淬硬模具的高速加工

丁帅,夏远洋

摘要：现在使用的模具，为了提高模具的使用寿命，基本上都是采用高强度的耐磨材料制作，这些材料经过淬火热处理后硬度很高，能达到50HRC以上，很难用常规的机械加工方法进行切削精加工。高速加工机床及其刀具技术的最新发展使得在模具和零件制造领域实现“以切代磨”成为可能，用超硬刀具高速切削淬硬模具钢等难加工材料已得到越来越广泛的应用，淬硬模具的高速铣削加工是一项新工艺，不仅能提高淬硬模具的加工精度和表面质量，还能大幅度的提高加工效率。淬硬模具的高速铣削加工也是由一些基本准测可循的，在加工时遵循一些基本的准则就可以很好地应用该加工方法，并能充分发挥它的优越性，收到良好的效果。本文从机床、刀具、刀柄和编程等工艺因素方面介绍淬硬模具的高速加工的特点。

关键词：淬硬模具，刀具，刀柄，切削热

第一章 模具加工主要工艺

模具加工主要有三种工艺：软加工、硬加工和电加工，根据模具的结构、硬度来决定采用哪种方法或者是它们的组合。

当模具很大、很深时，淬火前的粗加工、半精加工用软加工，淬火后的精加工用硬加工；小的、浅的模具可以在淬火后一次性铣成。如果模具壁很薄、模腔又很深，则采用电加工。
第二章 淬硬模具高速加工刀具的特点

2.1加工刀具选择原则

加工淬硬模具时，正确选择铣刀很重要。刀具涂层：能用于高速切削淬硬钢的刀具涂层主要有(Ti,Al)N或(Ti,C)N，刀具基体为超细颗粒硬质合金。用于高速切削淬硬钢的整体立铣刀主要形式有三种基本类型的铣刀：球头铣刀（常规2刃和多刃球头刀、长颈球头刀、2刃锥面球头刀）、圆角平头铣刀（又叫圆鼻刀，2刃带圆弧头平底刀、长颈带圆弧头平底刀）和尖角平头铣刀（2刃直角平底刀和多刃直角平底刀）。通常，精加工首选刀具是球头立铣刀。球头的大圆弧形状可以分散高速加工淬硬金属时作用在刀刃上的切削力和切削热，并且加工出来的曲面较接近所需的形状，如果模腔有一个大而平的底面，则在用圆角平头铣刀加工，这种刀具对力和热的分散效果比尖角平头立铣刀好。尖角平头铣刀刀刃锋利，切削阻力小，用在加工需要清根的部位，是在球头立铣刀或圆角平头铣刀已切出了尽可能多的余量之后再进行清根，这种刀具的尖角很容易崩刃，因此在型腔圆角处清根时，选择的刀具半径要比型腔圆角半径小2-5MM，这样刀具在加工圆角的时候有圆弧过渡，避免刀具在拐角的处加工速度和方向的突变，造成刀具的冲击，使得刀具崩刃。

2.2加工刀柄选择原则

刀具的刚性很重要，为了增加小直径铣刀的刚性，刀柄的直径做得比刀具直径大许多，以改善加工光洁度和延长刀具寿命；刀具装夹的悬伸长度应尽可能短。其次，刀柄的形状应适应模具的结构。通常应保持铣刀与工件的侧面有半度的间隙，例如工件的侧面是3°的斜面，则刀柄的外形做成2.5°，以获取最大的刚性。如果工件的侧面是90°的直面，则刀柄应采用细颈结构。

