航空制造技术
AERONAUTICAL 
MANUFACTURING TECHNOLOGY
1999年 第6期 No.6 1999



高速铣削在淬硬钢模具加工中的应用
杨祖孝
［摘要］　介绍了高速铣削加工淬硬钢的特点、刀具与切削用量的选择，给出了应用高速铣削加工淬硬钢模具的实例。
关键词： 高速铣削　淬硬钢　模具加工
Hard Milling and Its Application in Die Machining
［ABSTRACT］　The characteristics, tool and selection of cutting parameters in hard milling are introduced. Application example in die hard milling is given.
Keywords: High speed milling　Quenched steel　Die machining
　　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
2.1　硬铣刀具材料的选择
　　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。
　　(1)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。
　　(2)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。
　　(3)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。
　　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。
　　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。

图1　各种工具材料的高温硬度
Fig.1　High temperature hardness of all kinds of tool material

图2　不同切削条件下工具材料的选择
Fig.2　Selection of tool materials under different cutting conditions
1.KT9;2.LN10;3.CR1;4.NIT;5.硬质合金；6.金属陶瓷。
2.2　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。
2.3　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－1进给量
f/mm.r-1切削深度
d/mm
结构钢渗碳淬火
HRC55～65100～1200．05～0．300．1～0．5
结构钢渗碳淬火
HRC45～55150～2000．05～0．300．1～0．5
工具钢淬火
HRC55～65100～1200．05～0．200．1～0．5

　　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。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。
表2　连杆锻模高速铣削工艺参数
工序切削速度
v/m.min－1进给量
f/mm.r-1切削深度
d/mm铣刀
直径
/mm刃口圆弧
半径/mm
粗铣Ⅰ1600.1770.360.8
Ⅱ1510.1500.340.5
Ⅲ1510.1250.340.5
精铣Ⅰ1510.100.23-
Ⅱ1510.050.0753-
作者单位：潍纺高等专科学校
参考文献
1　于启勋等.超硬刀具在加工硬脆难加工材料中的应用.机械工艺师，1998(1)
2　顾祖慰等.立方氮化硼复合片刀具应用的初步探讨.工具技术，1990(10)
3　Oakham M. Productive hard milling. Modern Manufacturing, 1998(4)
(责编 宇 迪)

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