chǎn)品形狀尺寸形狀進(jìn)行模具設(shè)計(jì) ; ②對(duì)模腔等主要表面加工進(jìn)行數(shù)控編程 ; ③同時(shí)進(jìn)行原材料準(zhǔn)備、下料、必要的熱處理，對(duì)工件的設(shè)計(jì)和工藝的基準(zhǔn)平面進(jìn)行加工 ; ④對(duì)模具的型面加工 ; ⑤組裝、合模、檢測(cè)、試模和必要的返工修理。
考慮到要消除每次加工中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力和變形，逐漸減少坯件和前道工序的形狀誤差，合理使用機(jī)床、刀具、插入中間檢查及相關(guān)處理等原因。模具在機(jī)械加工時(shí)，應(yīng)劃分幾個(gè)加工階段 : ①粗加工，其主要任務(wù)是切除大部分加工余量 ; ②半精加工，任務(wù)是消除粗加工留下的缺陷和誤差，為精加工作準(zhǔn)備 ; ③精加工，使主要表面達(dá)到圖紙要求 ; ④光整加工，有更高精度和表面質(zhì)量要求的表面，如精度和表面粗糙度要求高于等于 IT6 級(jí)和 Ra 0.2μm 時(shí)。模具的各表面在各自加工階段宜使用不同的刀具，以發(fā)揮各自特長(zhǎng)達(dá)到它們最大的加工效能。
2. 立銑刀的選擇
模具除工藝基準(zhǔn)面等為平面外，主要加工的型腔中多為各種復(fù)雜的型面，中、大型模具多采用裝可轉(zhuǎn)位刀片和刀頭的各類(lèi)立銑刀，這類(lèi)立銑刀刀片安裝方便，一個(gè)刀角磨損后，即可轉(zhuǎn)位更換使用另一刀角，經(jīng)濟(jì)高效實(shí)用。
立銑刀不論是整體的或裝刀片、刀頭的，都按其頭部形狀分類(lèi)，轉(zhuǎn)角呈直角的稱直角頭立銑刀，呈圓弧的稱為圓弧頭立銑刀，頭部為半個(gè)球體的稱為球頭立銑刀。據(jù)模具被加工表面不同尺寸、形狀，可分別采用不同種類(lèi)尺寸和頭型式樣的立銑刀。一般模具除少數(shù)直角表面需用直角頭立銑刀加工外，型腔中大部分的平面、成形表面，曲面的粗加工和半精加工，采用裝多種形狀可轉(zhuǎn)位刀片的球頭立銑刀或圓弧頭立銑刀。精加工則采用整體的球頭或圓弧頭立銑刀，或裝高精度球頭或圓弧刀頭刀片的機(jī)夾式立銑刀。
球頭立銑刀和圓弧頭立銑刀都可以加工模具的曲面、斜面、平面和各種成形表面。實(shí)際加工中，應(yīng)該如何選用呢？一般小直徑的球頭立銑刀加工自由度大，各種曲面、成形面、凸模、凹模都能加工。但圓弧頭立銑刀除一些凹模難以加工外，各種表面也都能加工，且有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。具體比較可參考以下幾方面 :
（1）型腔深部圓弧的加工
圖 2 型腔深部轉(zhuǎn)角圓弧加工比較
如圖 2 所示，由于部位比較深，刀桿的懸伸長(zhǎng)度長(zhǎng)，球頭立銑刀為滿足小圓弧加工要求，不得不用細(xì)的刀具刀柄，極易變形。為提高這部分的加工質(zhì)量，關(guān)鍵是刀具剛性好，應(yīng)避免因刀桿刀具變形引起的讓刀。讓刀的結(jié)果會(huì)造成側(cè)壁加工誤差，從而加重后道鉗工修磨工序的工作量，延長(zhǎng)交貨期。由圖 2 可知，圓弧頭立銑刀可利用其圓弧較小的轉(zhuǎn)角一次方便地加工出來(lái)，圓弧頭立銑刀直徑不受倒圓圓弧半徑影響，可采用較粗的剛性大的刀具及刀柄，加工精度高，圖 1 中EM（END MILL）指立銑刀。