2.3减少切削热的方法

过多的切削热会使工件变形，降低加工精度。减少热量的一个方法是控制每次走刀的间距。
对于粗加工，走刀间距S应等于铣刀直径的25%～40%。而对于精加工，走刀间距可根据给定的刀痕高度H进行计算。走刀间距的大小决定了每条刀刃在每一转里参与切削的时间长短，或者说不参与切削的时间即冷却时间的长短，因此决定了积聚在刀具里热量的多少。走刀间距大，刀刃在每一转里切削时间多，冷却时间少，使热量不断积聚，刀具温度升高；反之，小的走刀间距可限制热量的产生和积聚。因此，通过调节走刀间距的大小，可以控制热量和刀具的温度，并进一步提高切削速度而使切削温度仍低于涂层能承受的最高温度。另一方面，还可以选择新的涂层，使刀具能承受更高的切削温度，即使用更高的切削速度。例如TiCN涂层的最高工件温度是400℃(720F)，而TiAIN是800℃(1470F)，由于它耐热性好，所以，TiAIN涂层更适用于高速加工淬硬的模具。
切削速度和进给量也是控制热量的关键因素，厚的切屑带走的热量多，留给工件的热量较少。如果切屑太薄，刀具在工件上挤压摩擦会导致工件发热。此外，大的切削截面可延长刀具寿命，提高生产效率。
2.4刀具的耐用度和装夹
用钝的刀具必须及时更换，那么怎样来判断刀具的磨损呢?通常可通过肉眼来观察：当刀具用钝时，切削时刀头部位会变红，表明力和温度都已超载。开始时这种灼红的颜色只出现在刀尖的部位和材料切除量大的地方，时现时无，到磨钝时可以看到刀头部位持续发红。为便于看清这种红色，观察时可把机床照明关掉。
正确装夹铣刀对于淬硬模具加工十分重要，这涉及刀柄的公差、刀柄与刀夹的配合、安装后的径跳等因素。刀柄与刀夹适当的配合公差可保证夹持的刚性、精度和一致性。为此，刀柄的制造公差应是－0.0025mm到－0.005mm，结构应适合热缩装夹；而标准规定的公差高达－0.0125mm，这会导致过大的径向跳动。此外，刀柄的圆度至少应保持在

±0.00625mm。装夹后的径向跳动造成切削负荷不均匀，有的刀刃负荷大，而另一部分刀刃负荷小，后者是淬硬模具加工最忌讳的。由径跳引起的振动会造成机床的颤振和刀具崩刃，因此要严格控制刀具的径跳，并应注意不要把刀柄抛光，因为刀柄抛光会降低夹持的可靠性。

第三章 机床的选择

高性能的机床，选择在高效加工淬硬模具时，不应忽略对机床的要求，尽管淬硬工件也可以在一台落后的低速的机床上加工，但效率很低。如果机床的主轴转速较低，那么其进给速度相应也低。机床主轴的高速旋转以及进给速度、加速度的相应提高，一方面可直接缩短加工时间，另一方面还因高速切削具有激振频率特别高、工作平稳、振动小的优势而有利于提高加工表面质量。因此使用刚性好的、精度高的机床才能取得好的效果。
模具加工机床的数控系统需要处理大量的数据，在考虑购机床要关注数控系统的性能，在高的进给速度时，系统应具备高的加、减速补偿能力。机床的加工效率还与数据处理的速度、伺服系统响应的快慢、插值运算的速度、反馈系统的分辨率和运动部件的质量等因素有关。

第四章 编程要点
加工模具时，刀具切入的方式即刀具受力的状况取决于数控编程，因此，编程是高效加工淬硬钢的关键之一。刀具切入模具的路径应采用螺旋插补，这样的切入过程较平稳。在不能采用从侧面或螺旋切入的场合，应采用斜波切入，避免轴向切入。编程还决定了径向走刀的大小和切削深度。模具在热处理前的粗加工，型腔余量不能留的过多，一般0.5-2MM左右。型腔较深较大的模具，在精加工前，要进行两次半精加工，使得精加工余量一致，减少精加工刀具的磨损，保证尺寸精度。对于小的、浅的模具在淬火后一次性铣加工时，开粗用平底立铣刀采用摆线的加工路径利用刀具的侧刃加工，以提高刀具的耐用度和加工效率。

第五章 总结

迅速发展的高速切削加工机床和刀具技术使淬硬模具的“粗、精加工同机一次过”工艺的应用成为可能，切削加工可作为淬硬模具和结构零件的最终加工，实现“以切代磨抛”或“以切代放电”。因此应用高速铣削加工模具可能带来节省加工时间、减少加工工序、提高生产率、降低加工成本、改善加工质量等诸多好处。

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