1引言
模具是技術(shù)型產(chǎn)品和典型的非定型產(chǎn)品，每套模具都要進行創(chuàng)造性的設(shè)計、加工數(shù)控編程、生產(chǎn)準(zhǔn)備、機械加工、裝配及試模等階段，所經(jīng)過的周期較長，特別是其機械加工費時。因此，如何提高生產(chǎn)效率、縮短開發(fā)周期、提高模具制造水平、降低生產(chǎn)成本一直是模具制造企業(yè)面臨的難題。
無論是沖壓模具還是鍛壓模具，構(gòu)成模具型腔的材料一般都是采用高強度的耐磨材料制造（如各種牌號的合金工具鋼和不銹鋼等）。這些材料經(jīng)過淬火熱處理后的硬度很高，一般可達到50HRC以上，很難用常規(guī)機械加工方法進行切削精加工。
長期以來，對付這類難加工材料的最好辦法就是采用電火花（EDM）特種加工方法，電火花加工存在兩個明顯的缺點：一是生產(chǎn)效率低，二是加工質(zhì)量難以保證。
高速切削加工技術(shù)的出現(xiàn)為模具制造技術(shù)帶來了嶄新的途徑。與電火花（EDM）加工相比，高速切削加工具有生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好、能加工型腔較復(fù)雜的硬質(zhì)零件和薄壁零件等優(yōu)點。因此，自20世紀(jì)90年代以來，國外模具工業(yè)開始采用高速切削方法進行模具型腔的精加工。
據(jù)統(tǒng)計，目前工業(yè)發(fā)達國家已有85％模具的電加工工藝被高速切削加工工藝所取代，高速切削加工在國際模具制造工藝中的主流地位已確立。我國在20世紀(jì)90年代也開始重視高速切削加工技術(shù)的研究與應(yīng)用。高速切削加工模具的關(guān)鍵技術(shù)是刀具技術(shù)和機床技術(shù)。本文分析了淬硬模具高速銑削加工刀具的相關(guān)技術(shù)。
2高速銑削淬硬模具的優(yōu)點
在高速切削加工中最常用的加工方法是高速銑削，用高速銑削模具代替電火花加工模具具有如下優(yōu)點。
（1）加工質(zhì)量好
用傳統(tǒng)電火花加工方法加工模具時，在對工件表面局部高溫放電燒蝕過程中，工件材料表面的物理-機械性能會受到一定損傷，常常會在型腔表面產(chǎn)生微細裂紋，難以保證工件加工質(zhì)量。高速銑削以高于常規(guī)銑削速度10倍左右的切削速度對零件進行加工，毛坯的余量還來不及充分變形就瞬間被切離工件，工件表面的殘余應(yīng)力非常小。同時，高速銑削過程中機床主軸轉(zhuǎn)速極高（8000r/min～100000r/min），“機床－夾具－工件－刀具”工藝系統(tǒng)的激振頻率遠遠高于其固有頻率范圍，零件加工過程平穩(wěn)無沖擊。因此，零件的加工精度高，表面質(zhì)量好。經(jīng)過高速銑削的模具型腔，表面質(zhì)量可達到磨削的水平，故可省去后續(xù)的磨削加工工序。
（2）生產(chǎn)效率高
由于電火花加工是靠放電燒蝕進行的“微切削”，加工過程非常緩慢，同時，模具型腔表面粗糙度也達不到模具的要求，往往經(jīng)過電火花加工后還需進行費時的手工研磨和拋光模具，因此這種工藝生產(chǎn)效率極低。在加工中心或高速銑床上切削加工模具，其加工過程本身的效率比電火花加工高出好幾倍。同時，可以在工件一次裝夾中完成型腔的粗、精加工及模具其它部位的機械加工，即實現(xiàn)所謂的“一次過”技術(shù)（OnePassMachining）。此外，該技術(shù)不需
要做電極及后續(xù)的手工研磨和拋光，容易實現(xiàn)加工過程的自動化。因此，高速加工技術(shù)的應(yīng)用使模具開發(fā)速度大為提高。
�。�3）能加工形狀復(fù)雜的硬質(zhì)零件和薄壁零件
由高速切削機理可知，高速銑削時切削力大為減少，切削過程變得比較輕松。高速切削可以加工材料硬度達60HRC以上的淬硬鋼，可以不用切削液，即所謂的硬切削（HardMachining）和干切削（DryMachining）。更為突出的是，在高速銑削中橫向切削力很小，這對加工復(fù)雜模具型腔中的一些細筋和薄壁（壁厚可小于1mm）極其有利。當(dāng)然，高速銑削加工模具也存在一定的局限。當(dāng)工件材料硬度大于60HRC以上，并且具有既窄又深的型腔且倒角和圓角非常小時，高速銑削加工就顯得非常困難，而采用高速銑削和電火花加工的有機組合就可以達到較好的經(jīng)濟效果。
