高效精密立铣加工淬硬模具钢

        加工模具钢大部分是在热处理前进行切削加工，主要是平面铣削及型腔、凸模、沟槽等的立铣加工，切削加工后再进行淬火、回火等热处理，此时硬度可高达HRC50～60左右，甚至更高。高硬度可保证模具耐磨，使用寿命长，但热处理后零件易变形，材料变硬，加工性极差，只能用磨削，甚至用手工研磨等方法进行，以达到最终精度要求。但这样的加工效率低，加工不便，生产周期长，交货迟，成本也大为提高，客户不满意。当前事实上已形成这样一个局面，哪一家公司能高效加工模具，交货期短，相应成本低，就能扩大市场，扩大销售，在竞争中赢得胜利。
        为了满足以上要求，人们改变了思路，是否热处理淬硬后也能用刀具切削，特别是各类型腔、型面等的加工也能用立铣刀来加工，且不但用于半精加工，甚至精加工，实现部分或完全以铣代磨。用刀具切削在单位时间对零件切除体积远远大于砂轮磨削的切除体积量，即其效率远远高于磨削，且在设备投资、占地面积、环境保护、降低总成本等多方面带来诸多经济与社会效益。下面分别叙述整体立铣刀为适应上述要求而做的改进。
        
        为切削淬硬钢，在刀具材料上进行的开发与创新 

        ◆ CBN（立方氮化硼）材料开始用于立铣刀
        近年来，说起以车代磨、以铣代磨加工淬硬钢，通常首先想到运用CBN（立方氮化硼）刀具材料，CBN其微粒硬度达HV8000～9000，其烧结体硬度PCBN硬度可达HV3000～5000，耐热性达1400～1500℃。PCBN在800℃时硬度还高于陶瓷与硬质合金的常温硬度，故可以硬质合金3～5倍的切削速度进行切削，且其化学稳定性好，在1200～1300℃高温下，也不与铁系材料发生化学反应，与碳也是在2000℃下才发生反应。其对各种材料的粘结、高温时的扩散作用也比硬质合金小得多，因此特别适合于加工钢铁材料。其导热性为硬质合金的20倍，仅次于金钢石，并且它的导热性随着温度的提高而增强。它与不同材料的摩擦系数仅为0.1～0.3。且随着切削速度的提高，摩擦系数下降，而硬质合金的摩擦系数为0.4～0.6。
        三菱较早开发了CBN材料的立铣刀，其CBN—2XLB，型R1x5球头立铣刀（即球头半径为1mm，颈长为5mm）铣削60HRc的SKDII模具钢可以20000转/min的转速，1700mm/min的进给量，0.05mm的切深（背吃刀量），切削了800米，后刀面仅磨损0.03mm。若切深提高到0.1mm，也就是在较高负荷下，切削了400米，后刀面磨损高度仅0.022mm。由于其球头精度高R公差为±5祄，外径公差0～10祄，加工精度很高，为保持同样的高精度，1根CBN高精度球头立铣刀所能加工的表面，若换用相同高精度的硬质合金球头立铣刀需用7～8根。
        在切削淬硬模具钢时，若选择CBN材料，虽价格贵，但因切削速度高可缩短加工时间，延长刀具寿命，提高产品质量，因此可能具有更好的经济性。
        当然如果脱离实际加工条件，一味选用新型材料也可能增加加工成本（CBN刀具刀片价格约是硬质合金的6-10倍）。另外，使用新材料切削条件选用不当时，也会影响加工质量与刀具寿命。故应对整个加工任务进行评估，综合权衡生产批量、加工时间、机床和刀具性能后，在保证加工质量前提下，在较低的切削速度等条件下，有可能选用价格较低的涂层硬质合金刀具，也可以实现较好的加工效果下面介绍。涂层技术与硬质合金材料的新发展。 

        ◆ 涂层技术的发展进步为淬硬钢加工带来的成果
        据使用要求的不同，淬硬钢的硬度通常可达到HRc45～68。为顺利切削工件，一般切削刀具的硬度需要达到被切削工件的3～5倍以上为宜。涂层硬度常用维氏硬度（Hv）测定，以三菱产品为例，其TiN涂层立铣刀为Hv1900，Mstar系立铣刀采用（Al，Ti）N涂层为Hv2800，VC型立铣刀即采用(Al，Ti，Si) N涂层的则为Hv3200，最近开发的Impact Miracle纳米级（Al，Ti）N涂层VF型立铣刀，其硬度进一步提高，Hv达到3700，可以说接近了PCBN的硬度值。其氧化开始温度与涂层结合力也进一步提高，摩擦系数则不断下降。三菱各类涂层性能表见下表。以HRc值单纯与Hv值相比的话，HRc68大约相当Hv940，虽各硬度值提高与对比并非线性关系，但可看出Mstar的（Al，Ti）N涂层已可切削淬硬钢，但硬度更高，氧化开始温度更高的Impact Miracle涂层即VF系列立铣刀可获得更佳的效果。 