（2）減少消除接刀痕跡
圖 3 消除接刀加工痕跡高度差
圖3所示，通常還有這樣情況，由于分工序加工，粗加工時(shí)為提高效率先用大直徑為Ф10mm，即球頭半徑為 R5mm 的球頭立銑刀加工 A 部和 B 部，為了加工出 R2mm 的圓角，再換用直徑為 Φ4mm 球頭半徑為 R2mm 的立銑刀加工出 R2mm 圓角。兩把刀接替加工，就會(huì)產(chǎn)生接刀痕跡（高度差）。這個(gè)痕跡和 “差” 須通過(guò)以后的鉗工研磨等工序修正。但若一開(kāi)始就用剛性更好的 Ф10mm×R2mm 圓弧頭立銑刀，一次就可把 A 部、B 部、C 部加工出來(lái)。刀具的數(shù)量可減少，接刀痕跡的高度差也能消除，后續(xù)鉗工工作量甚至可不需要。
（3）平面部分加工比較
圖 4 平面加工比較
如圖 4 所示，平面加工圓弧頭和球頭二者均可，應(yīng)該比較一下它們的生產(chǎn)效率。生產(chǎn)效率可以刀具轉(zhuǎn)一圈自身徑向移動(dòng)的距離，即周期進(jìn)給量 PF 大小來(lái)比較（在相同的背吃刀量 ap 條件下，PF 就是側(cè)吃刀量 ae 值）。球頭立銑刀的中心切削速度為 “零”，為保證達(dá)到一定的表面粗糙度，它的 PF 值也就是進(jìn)給量小于圓弧頭立銑刀。故以加工模具中的平面來(lái)比較，圓弧頭立銑刀的加效率高于球頭立銑刀。
（4）斜面加工比較
圖 5 斜面加工生產(chǎn)效率比較
如圖 5 所示，若在二者直徑完全相同情況下，可知球頭立銑刀的頭部圓弧半徑 Rb 大于一般圓弧頭立銑刀頭部圓弧半徑 Rr，因此球頭及銑刀的斜向周期進(jìn)給量 PF 較大。加工斜面時(shí)，為保證達(dá)到同樣的粗糙度，球頭立銑刀的生產(chǎn)效率可比一般圓弧頭立銑刀高。如果再增加球頭立銑刀直徑和齒數(shù)，可以進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。
由上比較可知，球頭立銑刀適應(yīng)性廣，斜面加工生產(chǎn)效率較高。而加工平面，加工深部弧面，為減少接刀痕跡，減少刀具數(shù)量，減少鉗工工作量等，考慮加工模具的綜合效率和經(jīng)濟(jì)性方面，圓弧頭立銑刀則有更多的優(yōu)點(diǎn)。
3. 案例分析
現(xiàn)以汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸和連桿的鍛壓模具型腔選擇立銑刀加工為例，刀具選擇三菱公司產(chǎn)品，如圖 6 所示。
圖 6 幾種高效模具加工用立銑刀（AJX 型圓弧頭、SRM2型球頭、SRF 和 VC 型高精球頭、ARX 型圓弧頭、 VF型高精球頭）