3高速銑削淬硬模具的刀具技術(shù)
在高速銑削加工模具中，刀具技術(shù)最關(guān)鍵，而且涉及面多，主要體現(xiàn)在刀具材料及幾何參數(shù)選擇、刀具的損壞與檢測、刀具與機床的連接技術(shù)、刀具的安全性等問題上。
3.1刀具材料及幾何參數(shù)選擇
�。�1）刀具材料
高速銑削要求高速刀具材料與被加工材料必須有較小的化學(xué)親和力，具有良好的熱穩(wěn)定性、抗沖擊性、耐磨性、抗熱疲勞性，并具有優(yōu)良的力學(xué)性能等。
目前，用于高速硬銑削的刀具材料主要有聚晶立方氮化硼（PCBN）、陶瓷、新型硬質(zhì)合金和涂層硬質(zhì)合金等，應(yīng)根據(jù)模具材料、刀具幾何形狀、切削條件三大因素來選擇刀具材料。
由于聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具具有很高的硬度和耐磨性，因而適合于高速切削淬硬鋼。在加工硬度低于50HRC的工件時，PCBN刀具形成的切屑為長條形，在刀具表面產(chǎn)生月洼磨損，從而縮短刀具壽命。因此，PCBN刀具適合加工硬度高于55～65HRC的材料。
陶瓷刀具的成本低于PCBN刀具，具有良好的熱化學(xué)穩(wěn)定性，但其韌性和硬度不如PCBN刀具好。因此，陶瓷刀具比較適合加工相對比較軟的材料（HRC≤50）。新型硬質(zhì)合金和涂層硬質(zhì)合金刀具成本較低，但切削硬度不如PCBN刀具和陶瓷刀具，一般在40～50HRC之間。
從目前研究情況看，在所有模具高速切削刀具材料中，聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具的性能較好，是進行淬硬鋼模具加工的主要刀具材料。
（2）刀具幾何參數(shù)選擇
當(dāng)?shù)毒卟牧线x定后，刀具幾何參數(shù)的選擇對刀具的壽命和切削速度有較大的影響，一般應(yīng)選擇強度盡可能大的刀片形狀，刀尖圓弧半徑也盡可能大。
與普通銑削相比，高速銑削時前角應(yīng)小10°，后角應(yīng)大5°～8°。高速銑削時，根據(jù)加工材料不同刀具的合理參數(shù)也不同，在加工淬硬鋼時，起重要作用的刀具幾何角度是前角γ0和后角α0。高速銑削時合理的前角γ0和后角α0經(jīng)驗值見下表。
表不同材料的高速切削加工刀具合理的γ0、α0值
工件材料－γ0－α0
鋁合金－12°～15°－13°～15°
鋼－0°～5°－12°～16°
鑄鐵－0°－１２°
另外，硬切削的切削力大，除要求刀片強度外，對刀桿強度和剛度要求也高。
3.2刀具的損壞與檢測
（1）刀具損壞
由于高速銑削刀具價格較貴，刀具的損壞嚴(yán)重縮短了刀具的使用壽命，增加了高速銑削加工的成本。因此，控制刀具的損壞，加強刀具的檢測對高速銑削具有重要意義。刀具損壞有磨損和破損兩種情況。磨損是刀具在加工過程中與工件發(fā)生接觸和摩擦而產(chǎn)生的表面材料消耗現(xiàn)象；破損是刀具發(fā)生崩刃、斷裂、塑性變形等導(dǎo)致刀具失去切削能力的現(xiàn)象，它包括脆性破損和塑性破損。
刀具磨損是高速銑削中需解決的一個難題。高速銑削時刀具的磨損主要有后刀面磨損、前刀面月牙洼磨損、邊界磨損、微崩刃、片狀剝落、塑性變形等形態(tài)。不同加工材料及高速刀具材料的主要磨損形式不同。后刀面磨損是高速刀具磨損的最常見的形式，也是刀具的正常磨損形式，一般用后刀面均勻磨損區(qū)寬度VB值作為刀具的磨損極限。后刀面磨損區(qū)寬度加大會使刀具切削迅速減弱。前刀面月牙洼磨損主要出現(xiàn)在塑性金屬的高速切削加工中，常發(fā)生在切削溫度較高而刀具紅硬性差的切削條件下。邊界磨損常發(fā)生在刀具后刀面的刀具、工件接觸邊緣處，形狀為一狹長溝槽。高速切削不銹鋼、高溫合金時易發(fā)生邊界磨損。微崩刃是在刀具切削刃上產(chǎn)生的微小缺口，通常發(fā)生在斷續(xù)高速切削時。
