用于模具加工的山高刀具

山高刀具（上海）有限公司 Gary Meyers Don Graham

随着铣削工艺和刀具技术的持续发展，越来越多的模具制造商借此来优化机加工操作、缩短加工节拍以及获得卓越的模具表面粗糙度。分析刀片磨损的能力能在模具加工应用中最大限度地延长刀具寿命并准确预测刀具的使用情况。

如今，为了充分利用最新的切削刀具并采用高效的铣削技术，快速高效、功能强大且具有更出色编程性能的机床非常重要。高进给铣削和高速铣削是两种流行的铣削工艺，它们都需要使用特定刀具类型才能成功进行加工。

铣削工艺

高速（或动态）铣削工艺现在变得日益普遍。当使用整体硬质合金刀具时，该工艺也特别有效。这种铣削方法是一种优化粗加工方法，在切削钢件时，它可以将大切深与相对较小的径向啮合量结合起来。该工艺还适用于加工硬度为 60HRC及以上的材料。

对于高进给铣削加工（见图1），推荐使用专门为之设计的大直径可转位刀具，以切除更多的材料。本质上，该工艺先使用较大的可转位刀具进行粗加工，然后在模具接近完工时换用小直径可转位球头刀和整体硬质合金刀具进行精加工。

图1 高进给铣削

恰当的刀具直径取决于模具特征，比如圆角半径。高进给可转位刀具的直径通常不小于15mm（0.62"）。如果需要使用更小直径的刀具，应该使用整体硬质合金立铣刀。

高进给可转位刀具的刀片可以随着工件材料的变化而改变，但大多数应用规定使用 PVD 镀层或CBN 镀层刀片。对于刀片的槽型、三角形刀片可能具有比圆形或方形刀片更低的主偏角。低主偏角可产生更薄的切屑，而这进而要求采用高进给率才能使该刀片槽型保持合适的切屑厚度。低主偏角还有助于沿着轴向方向引导切削力，将其向上推入主轴中，从而在机床上实现更稳定、更容易的加工操作。如果采用更高的主偏角，则会产生厚的切屑，导致进给率调整少。此外，这还会导致更大的径向力，造成主轴轴承产生振动并承受应力。

高速铣削所用的整体硬质合金刀具通常是四刃方肩立铣刀。这种刀具具有长切削刃并内置分屑槽。分屑槽能将切屑断成可控的小尺寸，因而改善了切削区及机床的排屑。另外，全切长和分屑槽与高速铣削配合时，可提升生产率，并显著延长刀具寿命，因为刀具负荷始终保持稳定。

高进给加工期间，刀具应以全直径啮合量运行，但不应小于刀片宽度的一半。高进给刀具可以沿着轴向方向有效引导机床主轴的切削力而获得平衡，因此全直径啮合量是可以实现的。当刀具啮合量低于刀片宽度一半时，将会因切削不平衡而承受推力和更大的振动。对于高速铣削来说，高进给铣削所用的刀具类型（可转位刀具和整体硬质合金立铣刀）同样适用。但是，这种刀具的槽型必须有助于采用高转速和高进给率，并且要采用中等切屑负荷而不是重型负荷。

尽管长悬伸高进给铣刀可在高速加工应用中高效运行，但它们的运转速度不如短悬伸刀具，除非使用特制的减振刀柄或者大幅降低切削速度。当长悬伸刀具的加工速度高于推荐时，振动会增加，造成刀片微崩和过早失效。

刀片磨损分析

有8种常见的刀片失效模式。其中后刀面磨损、热裂纹和刃口微崩是在采用高进给铣削方式加工模具时需要注意的失效模式。但是，加工期间使用不合适的刀片会造成其他 5 种失效模式。

（1）后刀面磨损一般很均匀，它随着加工材料使刀片的切削刃磨损或变钝而逐渐出现。识别正常后刀面磨损时，会发现沿着刀片的切削刃形成一个相对均匀的磨痕。偶尔会有工件上的金属弄脏切削刃，夸大刀片磨痕的表观尺寸。

