合理选择立铣刀实现模具高效加工.pdf

S专题报道PECIALREPORTS合理选择立铣刀实现模具高效加工文尚亚国际贸易公司同章宗城使金属塑料等原材料坏料成形达到所需的形状和性质而使用的模型器具称模具。用模具可大批量稳定地加工成型出同一形状尺寸的产品，每个产品都能达到一定的精度、性能和使用寿命。使用模具的效果是使产品生产过程的经济性生产效率和可信赖度均能大幅度提高。图1是模具的种类和利用模具制造的代表产品。主要产品种类汽车相关注塑型仪表盘保险杠方向盘冲压型汽车地盘框架发动机罩压铸型气缸盖变速器零件铸造型气缸盖气缸体锻造型曲轴连杆橡胶型轮胎雨刷玻璃型窗玻璃照明灯陶瓷型火花塞涡轮风扇粉末冶金型离合器1.模具加工制造模具制造一般多属单件小批量生产。通常生产流程大致是：根据产品形状尺寸形状进行模具设计；对模腔等主要表面加工进行数控编程；同时进行原材料准备、下料、必要的热处理，对工件的设计和工艺的基准平面进行加工；对模具的型面加工；组装、合模、检测、试模和必要的返工修理。30第0 6 期数控机床市场考虑到要消除每次加工中产生的内应力和变形，逐渐减少坏件和前道工序的形状误差，合理使用机床、刀具、插入中间检查及相关处理等原因。模具在机械加工时，应划分几个加工阶段：粗加工，其主要任务是切除大部分加工余量；半精加工，任务是消除粗加工留下的缺陷和误差，为精加工作准备；精加工，使主要表面达到图纸要求；光整加工，有更高精度和表面质量要求的表面，如精度和表面粗糙度要求高于等其他于IT6级和Ra0.2um时。模具的各表面在各自手机塑料模型加工阶段宜使用不同的刀具，以发挥各自特长达配线盘风扇小型发动机外壳高尔夫球棒头齿轮链条高尔夫球鞋底显像管镜头瓶轴承剪子断热材料硬质合金工具轴承图1到它们最大的加工效能。2.立铣刀的选择模具除工艺基准面等为平面外，主要加工的型腔中多为各种复杂的型面，中、大型模具多采用装可转位刀片和刀头的各类立铣刀，这类立铣刀刀片安装方便，一个刀角磨损后，即可转位更换使用另一刀角，经济高效实用。立铣刀不论是整体的或装刀片、刀头的，都按其头部形状分类，转角呈直角的称直角头立铣刀，呈圆弧的称为圆弧头立铣刀，头部为半个球体的称为球头立铣刀。据模具被加工表面不同尺寸、形状，可分别采用不同种类尺寸和头型式样的立铣刀。一般模具除少数直角表面需用直角头立铣刀加工外，型腔中大部分的平面、成形表面，曲面的粗加工和半精加工，采用装多种形状可转位刀片的球头立铣刀或圆弧头立铣刀。精加工则专题报道SPECIALREPORTS采用整体的球头或圆弧头立铣刀，或装高精度球头或圆弧刀头刀片的机夹式立铣刀。球头立铣刀和圆弧头立铣刀都可以加工模具的曲面、斜面、平面和各种成形表面。实际加工中，应该如何选用呢？一般小直径的球头立铣刀加工自由度大，各种曲面、成形面、凸模、凹模都能加工。但圆弧头立铣刀除一些凹模难以加工外，各种表面也都能加工，且有独特的优点。具体比较可参考以下几方面：（1）型腔深部圆弧的加工刀具刚性高，可以实现高精加工一倒圆决定尺寸球头刀具直径小刚型低图2 型腔深部转角圆弧加工比较如图2 所示，由于部位比较深，刀杆的悬伸长度长，球头立铣刀为满足小圆弧加工要求，不得不用细的刀具刀柄，极易变形。为提高这部分的加工质量，关键是刀具刚性好，应避免因刀杆刀具变形引起的让刀。让刀的结果会造成侧壁加工误差，从而加重后道钳工修磨工序的工作量，延长交货期。由图2 可知，圆弧头立铣刀可利用其圆弧较小的转角一次方便地加工出来，圆弧头立铣刀直径不受倒圆圆弧半径影响，可采用较粗的刚性大的刀具及刀柄，加工精度高，图1中EM(END MILL)指立铣刀。(2）减少消除接刀痕迹5R球头球头EM的场合5R：A 部+B部2 R：C部（R部加工）换刀时，交界部分产生高度差BR3图3消除接刀加工痕迹高度差图3所示，通常还有这样情况，由于分工序加工，粗加工时为提高效率先用大直径为10mm，即球头半径为R5mm的球头立铣刀加工A部和B部，为了加工出R2mm的圆角，再换用直径为4mm球头半径为R2mm的立铣刀加工出R2mm圆角。