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高速铣削在淬硬钢模具加工中的应用

潍纺高等专科学校杨祖孝

对淬硬钢进行高速铣削是一种先进加工技术，属于有效的硬铣技术之一。长期以来，人们一直采用铣削一磨削或者铣削—电火花加工(EDM)的方法实现对模具的加工。虽然电火花加工具有与工件硬度无关的工艺特点，但较低的材料去除率使它的应用范围受到限制。随着现代加工技术的发展及超硬刀具材料的出现，以铣代磨、以铣削代替EDM进行高效经济的模具加工已成为可能，并在生产中取得了显著的经济效益。

采用硬铣技术加工模具，不但使加工周期大为缩短，而且加工质量得到了可靠保证。在主轴高速旋转下进行硬铣削可获得无铣痕的表面，其表面粗糙度可达Ra0.6µm。

1 硬铣削的加工特点

硬铣削与电火花加工相比有以下特点：

1）高效率硬铣加工节省了EDM电极设计制造所占用的大量时间且具有较高的材料去除率，加工质量显著提高，大大缩短或消除了工具钳工的配研修磨时间，使模具加工效率大为提高。

2）高质量硬铣削加工模具时，直接将淬硬工具钢一次安装加工成形，有效地避免了零件多次安装造成的装夹误差，提高了零件的几何位置精度。采用高速铣削可获得无铣痕的加工表面，使零件表面质量大大提高。

3）冷却润滑要求低通常硬铣削可采用干铣或使用少量冷却润滑液，无需EDM专用工作液循环过滤系统，同时冷却润滑液的处理过程也比EDM方便得多。

4）投资少硬铣加工既可以在专用的CNC机床或加工中心上进行，也可以在用高速主轴进行改装的普通机床上进行。后者不仅具有普通机床的加工能力，而且还可进行硬铣削，减少了设备投资，增加了机床柔性。目前，国外一些厂商已相继开发出一些专用的高速主轴，如IBAG Zurich公司开发的0.125～60kW的大锥度夹紧主轴，其转速可达12×10³～80×10³r/min，并配有冷却液供应系统。

2 硬铣刀具与切削用量选择

1) 硬铣刀具材料的选择

a. 目前，用于硬铣削的刀具材料主要有聚晶立方氮化硼(CBN)、陶瓷、新型硬质合金和涂层硬质合金等。

b. CBN刀具材料 CBN的晶体结构为面心立方，具有很高的硬度、极强的耐磨性和良好的导热性，且与铁族元素之间有很大的惰性，在1300℃也不会发生显著的化学作用。同时，对酸碱亦有良好的稳定性。研究表明，用CBN复合片刀具切削硬度HRC35～67的淬火钢尤为成功。因此，CBN刀具在硬铣加工中具有特殊的地位。

c. 陶瓷陶瓷材料具有良好的耐磨性和热化学稳定性，其硬度、韧性低于CBN，可用于加工硬度HRC<50的零件。

新型硬质合金和涂层硬质合金这两种材料成本较低，适合切削硬度在HRC40～50之间的工件。

各种工具材料的高温硬度比较如图1所示。

（图片）

图1 各种工具材料的高温硬度

在进给量为0.15mm/r，切削深度0.5mm以下时，按照切削加工条件推荐铣削淬硬钢的刀具材料如图2所示。

（图片）

1.KT9 2.LN10 3.CR1 4.NIT 5.硬质合金 6.金属陶瓷

图2 不同切削条件下工具材料的选择

近年来，工具制造厂商陆续推出了最新产品。如日本黛杰JBN铣刀高速(切削速度v≥100m/min)切削HRC60以上的高硬度材料时，其刀具耐用度达60min以上，并形成系列产品。瑞典Seco铣刀也形成完整系列，以满足各种铣削加工要求。

2) 铣刀直径选择

试验研究表明，有效加工淬硬钢需要用小直径铣刀。无论用球头铣刀还是圆柱铣刀加工三维曲面，刀具直径越小，其纵向干涉越小。因此，选择刀具直径时，对于具有外凸形纵向轮廓曲面的工件，应根据其工件结构、铣刀强度、刚度及加工效率综合考虑；对于内凹形纵向轮廓面的工件，铣刀最大半径应小于或等于纵向内凹轮廓处的最小曲率半径。

3) 切削用量选择

工件材料的切削加工性、刀具材料都对切削用量选择产生直接影响。工件材料越硬、强度越高，切削速度应越低。硬铣削的切削速度范围90～200m/min为宜。根据工件硬度和刀具材料推荐的切削速度值如图2所示。切削深度一般取0.1～0.4mm，进给量取0.1～0.2mm/r为宜，使用JBN300加工不同材质的淬硬钢时，在冷却润滑连续切削条件下，其推荐切削用量见表1。

表1 JBN300加工淬硬钢的切削用量

被加工材料及硬度	切削速度v m/min	进给量f mm/r	切削深度d mm
结构钢渗碳淬火 HRC55～65	100～120	0.05～0.30	0.1～0.5
结构钢渗碳淬火 HRC45～55	150～200	0.05～0.30	0.1～0.5
工具钢淬火 HRC55～65	100～120	0.05～0.20	0.1～0.5

精铣时，为了获得更高的精度和表面质量，可选用较高的切削速度和较小的进给量。

3 硬铣削对机床的要求

1) 高转速由于采用小直径铣刀和高切速，机床必须具有高速主轴。

2) 高刚性为了获得良好的加工质量，机床必须具有足够高的刚度，以防止切削时刀具颤振对加工质量的不利影响。

3) 良好的刀具夹紧装置用以保证刀具与主轴的最优同轴度。

比卧式加工中心更为经济的立式加工中心的普及应用，为复杂型面的硬铣加工提供了机床保证。

4 硬铣削在模具加工中的应用

硬铣削作为高效加工模具的新方法，在模具制造中得到了广泛应用。例如，国外某公司制作连杆锻模，用电火花加工型腔需12～15h，电极制作2h。改用硬铣削后，采用Torus立铣刀对硬度HRC60的淬硬工具钢进行加工，其相关工艺参数如表2所示。

表2 连杆锻模高速铣削工艺参数

工序		切削速度v m/min	进给量f mm/r	切削深度d mm	铣刀
工序		切削速度v m/min	进给量f mm/r	切削深度d mm	直径 mm	刃口圆弧半径 mm
粗铣	Ⅰ	160	0.177	0.3	6	0.8
	Ⅱ	151	0.150	0.3	4	0.5
	Ⅲ	151	0.125	0.3	4	0.5
精铣	Ⅰ	151	0.10	0.2	3	-
精铣	Ⅱ	151	0.05	0.075	3	-

整个锻模加工只需3h20min，工效提高4～5倍，加工表面粗糙度达Ra0.5～0.6µm，质量完全符合要求。 2/3/2006


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