（1）某沖壓模具（見(jiàn)圖 7）材料為球墨鑄鐵FCD500，粗加工采用 Ф80AJX 型 5 刃立銑刀，裝有帶圓角特殊三角形正前角的刀片而構(gòu)成圓弧頭立銑刀（據(jù)其不同直徑可裝有帶 3~8 片刀片），圖 6 中可見(jiàn)，刀片上主刀刃具有兩重較小的主偏角，副刀刃構(gòu)成的副偏角為 “零”，這種結(jié)構(gòu)即使大進(jìn)給時(shí)也能加工出很好的表面粗糙度。根據(jù)粗糙度理論高度 h ≈ f2/8R ，即粗糙度高度與 8 倍的刀尖圓弧半徑成反比，與進(jìn)給量平方成正比，一般圓形刀片圓弧半徑 R 比其他形狀刀片刀尖的圓弧半徑大，故在同樣條件下，加工表面粗糙度低許多。但 AJX 型立銑刀的刀片副偏角 =0°，圓弧半徑相當(dāng)?shù)扔跓o(wú)窮大，以它加工后理論粗糙度也應(yīng)為 “零”，當(dāng)然還有振動(dòng)塑形變形等因素影響粗糙度，因此在副刀刃長(zhǎng)度范圍內(nèi)可使進(jìn)給量增至最大，提高了效率，表面粗糙度值也非常低。雖然進(jìn)給量增大，切削力也會(huì)增大許多，但由于它具有小的主副偏角，使切削力的徑向分力很小，刀桿不易在徑向產(chǎn)生撓曲變形。
圖 7 沖壓模具
圖 8 曲軸鍛造模具
AJX 型立銑刀另一優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)?shù)毒卟粩嘞蛳虑腥霑r(shí)，受力位置始終不變，不易產(chǎn)生振動(dòng)振顫，切削非常穩(wěn)定，故還適宜薄壁模具的加工。特殊三角形的刀片主刀刃的另一側(cè)向上抬起，使加工時(shí)切屑易于排出。AJX 型刀片的外面帶有新開(kāi)發(fā)的 Al-Ti-Cr-N 復(fù)合多層涂層，硬度高達(dá) HV3000，多層涂層特別強(qiáng)韌，能阻止裂紋延伸，涂層的外層摩擦系數(shù)很低，僅為 0.4，按不同被加工材料，涂層成分可以變換。加工此沖壓模具時(shí)切削速度達(dá) 125m/min，進(jìn)給速度達(dá)3000mm/min。
此沖壓模具的其他型面粗、半精加工，也可采用 SRM2 型 Ф50mm 球頭立銑刀，它裝有特殊設(shè)計(jì)的柳葉形的內(nèi)刃和外刃刀片，和長(zhǎng)方形的外周刃刀片，主要切削的內(nèi)外刃刀片帶波形分屑槽，可使切削阻力減小。刀片的材質(zhì)采用超微粒硬質(zhì)合金和導(dǎo)熱性好的 RT 類(lèi)硬質(zhì)合金，刀柄剛性很高，柄部形狀有復(fù)合型、莫氏錐度型、直柄型。刀片材質(zhì)是 VP15TF，即超微粒硬質(zhì)合金 TF15加專(zhuān)利的 AlTiN 涂層，加工時(shí)切削速度達(dá) 190m/min，進(jìn)給速度達(dá) 650mm/min。
精加工較開(kāi)闊的部位可采用 SRF 型球頭立銑刀（球頭半徑 R=15mm），裝有單片雙刃半圓 S 形刀片，球頭半徑精度高達(dá) R ±0.006mm，加工后可達(dá)到整體硬質(zhì)合金立銑刀的切削精高效精加工狹小和較深部位，可采用整體超微粒硬質(zhì)合金帶 (AlTi)N 涂層的長(zhǎng)球頭立銑刀VC3LB（R=5），切削速度 =190m/min，進(jìn)給速度 =1800mm/min。
（2）某曲軸鍛造模具（材料 SKT4，硬度HRC50，見(jiàn)圖 8），粗加工采用了裝有圓形正角刀片構(gòu)成的 4 刃 Ф25mm 的 ARX 型圓弧頭立銑刀，刀片為精密模壓制出，比帶角度的刀片刀頭強(qiáng)度大，難以損傷，轉(zhuǎn)位后得到新刀刃的數(shù)量多，耐用。不同切深時(shí)，主偏角 0° ~90°，切削負(fù)荷逐漸增大，能在各個(gè)方向上切削軌跡過(guò)渡區(qū)域，加工表面平滑，可為精加工留下小而較均勻的加工余量。