        Impact Miracle涂层VF系列立铣刀的切削实例有：
        1） 以VF-2SB R1球头立铣刀加工高速钢SKH51（M2）制模具，模具硬度HRc65，切削用量为转速20000转/min进给速度6000mm/min，每刃齿进给量为0.15mm/齿，背吃刀量0.07mm侧吃刀量0.2mm，风冷，切削长度达30m后，仍未损伤。
        2） 以VF-MD φ6直角头立铣刀加工模具钢SKDII（HRc60），切削用量为转速8000转/min，进给速度2160mm/min（0.045mm/齿）风冷，切削长度达100m未损。
        3） 以VF-2SB R3球头立铣刀加工热加工用压铸模（材料为DH315、硬度HRc52），切削用量为转速16000转/min，进给速度1600mm/min，0.05mm/齿，背吃刀量（切深）2mm，侧吃刀量0.2mm，顺铣，风冷。该材料韧性很高，切削120多米后才损伤。 nextpage
        4） VF-2SB R1球头立铣刀切削HRc68以上的粉末高速钢模具，切削用量为转速8000转/min，进给速度1260mm/min，每刃齿进给量为0.08mm/齿，背吃刀量0.2mm，侧吃刀时0.07mm，风冷，顺铣，可切削长达50米以上，比一般立铣刀寿命高数倍。
        5） 用VF-2SB R10球头立铣刀加工模具钢SKDII（HRc60）转速1200转/min，进给速度240mm/min，每刃齿进给量为0.1mm/齿，而背吃刀量可高达8mm，侧吃刀量0.5mm，顺铣，风冷。在此大切深条件下，仍可切削30米，为老产品的3倍。
        6） 用长颈VF-2XLB R1x20球头立铣刀加工深部型槽，模具材料为SKDII (HRc60)，切削用量为：转速10000转/min，进给速度1000mm/min，每刃齿进给量为0.05mm/齿，风冷，顺铣。往复切削可切削20米长，比其它类似产品寿命高一倍。
        7） 用VF-MD直角头立铣刀同时加工淬硬到HRc60的钢侧面与底面，切削稳定，可获良好表面质量，切屑形态、色泽正常良好，切削速度为151m/min，每齿进给0.1mm/齿，其底刃的耐缺损性，外周刃的耐磨性均好。
        8） 用圆弧头立铣刀VF-MDRB以切削速度50m/min，每刃齿进给量为0.05mm/齿，切深0.5mm，切宽8mm，加工SKDII（60HRc）顺铣，风冷，可加工8米后，几乎无损。 

        ◆ 立铣刀基体硬质合金超细微粒化
        立铣刀刀齿在加工时，反复承受冲击载荷，因此必需具有足够的韧性，切削淬硬材料时，切削力大，更应提高韧性。一般如下表，涂层硬度愈来愈高，涂层保证了切削淬硬钢的耐磨性，可切削性、韧性则更多的是靠基体材料来保证。涂层硬质合金立铣刀的基体材料主要是韧性高、抗振性好的K类硬质合金，K类硬质合金主要成分是WC（碳化钨）也就是要使WC结晶颗粒细化，下表中所列各类涂层其表面涂层愈硬，应愈使其基体晶粒细化，加工淬硬钢的性能也越高。下表中Impact Miracle涂层基体材料的晶粒可达1祄以下，使其耐磨性与韧性同时提高。

        表 IMPACT MIRACLE 涂层的特点
         Impact MIRACLE (Al，Ti，Si) N （Al，Ti）N
         硬度 3700HV 3200HV 2800HV
         结合力 100N 80N 80N
         氧化开始温度 1300℃ 1100℃ 840℃
         摩擦系数 0.48 0.53 0.58

        图片说明： VF立铣刀的结构改进
        (VF-2SB
        IMPACT MIRACLE 球头铣刀 R0.1-R10mm 共34种尺寸规格
        
        VF-2XLB
        IMPACT MIRACLE 长颈球头立铣刀 R0.1-R3mm，共119种尺寸规格
         
        VF-SD
        IMPACT MIRACLE直角头立铣刀 ?-?2mm 共12种尺寸规格
        
        VF-MD
        IMPACT MIRACLE直角头立铣刀 ?-?5mm 共18种尺寸规格
        
        VF-SDRB（new）
        IMPACT MIRACLE圆孤头立铣刀 ?-?2mm 共13种尺寸规格
        
        VF-MDRB（new）
        IMPACT MIRACLE圆孤头立铣刀 ?-?0mm 共21种尺寸规格)
         
        为适应淬硬钢加工、立铣刀结构的改进 

        1) 球头立铣刀结构的改进，使二主刀刃在顶刃中心构成一点，以免生成横刃，以降低切削力，改善中心部切削，消除啃挤，利于形成并排除切屑，球刃与外周刃间应圆滑过渡不产生接痕。(上图)
        2) 直角头立铣刀与圆孤头立铣刀在底刃上的改进：使底刃位置错开，制造方便，以改善底刃中心部切削条件；并改善槽形以利排屑；刃部倒圆可提高刃口耐破损性，以适应切削高硬度材料。（上图）
        3) 为提高寿命，增强刚性，特别设计了VF-2SSB型短刃立铣刀，全长亦较短，是适热套式夹紧刀柄的立铣刀。
        4) 为了实现“以铣代磨”，达到磨削的高精度，必须提高立铣刀自身的精度。三菱的高精度球头立铣刀，球头半径R精度达±0.002mm，直径精度0～0.01mm。圆弧头立铣刀转角部分圆弧R精度达0～±0.01mm。若在直径公差范围内对整批立铣刀产品按尺寸公差分段划分若干组，则分组尺寸公差必然缩小，可使各组立铣刀加工精度提高，以这样高精度的立铣刀，精加工模具侧面可达到±0.005mm的高精度，从而实现用立铣刀高效高精度加工模具，完全免除了磨削加工。