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高效模具铣刀用于模具加工

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高速加工(HSM)由Salomon发现至今得到了巨大的发展和现代企业的认可,但随着近几年研究的不断深入,人们发现Salomon的高速试验曲线在大部分材料的切削过程中根本无法获得,高速加工应用成功的领域也仅仅局限于铝合金、HRC60以上的预淬钢、石墨电极等几种材料的切削加工。在刀具材料没有根本性突破前,这种局面难以被打破。而模具行业往往需要大去除率加工的材料基本是HRC22~38之间的钢材和铸铁。这些加工一方面要求极大的金属去除率来减少占机时间,另一方面在大悬伸加工时要求低的切削振动。新型的模具铣刀的设计思路是采用新的技术——高性能切削(HPM)。 

  一、模具材料种类、特性简介

  为便于对后面高效模具加工刀具介绍的理解,有必要对模具材料及加工方式作一个简单介绍。

  (一)模具类型 

  模具主要分为以下几个类型:大型汽车外覆盖件冲压模具、普通塑胶注塑模具、PVC注塑模具、吹塑模具、五金冲压及板金模具、热挤压模具、热锻模具等等。

  (二)模具材料

  每种不同的模具以及同一模具的不同部位所采用的材料有相当大的差别,其加工特性也有很大的区别。模具材料的种类极为繁多,这里只介绍与本文相关的被加工材料。 

  1.C45W中碳钢:牌号为S50C~S55C 45钢,香港称为王牌钢,此钢材的硬度为HB170~220,模具有70%~80%的加工采用这种钢材,适用于大多数加工对象。 

  2.40CrMnMo7预硬塑胶模具钢:硬度HRC28~40,很适合做一些中低价模具的镶件,有些大批量生产的模具模架也采用此钢材,好处是硬度比中碳钢高,变形也比中碳钢稳定,这种钢在塑胶模具上被广泛采用,较为普遍的品牌有718S、718H、738H、NAK80、NAK55等,这种钢材的应用占模具的15%~20%左右,其加工难度大于45钢,主要为型芯和型腔加工。

  3.fc250-fc350,fcd500-fcd700:材料中添加了Cu、Ni、Mo等合金,通过对总碳量、Si、Mn、P、S、Mg等组成元素进行控制,在分子结构上由于晶体易于变形,使之易于马氏体化。

  一直以来,国内汽车行业所使用的模具材料主要包括铸态和锻态两大类。铸态材料常用的牌号为HT300、钼铬铸铁、铸态风冷钢(7CrSiMnMoV);铸铁材质主要用于模具基体,铸钢材质则用于镶块。锻态材质常用的牌号为锻态风冷钢(7CrSiMnMoV)、Cr12MoV,主要用于制造汽车外覆盖件模具。

二、汽车外覆盖件模具粗加工用球头铣刀

  近年来,工业领域使用的刀具产品样式不断变化,且绝大多数企业本着降低制造成本的生产理念,要求生产高精度、高品质的产品。这种现象在汽车行业加工领域也不例外。针对客户的要求,株钻刀具技术公司采取的策略是不断提高刀具使用寿命以及缩短加工时间。株钻公司最新推出了几种新型高效刀具,在车门、保险杠、车架等零部件的冲压模加工时,能够大大提高刀具使用寿命、降低加工成本。其中BMR03系列刀具就是其中之一。

  该款刀具适用于汽车外覆盖件模具粗加工时的型面轮廓强力仿形切削,一般来说,D50、D40的刀具进行型面开粗,D30的刀具进行型面的半精加工和圆弧过渡面的清根加工,被加工工件的材质主要是以上介绍的冷作模具钢和钼铬合金铸铁,为了降低成本,有些低档卡车模具也采用GCr15钢和灰口铸铁,甚至采用A3钢堆焊的毛坯生产。因此要求该刀具有极高的综合切削性能:(一)适用于各种被加工材质的刀片槽型和结构;(二)优秀的抗冲击性能,强力铣削加工时不能出现切削刃意外崩缺;(三)长的刀具使用寿命,一般客户希望能够在不更换刀片情况下不间断地加工完一个型面,对于加工一个大型模具意味着4~12 小时的加工寿命;(四)低的切削振动,这是制约加工效率提高最难逾越的因素;(五)高的形状精度和高负荷加工下刀具的精度保持性;(六)高的刀体可靠性。