两把刀接替加工，就会产生接刀痕迹（高度差）。这个痕迹和“差”须通过以后的钳工研磨等工序修正。但若一开始就用刚性更好的10mmR2mm圆弧头立铣刀，一次就可把A部、B部、C部加工出来。刀具的数量可减少，接刀痕迹的高度差也能消除，后续钳工工作量甚至可不需要。(3）平面部分加工比较平面部加工，切削速度“0”PFPFPF(球头)PF（圆弧头）增大周期进给量，提高加工效率确保切削速度，得到良好的面粗度图4平面加工比较如图4所示，平面加工圆弧头和球头二者均可，应该比较一下它们的生产效率。生产效率可以刀具转一圈自身径向移动的距离，即周期进给量PF大小来比较（在相同的背吃刀量a。条件下，PF就是侧吃刀量a。值）。球头立铣刀的中心切削速度为“零”，为保证达到一定的表面粗糙度，它的PF值也就是进给量小于圆弧头立铣刀。故以加工模具中的平面来比较，圆弧头立铣刀的加工效率高于球头立铣刀。(4)斜面加工比较同一直径的场合周期进给量：球头EM（R b）周期圆弧头EM（R r）进给量Rb研磨校正加工面的凹点LRr图5斜面加工生产效率比较第0 6 期数控机床市场31一球头EM圆弧半径R大，比较周期进给量来看，球头效率更高！大球头半径与增加刃数能提高加工效率S专题报道PECIALREPORTS如图5所示，若在二者直径完全相同情况下，可知球头立铣刀的头部圆弧半径Rb大于一般圆弧头立铣刀头部圆弧半径Rr，因此球头及铣刀的斜向周期进给量PF较大。加工斜面时，为保证达到同样的粗糙度，球头立铣刀的生产效率可比一般圆弧头立铣刀高。如果再增加球头立铣刀直径和齿数，可以进一步提高生产效率。由上比较可知，球头立铣刀适应性广，斜面加工生产效率较高。而加工平面，加工深部弧面，图7 冲压模具为减少接刀痕迹，减少刀具数量，减少钳工工作量等，考虑加工模具的综合效率和经济性方面，圆弧头立铣刀则有更多的优点。3.案例分析现以汽车发动机曲轴和连杆的锻压模具型腔选择立铣刀加工为例，刀具选择三菱公司产品，如图6 所示。ARX可转位刀片式圆弧头立铣刀实现高效率加工SRF高精度可转位刀片式球头立铣刀实现高精度加工VC-3LB3刃长型球头立铣刀实现高精度加工图6 几种高效模具加工用立铣刀（AJX型圆弧头、SRM2型球头、SRF和VC型高精球头、ARX型圆弧头、VF型高精球头）（1）某冲压模具（见图7）材料为球墨铸铁FCD500，粗加工采用80AJX型5刃立铣刀，装有带圆角特殊三角形正前角的刀片而构成圆弧头立铣刀（据其不同直径可装有带38 片刀片），图6 中可见，刀片上主刀刃具有两重较小的主偏角，副刀刃构成的副偏角为“零”，这种结构即使大进给时也能加工出很好的表面粗糙度。根据粗糙度理论高度hf 2/8 R，即粗糙度高度与8 倍的刀尖圆弧半径成反比，与进给量平方成正比，一般圆形刀片圆弧半径R比其他形状图8 曲轴锻造模具刀片刀尖的圆弧半径大，故在同样条件下，加工表面粗糙度低许多。但AJX型立铣刀的刀片副偏角=0，圆弧半径相当等于无穷大，以它加工后理论粗糙度也应为“零”，当然还有振动塑形变形等因素影响粗糙度，因此在副刀刃长度范围内可使进给量增至最大，提高了效率，表面粗糙度值也非常低。虽然进给量增大，切削力也会增大许多，但由于它具有小的主副偏角，使切削力的莫氏锥度行径向分力很小，刀杆不易在径向产生挠曲变形。MTSAJX型立铣刀另一优点是当刀具不断向下切入时，受力位置始终不变，不易产生振动振颤，切削非常稳定，故还适宜薄壁模具的加工。VF-2SB特殊三角形的刀片主刀刃的另一侧向上抬起，使高硬度钢加工用球头立铣刀实现高效率高精度M加工时切屑易于排出。AJX型刀片的外面带有新开发的AI-Ti-Cr-N复合多层涂层，硬度高达HV3000，多层涂层特别强韧，能阻止裂纹延伸，涂层的外层摩擦系数很低，仅为0.4，按不同被加工材料，涂层成分可以变换。加工此冲压模具时切削速度达12 5m/min，进给速度达3000mm/min。此冲压模具的其他型面粗、半精加工，也可采用SRM2型50mm球头立铣刀，它装有特殊设计的柳叶形的内刃和外刃刀片，和长方形的外周刃刀片，主要切削的内外刃刀片带波形分屑槽，可使切削阻力减小。