圓形刀片比一般帶圓弧頭刀片的圓弧半徑大，為達(dá)到較好的表面粗糙度就要采用更大的進(jìn)給量 f，即可以更高效率完成加工，刀桿中心可通冷卻液，加工此模具切削速度 160m/min，進(jìn)給速度 2400mm/min，刀片材料和涂層也是VP15TF。半精加工采用同前的 SRM2（R10）球頭立銑刀，切削速度 160m/min, 進(jìn)給速度200mm / min; 精加工也采用了 SRF 型（R =8）球頭立銑刀，切削速度 200m/min, 進(jìn)給速度1000mm/min。較小型面的細(xì)部和較深部的精加工，采用整體錐形 4 刃球頭立銑刀 VC4STB（R4）（ 切 削 速 度 190m/min， 進(jìn) 給 速 度 3000mm/min）和 2 刃長(zhǎng)頸球頭立銑刀 VC2XLB（切削速度 125m/min，進(jìn)給速度 1000mm/min）。模具材料淬硬后硬度很高，以上立銑刀所選擇采用的材料和涂層能順利滿足加工需求。
（3）連桿鍛造模具（見(jiàn)圖 9）的材料為模具鋼 SKD61（ 相 當(dāng) 40CrMoV5）， 硬 度 HRC50，粗加工和半精加工采用 ARX 型立銑刀，直徑和刃數(shù)僅為 Ф10mm 和 2 刃，切削速度 80m/min，進(jìn)給速度 800mm/min。本例立銑刀兩圓形刀片相切構(gòu)成中心刃，這樣刀具一次安裝可以進(jìn)行如圖 10 所示的多種表面加工，甚至全部加工，各表面的相互位置精度高。
圖 9 連桿鍛造模具
圖 10 ARX 型圓弧頭立銑刀可實(shí)現(xiàn)的加工
半精加工采用 SRF 型球頭立銑刀（R8）（切削速度 100m/min，進(jìn)給速度1200mm/min）和整體式 VCPSRB 型 Ф12R4 圓弧頭立銑刀，圓弧精度可達(dá) R±0.01mm，切削速度 250m/min,進(jìn)給速度 2600mm/min ；精加工則采用整體球頭立銑刀 VF2SB（R3）和 VFSB（R1）立銑刀，材料是超微粒硬質(zhì)合金基礎(chǔ)上加耐磨性、耐熱性很高的單相納米結(jié)晶（Al,Ti）N 涂層，二者切削速度分別 250m/min 和 200m/min，進(jìn)給速度分別 2600mm/min 和 3800mm/min，壽命長(zhǎng)，
精度高，能順利加工淬硬材料。
4. 結(jié)束語(yǔ)
模具加工前要明確了解模具實(shí)際具體形狀和加工技術(shù)要求，由于型腔多采用圓弧頭和球頭立銑刀，為了保證加工精度，提高加工效率和經(jīng)濟(jì)性，要合理地分工選用圓弧頭和球頭立銑刀，充分發(fā)揮它們各自的長(zhǎng)處和優(yōu)點(diǎn)，要依據(jù)被加工模具材料的機(jī)械性能，合理選擇立銑刀的材料和涂層，并合理充分發(fā)揮多功能立銑刀的切削效能，保證各型面間相互位置精度。
尺寸和形狀精度要求高的型面，在各加工階段應(yīng)分別選擇不同精度的立銑刀，要求高精度加工時(shí)，較小的型面可采用整體高精度立銑刀，較大的可采用裝高精度可換單刀片或刀頭的球頭圓弧頭立銑刀，并選用相應(yīng)的斷屑槽。
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