该刀片的槽型是综合考量各种实际切削因素,并且通过长达两年的用户试验,不断优化而最终定型的。具体而言,主要在以下几个方面进行了优化设计。

  比传统刀具更高的精度,刀片安装在刀体上后,与理想球体的理论误差应尽可小,而且曲线不能太复杂,以免造成研磨困难。株钻球头铣刀的球形刃设计精度(所有系列)均为≤0.005mm,制造轮廓误差≤0.05mm(ZOLLER测刀仪检测)。

  中心刀片的刀尖设计保证更低的切削振动和抗冲击性能,过中心区域切削速度极低(接近于零)。切削阻力极大,非常容易出现刀尖崩缺现象。必须进行大量试验室试验和客户实际试验来提高刀片性能。举例来说,其中有一项为切削阻力和切削振动对比试验,试验方案如下:试验刀具为A、B两种国外D40球头铣刀,被加工材料为P20HRC35,切削参数:Vn=3000,ap=0.5mm,ae=1mm,f=3000mm/min,测试仪器:KISTLER动态电荷测力仪。

由试验结果可知:

  (一)在其他条件相同的情形下,f=0.5mm/z时,A刀具的最大主切削力Fx=400N,最大主切削力Fx=50N,最大振幅为350N,平均切削力为230N; 

  (二)在其他条件相同的情形下,f=0.8mm/z时,A刀具的最大主切削力Fx=600N,最大主切削力Fx=80N,最大振幅为520N,平均切削力为290N; 

  (三)在其他条件相同的情形下,f=0.5mm/z时,B刀具的最大主切削力Fx=800N,最大主切削力Fx=160N,最大振幅为640N,平均切削力为400N; 

  (四)在其他条件相同的情形下,f=0.8mm/z时,B刀具的最大主切削力Fx=1000N,最大主切削力Fx=200N,最大振幅为800N,平均切削力为500N。

  由以上四点可知,在1mm的小切深情况下,在所有切削条件相同的情况下,B刀具的刀尖受力情况明显比A差很多,平均受力大了几乎一倍,刀具在同等频率下振动的振幅也明显大得多,而上述切削参数在大多场合都是正常切削参数,这说明在刀具刀尖的处理上A刀具的设计方案明显优越。而B刀具由于切削阻力和切削振动太大,且刀尖的切削前角仅为-20°,刀尖过于单薄,刀具的过中心刀尖非常容易崩缺。 

  因此刀尖的形状设计非常重要,对刀具的实际切削效果有显著的影响。实际上优化设计刀尖形状和参数是一个非常繁杂的过程,要平衡诸多因素,如切削振动、刃部强度、刀具使用的工艺特点、刀片材料特性、本身的工艺性等等,很难一蹴而就,要往返多次不断完善。 

  刀片的槽型优化设计,球头铣刀的圆弧切削刃各点的切削线速度都不相同,轴心区低,外部高,线速度的变化极大,因此各点承受切削阻力相差很大。

  当切削速度低于某个值时,切削阻力会急剧增大,而高过此值时,变化会比较平缓,因此设计主切削刃棱带、槽型主参数时必须遵循这个规律。对于球头刀来说,设计为变棱宽棱带、光滑曲面的切屑导流槽、连续变化的前角、槽宽等最为合适,配合前刀面的减振凸台设计可以在保证刃口强度的基础上尽可能减少棱宽,从而最大化减少切削阻力和抑制振动。分屑槽刀片,对于大直径刀具D50、D40刀具和大悬长刀具来说,在进行过渡全刃接触铣削时,几乎难以加工,排屑非常困难。刀片极易被挤缺。这时需要采用分屑技术的刀片。在实际验证时,加工效率得到2倍以上的提高。

极限过载和疲劳破损校验,进一步改进刀具结构,确保刀具能够长期稳定切削。极限试验主要用于检测刀具在推荐切削参数下的安全性能,包括一系列的超载试验。这需要投入极大的物力和精力,一个产品的开发必须包含此项验证。这里列举其中一项试验: 

  检验刀具:BMR03-040-G32-XP30-02-M;刀片:XPHT40R2004;牌号:YBG302

  被加工材料:NAK80(HRC40)

  切削参数:Vn=2500,ap=5mm,ae=4mm,f=2000mm/min 

  试验结果:加工16小时后,刀具出现疲劳损坏裂纹。刀体上部安装刀片的刀槽底面与侧面出现明显裂痕,刀体已经无法继续使用。

  正是疲劳试验发现了该刀具的内在缺陷,为此进行了四次大的改进来解决这个问题,其中包括(一)面与面间采用圆弧过渡,消除应力集中;(二)更高精度的锁进螺纹配合,提高刀片的安装刚性;(三)采用优质耐热合金钢制造刀体;(四)改变表面处理和热处理工艺,提高抗疲劳性能。改进产品小批量客户试验证明,消除缺陷的产品完全可以满足实际使用要求,现在大批量订货也没有出现问题。

