模具加工的最新需求及高效切削刀具

来源：网络作者：发布时间：2008-04-28

近年来，随着全球化的进程，制造业的国际竞争也变得越来越激烈。为了在竞争中立于不败之地，许多企业都致力于“降低成本”、“缩短交货期”、“提高质量”等各种课题的研究。特别是最近在重新认识“日本制造”的同时，模具的高精度化、高效化加工已成为重要的关键词。换言之，模具加工过程中不可或缺的工具——切削刀具的作用现在已被认为是至关重要的因素。
近几年，使用切削刀具的用户的需求也发生了变化。以前，人们普遍认为刀具是消耗品，所以想通过减少使用量来降低刀具费用。最近人们的观点发生了转变，认为应该通过充分发挥刀具的作用来降低加工费。这也正是日立工具公司4年前提出的“加工减半运动”的观点。为了配合用户这种需求的变化，工具生产商有必要集中精力开发效率更高的刀具。
本文将介绍以下内容：近期为配合模具加工需求而开发的用于精加工的高效小直径整体硬质合金立铣刀（Epoch深切削圆角立铣刀）；用于粗加工的高效圆角立铣刀（多刃型大进给圆角立铣刀）；能在高效加工条件下大幅提高刀具性能的最新超润滑涂层（JX涂层）的开发、性能和加工实例。

    1．整体硬质合金立铣刀“Epoch深加工圆角立铣刀（Epoch Deep Radius）”
    （1）切削性能
    近几年，用切削加工替代以前的放电加工的趋势越来越明显，这种需求渐渐转向切削工件上窄而深的部位。使用立铣刀深切削加工这种窄而深的部位时，适用的主流刀具是小直径球头立铣刀（日立工具也在生产Epoch深切削球头立铣刀、Epoch笔式深切削球头立铣刀系列）。但是，使用小直径球头立铣刀进行高效深切削时会出现以下问题（即用切削加工替代放电加工存在的问题）：①切削阻力容易增大；②中心部位的切削速度很难提高（顶端中心刃部分易受损）；③存在理论上的切削残留部分（刀具径向切入量不能太大）。
    日立工具为解决以上问题，开发了小直径长颈系列Epoch深切削圆角立铣刀。在使用小直径立铣刀进行深切削时，如果刀具切削刃前端的切削阻力太大，就会产生振动而无法在高效切削条件下加工，从而影响加工效率。从切削阻力的角度对球头立铣刀与R角立铣刀进行对比可知，后者的切削刃接触面积较小，切削阻力也相对较小。
    此外，在进行等高线切削时，球头立铣刀存在理论上的切削残留部分，尤其是切削速度低的端部横刃容易破损。而圆角立铣刀加工时通常能形成一定的切削面，故具有加工稳定可靠的优点。
    现在开发的Epoch深切削圆角立铣刀能够防止深切削时产生的颤振。为了进一步提高加工效率，采用了倒锥形设计。这种设计可防止切削过程中因刀具弯曲造成外周刃与被切削材料接触，从而可实现稳定加工。此外，刀具涂层采用了具有高硬度和高耐热、耐磨性能的TH（TiSiN）硬涂层，非常适合高硬度材料的直接深切削加工。
    以下通过加工实例介绍Epoch深切削圆角立铣刀的特点。
    （2）加工实例
    ①沟槽高效加工实例
    为了对沟槽进行高效加工，需要在一定程度上加大XY方向的步距，但如果使用球头立铣刀加工，就会使无法提高切削速度的中心刃承受很大的负荷而不得不降低切削条件。
    从使用球头立铣刀加工沟槽的结果可以看出：若加大设定的XY步距，则中心刃处的破损程度也会加大；若减小设定的XY步距，降低切削条件，虽未观察到中心刃受损，但前端中心横刃的磨损却有所增大。从使用Epoch深切削圆角立铣刀加工沟槽的结果可知，不但切削稳定，而且磨损减小，对高硬度（约50HRC）热模锻钢工件的沟槽加工效果良好。
    在本加工实例中，与球头立铣刀相比，新型圆角立铣刀所需加工时间缩短约1/4，加工费用降低一半以上。
    ②高硬度材料的深切削
    从用长颈型立铣刀加工SKD11冷作模具钢（60HRC）的结果可以看出，球头立铣刀的外周切削刃有很大破损；而Epoch深加工圆角立铣刀无破损，只有均匀磨损。可以推断，由于球头立铣刀的切削刃接触长度较大，因此切削阻力也大，切削速度高的外周切削刃容易受损。这一点与例①相同，圆角立铣刀具有明显优势。
    由在相同加工条件下日立工具的圆角立铣刀与其它公司圆角立铣刀的对比可以看到，其它公司生产的圆角立铣刀由于没有采用倒锥形设计，对超过60HRC的高硬度材料加工效果不太理想。日立工具的新一代深切削圆角立铣刀因为采用了背斜式形状的独特设计，外周切削刃为点接触式切削，即使在用直切法加工高硬度材料时，切削阻力也很小，且加工状态稳定。
    由Epoch深切削圆角立铣刀的加工实例可知，该刀具性能优异，尤其对高硬度材料进行深切削时具有明显优势。总之，充分发挥圆角立铣刀的作用，可对经过热处理淬火的材料直接进行沟槽加工，因加工过程缩短，可大幅降低加工费用。实验证明，采用圆角立铣刀加工效率可提高5倍以上，而加工费可降低35%。

    2．用于大进给粗加工的可转位圆角立铣刀
    （1）多刃型大进给圆角立铣刀
    模具行业普遍采用小切深、大进给的切削方式来实现高效加工，但市场需求要求进一步提高加工效率。针对这种需要，日立工具开发了多切削刃刀具，以及在大进给条件下也能承受高切削速度的涂层。
    多刃型大进给圆角刀具的设计理念是在有限的刀具外径内，根据以往的刃数设计方法，将切削刃尺寸缩小，但又不会降低刃口强度。将大进给圆角立铣刀的刀片主切削刃半径设定为R8。与半径同为R8的圆刀片相比，它具有相同的刃口强度，但又最大限度地缩小了刀片面积，从而实现了多刃化。以前外径为φ32的刀片都是2个刀刃，而多刃型大进给圆角立铣刀的刀刃数多达5个，比以往的产品提高了2.5倍。
    （2）大进给刀具的特点
    以前用于粗加工的可转位刀具普遍配用圆刀片，表面上看似乎可获得很大的切深量，可一次切除大量材料，但由于其切削刃与被加工材料的接触长度大于直线刃刀片的接触长度，因此切削阻力增大，很难实现大进给切削。此外，圆刀片在刀具悬伸较长的加工场合受到径向力作用，易造成刀具弯曲而发生振颤。多刃型大进给圆角立铣刀的切削刃设计在刀具回转轴的底部，因此切削阻力主要作用于轴向，即多刃型大进给圆角立铣刀即使悬伸较长也不易发生颤振，能够实现稳定加工。同时，通过将刀片小型化，使切削刃长度比以往的大进给刀具明显缩短，减小了切削阻力，从而通过多刃化有效控制了切削力。

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