片狀剝落主要發(fā)生在刀具的前、后刀面上，其原因是刀具－切屑、刀具－工件接觸區(qū)的接觸疲勞或熱應(yīng)力疲勞所致。
（2）刀具的檢測
目前，刀具檢測主要采用人工檢測、離線檢測和在線檢測三種形式。人工檢測是由工人在加工時憑經(jīng)驗對刀具的狀態(tài)進行檢測；離線檢測是在加工之前對刀具進行專門檢測，并預(yù)測其壽命，看能否完成當(dāng)前的加工任務(wù)；在線檢測也稱實時檢測，是在加工過程中實時對刀具進行檢測，并依據(jù)檢測結(jié)果進行相應(yīng)的處理。
3.3刀具與機床連接技術(shù)
在高速切削條件下，刀具與機床的連接系統(tǒng)是影響加工精度和刀具安全性的重要方面，傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)7：24錐度實心長刀柄結(jié)構(gòu)已不能滿足高速切削的要求，必須研制和開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)的刀柄來連接刀具與機床。高速切削條件下，要求刀具系統(tǒng)（刀具、夾頭和刀柄）具有以下特點：
（1）較高的刀具系統(tǒng)精度
刀具系統(tǒng)精度包括系統(tǒng)定位夾持精度和刀具重復(fù)定位精度，前者指刀具與刀柄、刀柄與機床主軸的連接精度；后者指每次換刀后刀具系統(tǒng)精度一致性。刀具系統(tǒng)具有較高的系統(tǒng)精度，才能保證高速加工條件下刀具系統(tǒng)應(yīng)有的靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性。
（2）較高的刀具系統(tǒng)剛性
刀具系統(tǒng)的靜、動剛性是影響加工精度及切削性能的重要因素。刀具系統(tǒng)剛性不足會導(dǎo)致刀具系統(tǒng)振動，從而降低加工精度，并加劇刀具的磨損，降低刀具的使用壽命。
（3）較好的動平衡性
高速加工條件下，微小質(zhì)量的不平衡都會造成巨大的離心力，引起機床和加工過程的急劇振動。因此，高速刀具系統(tǒng)的動平衡非常重要。
為了適應(yīng)高速切削加工對刀具系統(tǒng)的要求，近十多年來，各工業(yè)發(fā)達國家相繼研制開發(fā)了多種新型結(jié)構(gòu)的刀柄。目前最具有代表性的是德國的HSK刀柄、美國的KM刀柄以及日本的BIG—PLUS刀柄。
HSK刀柄由錐面和法蘭端面完成徑向和軸向雙面定位，實現(xiàn)與主軸的剛性連接。當(dāng)?shù)侗跈C床主軸上安裝時，錐度為1：10的空心短錐柄與主軸錐孔完全接觸，起到定心作用，實現(xiàn)刀具與主軸間的同軸度。此時，HSK刀柄法蘭盤與主軸端面間還存在著約0.1mm的間隙。在拉緊機構(gòu)作用下，拉桿向左移動使其前端錐面將彈性夾爪徑向脹開，同時夾爪的外錐面作用在空心短錐柄內(nèi)孔的30°錐面上，空心短錐柄產(chǎn)生彈性變形，并使其端面與主軸端面靠緊，實現(xiàn)了刀柄與主軸錐面和主軸端面同時定位和夾緊的功能。
KM刀柄是與HSK刀柄并存的1：10短錐空心刀柄，錐柄長度僅為標(biāo)準(zhǔn)7：24錐度實心長刀柄的1/3。由于配合錐度較短，部分解決了端面與錐面同時定位而產(chǎn)生的干涉問題。另一方面，KM刀柄與主軸錐孔間的配合過盈量較高，可達HSK刀柄結(jié)構(gòu)的2～5倍，連接剛度比HSK刀柄高。同時，與其它類型的空心錐柄連接相比，相同法蘭外徑采用的錐柄直徑較小，因而主軸錐孔在高速旋轉(zhuǎn)時擴張小，高速性能好。
3.4刀具的安全性
高速銑削模具時應(yīng)對銑刀提出安全性要求。試驗證明，普通銑刀的結(jié)構(gòu)和強度不能適應(yīng)高速切削的要求。銑刀在高速旋轉(zhuǎn)時，刀具的各部分承受的離心力已遠遠超過切削力本身的作用，成為刀具的主要載荷。當(dāng)離心力達到一定的程度時，會造成刀具的變形，甚至破裂，從而造成嚴(yán)重的后果。因此，研究高速銑刀的安全性技術(shù)，防止由離心力引起的刀具損壞，對高速銑削模具的刀具技術(shù)有極其重要的意義。