  新型球头铣刀较传统刀具有较大优势,加工实例证明了其高效切削性能,比原来传统球头铣刀提高加工效率2倍以上,且刀具寿命更长,性能可与国外先进厂家相当;批量应用证明该刀具性能稳定可靠,由于性价比高,节约了刀具消耗成本。

  三、新型大进给铣刀

  株钻刀具公司推出的新型大进给铣刀几乎已成为HPM的狭义对等词。这种大进给铣刀结合了低振动切削和高进给切削两种切削形式的优点,能够进一步提高刀具的切削性能。刀片基本形状为类三角形,三个边完全对称,每个边由修光刃、第一主切削刃、突起过渡区、第二主切削刃和刀尖圆弧等组成。刀具的原理及形状专利正在申请中。 

  (一)低振动大进给铣刀的原理及特色 

  所谓低振动切削是指刀具采用大的悬伸量加工深的部位,而刀具的刚性与悬伸长度的四次方成反比,加工效率的主要制约因素是因为加工振动而不得不降低走刀速度。FEETE公司的理论研究和试验证明,通过改变切屑的形状,可以在切屑截面不变的情况下提高走刀速度,或者说在同等金属去除率的情况下,可以降低切削阻力和消耗功率15%~25%。这是一个非常可观的数据,实际上由于受到几何形状以及残余加工区域面积的限制,产品应用达不到这一理论值。 

  株钻公司开发的新型大进给铣刀成功地将小的主偏角与切屑形状控制理论结合起来。该铣刀在切削深度ap小于凸起过渡区到修光刃时,参与切削的为第一主切削刃,这与传统的大进给铣刀并无任何区别。

但当切削深度ap超过这一临界值时,切屑的形状发生改变,传统的大进给铣刀应为一段较长的切屑,而新型铣刀为两段切屑,这种断屑方法称为自台阶断屑。下面通过一个试验来证明对新型刀具性能的阐述。 

  试验机床:MIKRON UCP1000

  被加工材料:NAK80(HRC40)

  对比试验刀具:进口D32大进给铣刀(加长型);株钻D32大进给铣刀

  测量仪器:KISTLER电荷测力仪



 加工参数:ap=1.7mm,ae=25mm,V=120m/min,f=0.8mm/z

 

  试验结果:由于受到机床功率的限制,f=0.8mm/z时机床已经达到极限功率,株钻D32大进给铣刀MR01-063-A22-ZD16-04的切屑成两段排出,切削状态正常。 

  对比的进口刀具已经完全丧失了继续切削的能力,出现强烈的振动甚至抖动。这就证实采用分屑技术与大进给相结合的新型刀具有着更加优越的切削性能。 

  株钻刀具每刃平均切削寿命为3.5小时,进口刀具为3.7小时,寿命基本相当;株钻刀具的切削振动声音相对较小;株钻刀具切屑细碎,容易被压缩空气吹走,切屑刮擦相对较轻。另外值得一提的是,在采用大进给加工前,采用RDKW1204M0刀片进行加工,大进给刀具有着明显的优势,主要体现在以下几个方面:(一)加工效率提高1~2倍,机床占用率大大降低,大大降低固定资产成本;(二)拐角处振动和大模具加工的优势更加明显,提高效率3倍以上;(三)刀片消耗量大大降低,原来RDKW刀片每月消耗2万片,而大进给刀片消耗量不到3000片。

  新型大进给铣刀可以通过分屑方法有效抑制振动,从而进一步提高加长刀具的加工性能;合理的外形设计使该刀具的切削性能和使用寿命达到了预期目的;较传统刀具而言,新刀具的加工效率提高2~3倍,而刀具消耗量仅为原来的1/5,效益相当可观。

  四、结束语

  与传统刀具相比,新的高效模具铣刀加工效率提高2~3倍甚至更高,这一成功得益于优化的刀具几何设计和新的铣削策略。高性能铣削刀具的最大优点是减少了对机床的投资。低振动切削对于大悬伸加工效率的提高起到了关键作用。分屑方法是实现低振动切削最现实的一种方法,同时试验和实际应用都证明效果明显。


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