为了减缓正常的后刀面磨损，重要的是采用不会微崩的最硬刀片材质等级，并且使用最轻快的切削刃来减少切削力和摩擦。另一方面，在切削耐磨材料，比如切削球墨铸铁、硅铝合金、高温合金、热处理后的沉淀硬化（PH）不锈钢、铍铜合金及钨硬质合金时，常会出现快速的后刀面磨损。后刀面快速磨损的迹象与正常磨损相同，为阻止快速磨损，需要使用耐磨性更佳、硬度更高或有镀层的硬质合金刀片材质等级。

（2）月牙洼磨损是扩散磨损与磨料磨损共同作用的结果。工件切屑中的热量会使硬质合金的成分溶解并扩散到切屑中，造成刀片顶部产生月牙洼。月牙洼最终会增大至足以使后刀面发生微崩、变形甚至可能导致快速的后刀面磨损。尽管常见的镀层都能抵抗月牙洼，但推荐使用氧化铝镀层。

图2

（3）工件的碎片通过热压焊结到刀片切削刃上时，会产生积屑瘤（见图2），这是切削区存在化学亲和性、高压及高温所致。积屑瘤最终会脱落，有时随刀片碎片一同脱落，从而导致微崩和快速的后刀面磨损。积屑瘤可以通过零件尺寸或表面粗糙度的异常变化以及切削刃顶部或后刀面出现的闪亮材料来识别。增加切削速度和进给量、使用氮化物（TiN）镀层刀片以及选用具有可减少作用力的几何形状和（或）平滑表面的刀片可以控制积屑瘤。

（4）刀片切削刃微崩源自机械性能不稳定，通常是由不牢固的装夹、轴承不良或主轴磨损、加工材料有硬质点或断续切削造成。确保机床合理装夹、尽量减少弯曲变形、使用研磨刀片、控制积屑瘤以及采用韧性更好的刀片材质等级和（或）更强壮的切削刃几何形状将可阻止微崩的发生。

（5）刀片的热/机械失效是由剧烈的温度波动与机械冲击共同造成的。应力裂纹会沿刀片刃口形成，最终造成刀片的硬质合金部分脱落，看起来有点类似于微崩（见图3）。热/机械失效迹象是出现多个垂直于切削刃的裂纹。在微崩开始前识别出该失效模式特别重要。为防止热/机械失效，需要正确使用切削液。如果希望在加工工艺中完全杜绝这种失效，可使用更耐冲击的材质等级以及散热槽型。

图3 微裂纹和微崩

（6）刃口变形是由过多热量和机械负载共同造成的，模具加工常会出现这种情况。在高速和高进给情况下，或是加工硬钢、加工硬化表面及高温合金时，会产生大量的热量。这会造成刀片中的硬质合金粘接剂或钴发生软化。通过使用粘接剂含量更低、更耐磨的刀片材质等级、降低加工速度和进给量并采用低作用力的刀片槽型，可以控制刃口变形。

（7）刀片切削深度区域出现沟槽和切屑时，沟槽磨损会变得显著。为防止出现沟槽磨损，需要在多行程加工中改变切深；使用具有较大主偏角的刀具；在加工高温合金时提高切削速度；降低进给量；小心增加切削深度区域的研磨；防止积屑，尤其是加工不锈钢和高温合金时。

（8）刀片切削刃所承受的作用力超过其固有强度时，刀片将会发生机械断裂。其他七种失效模式都可能会导致刀片断裂。除了正常后刀面磨损之外，通过纠正所有其他的失效模式可避免发生机械断裂。使用更耐冲击的材质等级、选择更强壮的刀片槽型、采用更厚的刀片、降低进给量和/或切削深度、验证装夹刚性以及检查工件是否含有坚硬的夹杂物或难以切入，这些都是有效的纠正措施。

