刀具和模具硬铣削加工

通常，人们称加工硬度超过 56HRC，或者强度超过Rm>2,000 牛顿/平方毫米的钢铁材料为硬 切削加工。多数情况下，制模或者锻模在预加工之后，要经过渗碳或者淬火。在预加工后，必须 预留一定的精加工余量。尤其是加工带有球面或环面形状的工件时，硬铣削更显重要。硬铣削可 切削硬度至 70HRC的材料，所要求的表面粗糙度通常只有借助于手工抛光才能达到。这是一道 很昂贵的加工工序。 为了缩短手工抛光所需的时间， 必须在铣削时利用具有确定几何形状的刀刃。 如在HSC加工中，使表面接近于抛光表面的粗糙度：最大为Rz1 的表面质量。 市场上通用的硬金属铣刀不适合在这个范围内切削。 解决硬材料的铣削问题， 必须满足一些先决 条件。例如，一个解决方案是，使用由特种硬质合金基体材料制成的、具有独特的几何形状和相 应的涂层的Horn DS铣刀(图 1)。 这意味着刀具必须具备这三个重要要素。在刀具的制造过程中， 必须特别注意这些要素之间的平衡。

 

硬质合金

硬质合金材料主要是由碳化钨和钴通过粉末冶金制成。 其基体的耐磨强度随硬度增加而提高。 铣 削表面硬度超过 56HRC的工件时，只能使用钴含量<10%和颗粒直径小于 0.7mm的硬质合金 制成的刀具(图 2)。 图 2 常规的ISO K-M或P类硬质合金刀具不适用于切削更高强度的材料。具有最细的和超微粉 粒度的硬质合金，因其硬度、极限强度和韧性高，明显比常规的硬质合金更加适用。 几何形状 在已使用的硬质合金铣刀中，只有极少数可用于硬铣削加工。从机械加工角度来看，铣刀的诸多 因素对硬铣削起着决定性的作用。 属于铣刀几何形状的因素有： 在微米范围内加工的准确度和精 密度，Horn DS铣刀刀杆必须达到h5 的质量等级。尤其是在刀具切削刃的圆弧部分和副切削刃 的之间的过度处要平滑、无转折点出现，以达到最大的切削稳定性(图 3)。

 

切削硬工件材料与切削加工传统的软材料大不相同，因此对硬铣削加工刀具必须设计合适 的前角、后角和楔角。 硬切削加工所用的DS型球面、环面和微型铣刀，只能设计成双刃结构型式。球面铣刀的两个主 切削刃必须光滑而无过渡段。 依据工件材料和硬度， 硬切削铣刀横向进给量最大为ap=0.2 毫米。 在此时，四刃铣刀只有两个刃在进行切削加工。 涂层 约 3mm厚的硬涂层可防止硬质合金的直接磨损。事实证明，TiAlN涂层在最高温度为 800℃" 1,000℃时应用效果良好。与未涂层的硬质合金刀具相比，增加硬涂层可提高刀具的表面硬度， 并可明显地降低摩擦系数。 涂层的重要性在三种要素—硬质合金、 几何形状和涂层中与其它要素 同等重要。因为它与被切削的工件材料直接接触，因此必须满足其特殊要求。

 

刀柄

为了达到最佳的使用效果，如为使Horn DS铣刀获得满意的加工效果，必需选用合适的刀柄。 每 1mm的径向跳动都会降低铣刀的耐用度，并会削弱其使用性能。 带槽的刀柄或者万能弹簧卡头， 由于它的径向跳动较大而不适用于硬铣削， 使用液压膨胀衬垫或 者收缩衬垫能获得最佳效果。这就是在刀具和模具制中要使用Horn刀具，而Horn刀具按照DIN 6535 HA标准，都无一例外地设计成直圆柱形结构型式的原因。追加的夹紧面会破坏刀具的精 度，并影响其使用性能。 切削 通常，采用HSC加工才有可能对硬度超过 56HRC的工件进行切削。对此，其限制条件是切削速 度和温度的综合作用。对于HSC而言，必须在合适的切削速度下测试工件材料的熔点。通常工 件材料的熔点高于涂层的最高允许的温度，所以必须小心谨慎。在此最好的警句是“保持刀具冷 却”。 这意味着一方面与工件的接触区必须尽可能小， 另一方面必须在确定的速度中完成切削加工， 使 切削刃来不及发热到超过涂层所允许的温度。 正确检测转速尤其重要。为此，必须以实际有效的刀具直径为基础。在横向进给量ap=0.1 毫米 的情况下，直径为 6 毫米的球头铣刀，实际有效直径为 1.54 毫米。为了使切削速度达到 200 米/分钟，转速必需达到 41,000 转/分钟。 加工时产生的切屑和随切屑所带有的热量必须尽快排除。 最佳的方法是通过主轴直接向切削刃吹 压缩空气。按照工件材料不同，压缩空气可夹带少量润滑油。

材料为 1.2343、硬 度为 56 HRC的工件， 利用少量润滑油能加工出更好的表面质量， 因为切屑不会粘附在切削刃上。 对于硬切削加工而言，绝对不能使用乳化液。只是一滴水就可能引起温度突变，并会使刀具分解 为单一成分。由于温度突变所引起的硬质合金的微小裂纹，将会导致切削刃开裂。在HSC加工 情况下，根据刀具直径和转速的不同，这些碎片可能具有相当于从轻武器中射出的子弹的能量。

 

 应用

 

最早为石墨切削而开发的HSC铣削，不仅意味着高转速和大进给量，而且在众多因素的共同作 用下，其应用范围不断扩大。 论述对机床的要求已超出本文所谈及的范围。硬铣削的功率在很大程度上决定于所使用的机床。 总而言之，硬切削的概念是和高速机械加工分不开的。