德國在高速切削工具系統(tǒng)的方面研究成果為高速切削加工技術(shù)的推廣應(yīng)用作出了重要貢獻。早在20世紀(jì)90年代初德國就開始了對高速銑刀的安全性技術(shù)研究，取得了一系列的成果，并制訂了ＤＩＮ６５８９－１《高速旋轉(zhuǎn)銑刀的安全性要求》標(biāo)準(zhǔn)草案，規(guī)定了高速銑刀失效的試驗方法和標(biāo)準(zhǔn)，在技術(shù)上提出了高速銑刀設(shè)計、制造和使用的指導(dǎo)性意見，規(guī)定了統(tǒng)一的安全性檢驗方法。該標(biāo)準(zhǔn)草案已成為各國高速銑刀安全性的指導(dǎo)性文件。
高速銑刀的安全失效形式有兩種：變形和破裂。不同類型的銑刀，其安全試驗方法也不同。對于機夾可轉(zhuǎn)位銑刀，一種試驗方法是在1.6倍于最大使用轉(zhuǎn)速下刀具的永久性變形或零件的位移不超過0.05mm；另一種試驗方法是在2倍于最大使用轉(zhuǎn)速下刀具不發(fā)生破裂，包括夾緊刀片的螺釘被剪斷、刀片或其他夾緊元件被甩飛、刀體爆裂等。對于整體式銑刀，則必須在2倍于最大使用轉(zhuǎn)速條件下試驗而不發(fā)生彎曲或斷裂。
結(jié)合高速銑刀安全性標(biāo)準(zhǔn)，通過有限元計算模型的分析，為適應(yīng)高速銑刀的安全性要求，可從以下幾個方面著手：
（1）刀具質(zhì)量和刀具結(jié)構(gòu)
減輕刀具質(zhì)量、減少刀具系統(tǒng)構(gòu)件數(shù)和簡化刀具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是提高刀具破裂極限的有效途徑。比較同一直徑刀具用試驗求得的破裂極限與刀具質(zhì)量、刀具構(gòu)件數(shù)和構(gòu)件接觸面數(shù)間的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)，刀具質(zhì)量越輕，刀具系統(tǒng)構(gòu)件數(shù)量和構(gòu)件接觸面越少，刀具破裂極限轉(zhuǎn)速越高。為減小刀具質(zhì)量，應(yīng)根據(jù)材料抗拉強度與密度的比值以及刀具應(yīng)用的轉(zhuǎn)速范圍選擇刀體材料。目前，有采用高強度鋁合金制造高速銑刀刀體。
在刀具結(jié)構(gòu)上，應(yīng)注意避免和減小應(yīng)力集中。刀體上的槽（包括刀座槽、容屑槽、鍵槽）會引起應(yīng)力集中，降低刀體的強度，因此應(yīng)盡量避免通槽和槽底帶尖角。同時，刀具的結(jié)構(gòu)應(yīng)對稱于回轉(zhuǎn)軸，使重心通過銑刀的軸線。刀片和刀座的夾緊、調(diào)整結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能消除游隙，并且要求重復(fù)定位性好。
（2）刀具（刀片）的夾緊方式
模擬計算和破裂試驗研究表明，高速銑刀刀片的夾緊方法不允許采用通常的摩擦力夾緊，而要用帶中心孔的刀片用螺釘夾緊，或用特殊設(shè)計的刀具結(jié)構(gòu)，以防止刀片甩飛。刀座、刀片的夾緊力方向最好與離心力方向一致，同時要控制好螺釘?shù)念A(yù)緊力，防止螺釘因過載而提前受損。小直徑帶柄銑刀有兩種高精度、高剛度的夾緊方法：液壓夾頭和熱脹冷縮夾頭。
（3）刀具的動平衡性
在高速旋轉(zhuǎn)時，刀具的不平衡不僅會引起機床主軸系統(tǒng)振動，影響加工精度，同時還會對刀具系統(tǒng)產(chǎn)生附加徑向載荷，其大小與刀具轉(zhuǎn)速平方成正比。
由此可見，提高刀具的動平衡性可較大程度地減小離心力，提高高速刀具的安全性。因此，按照《高速旋轉(zhuǎn)銑刀的安全性要求》標(biāo)準(zhǔn)草案要求，用于高速切削的銑刀必須經(jīng)過動平衡測試，并應(yīng)達到ISO1940－1規(guī)定的G4.0平衡質(zhì)量等級以上要求。
4結(jié)語
通過對刀具材料及幾何參數(shù)、刀具損壞與檢測、刀具與機床的連接技術(shù)、刀具安全性四個方面分析了高速銑削淬硬模具時對刀具的要求，只有解決好高速銑削刀具這些問題，才有利于模具高速銑削加工技術(shù)的推廣應(yīng)用。