刀具的材质等级、几何形状、材料及规格

大多数刀具制造商都会针对特定的加工材料开发出刀具材质等级和几何形状。在模具加工中，这些材料通常为P20 钢件、CPMV 10 和粉末金属。关键是根据所加工的特定材料选择正确的材质等级和几何形状，以免刀具过早失效。另外，根据材料选配刀具还能提高加工性能和可预测性，从而减少换刀、报废及返工。

如果材料的硬度为 52HRC 或更软，一般的整体硬质合金刀具就可以胜任。对于硬度更高的材料，应该使用具有不同几何形状和镀层（比如专为极硬材料而设计的氮化铝钛）的整体硬质合金立铣刀。另外，对于整体硬质合金刀具，不同的刀具制造商还有特殊的混合镀层。对于可转位刀具，硬铣削刀片的几何形状和镀层适用于加工大多数极硬的粉末金属。如今的可转位刀具可提供不同的刀片材质等级及槽型，因而能够优化更硬模具材料的加工。

一旦确定了刀具的类型，必须选择合适的刀具圆角半径规格。刀具圆角半径必须小于模具内角半径。如果刀具圆角半径与模具的圆角半径相当，便会出现“硬停机”，而不是刀具平稳地通过圆角。对于精加工，推荐使用直径更小的整体硬质合金刀具。此外，还可使用当今的整体硬质合金高进给刀具。

这种半径原则也适用于粗加工，即采用圆角半径小于工件半径的刀具。尽管这会在圆角处留有更多的材料，但它有助于为随后的半精加工和精加工保持稳定、均匀的刀具负荷。

与刀具的圆角半径同样重要的是刀具的刚性，而且刀具的拔模斜度/锥度也起着关键作用。大多数刀具为缩颈或锥颈。缩颈刀具的刀刃上方与刀杆直径下方之间的直径小于刀刃尺寸。对于锥颈刀具，首先是切削直径，然后是切削直径上方更小的缩颈区域，再是延伸到刀杆直径的一个锥形。大多数长悬伸加工刀具均采用锥形刀颈设计。

较小的拔模斜度意味着刀具需要有更大的刚性。但是需要保留一定的倾角以避免刀具摩擦模腔的侧壁。为了选择刚性最大的刀具，必须考虑模具型腔的拔模斜度。刀具倾角绝不应等于或大于模具拔模斜度。比如，如果模腔所有侧壁的拔模斜度为3°，则可以使用最大倾角 2.5°的刀具。

切削液和刀柄

对于切削液在模具加工中的使用，当今大多数先进的刀具设计和几何形状可以在干式加工中达到最佳性能。例外情况是油雾冷却，但必须一直使用油雾进行冷却。对于硬铣削，原则上绝不使用任何切削液，除非有油雾可用。

对于刀具夹持，大多数刀具公司会推荐用于模具加工和当今先进刀具的减振刀柄。最好的刀具配备低性能的刀柄将无法实现最佳的加工性能和刀具寿命，而先进的高性能刀柄却可以使刀具寿命翻倍。振动控制至关重要，尤其是刀具较长和高进给铣削粗加工应用中。关键是这些减振刀柄可以减少由切削工艺产生的谐波和振动。

刀具路径和编程

模具加工刀具的路径应该通过合适的编程进行优化，以免对刀具产生不现实的要求。比如，在加工模具时，如果刀具路径指示有圆角，则必须改变加工方向以实现平稳的过渡，防止产生大角度啮合量，从而避免刀具过载。一个良好的做法是设计一个大于刀具圆角半径的弧线。因此，如果使用一个直径为 50 mm （2″） 的刀具，则程序不应遇到25 mm（1″） 的圆角半径，而应使用一个更大的平滑半径。

设计合适的弧线可能具有挑战性，如果设计不当，会导致刀具路径异常。目前有多款软件包可以帮助用户准确地设计该技术所需的刀具路径。此外，了解接触弧原理并且知识丰富的程序员也能提供帮助。关键是在刀具路径中避免机床的停止和启动情况。变向时机床的任何一点停顿都会产生热量并传热到刀具。热量会破坏刀具的切削刃和镀层，因此必须在切削区消除切屑中的热量。