刀片的材质采用超微粒硬质合金和导热性好的RT类硬质合金，刀柄刚性很高，柄部形状有复合型、莫氏锥度型、直柄型。刀片材质是VP15TF，即超微粒硬质合金TF15加专利的A/TiN涂层，加工时切削速度达19 0 m/min，进给速度达6 50 mm/min。32第0 6 期数控机床市场专题报道SPECIALREPORTS精加工较开阔的部位可采用SRF型球头立铣刀（球头半径R=15mm），装有单片双刃半圆S形刀片，球头半径精度高达R土0.0 0 6 mm，加工后可达到整体硬质合金立铣刀的切削精度。高效精加工狭小和较深部位，可采用整体超微粒硬质合金带（AITi)N涂层的长球头立铣刀VC3LB(R=5)，切削速度=19 0 m/min，进给速度=18 0 0 mm/min。(2）某曲轴锻造模具（材料SKT4，硬度HRC50，见图8)，粗加工采用了装有圆形正角刀片构成的4刃25mm的ARX型圆弧头立铣刀，刀片为精密模压制出，比带角度的刀片刀头强度大，难以损伤，转位后得到新刀刃的数量多，耐用。不同切深时，主偏角0 90，切削负荷逐渐增大，能在各个方向上切削轨迹过渡区域，加工表面平滑，可为精加工留下小而较均匀的加工余量。圆形刀片比一般带圆弧头刀片的圆弧半径大，为达到较好的表面粗糙度就要采用更大的进给量f，即可以更高效率完成加工，刀杆中心可通冷却液，加工此模具切削速度16 0 m/min,进给速度2 40 0 mm/min，刀片材料和涂层也是VP15TF。半精加工采用同前的SRM2（R 10)球头立铣刀，切削速度16 0 m/min，进给速度200mmm in；精加工也采用了SRF型（R=8）球头立铣刀，切削速度2 0 0 m/min，进给速度1000mm/min。较小型面的细部和较深部的精加工，采用整体锥形4刃球头立铣刀VC4STB（R 4)（切削速度19 0 m/min，进给速度30 0 0 mm/min）和2 刃长颈球头立铣刀VC2XLB（切削速度12 5m/min，进给速度10 0 0 mm/min)。模具材料淬硬后硬度很高，以上立铣刀所选择采用的材料和涂层能顺利满足加工需求。(3）连杆锻造模具（见图9）的材料为模具钢SKD61（相当40 CrMoV5)，硬度HRC50,粗加工和半精加工采用ARX型立铣刀，直径和刃数仅为10mm和2 刃，切削速度8 0 m/min，进给速度8 0 0 mm/min。本例立铣刀两圆形刀片相切构成中心刃，这样刀具一次安装可以进行如图10 所示的多种表面加工，甚至全部加工，各表面的相互位置精度高。图9连杆锻造模具斜面螺旋扩孔切入一横向进给仿形加工圆角加工槽加工端面加工切入图10 ARX型圆弧头立铣刀可实现的加工半精加工采用SRF型球头立铣刀（R8）（切削速度10 0 m/min，进给速度12 0 0 mm/min)和整体式VCPSRB型12R4圆弧头立铣刀，圆弧精度可达R0.01mm，切削速度2 50 m/min，进给速度2 6 0 0 mm/min；精加工则采用整体球头立铣刀VF2SB（R 3）和VFSB（R 1）立铣刀，材料是超微粒硬质合金基础上加耐磨性、耐热性很高的单相纳米结晶（AI,Ti）N涂层，二者切削速度分别2 50 m/min和2 0 0 m/min，进给速度分别2 6 0 0 mm/min和38 0 0 mm/min，寿命长，精度高，能顺利加工淬硬材料。4.结束语模具加工前要明确了解模具实际具体形状和加工技术要求，由于型腔多采用圆弧头和球头立铣刀，为了保证加工精度，提高加工效率和经济性，要合理地分工选用圆弧头和球头立铣刀，充分发挥它们各自的长处和优点，要依据被加工模具材料的机械性能，合理选择立铣刀的材料和涂层，并合理充分发挥多功能立铣刀的切削效能，保证各型面间相互位置精度。尺寸和形状精度要求高的型面，在各加工阶段应分别选择不同精度的立铣刀，要求高精度加工时，较小的型面可采用整体高精度立铣刀，较大的可采用装高精度可换单刀片或刀头的球头圆弧头立铣刀，并选用相应的断屑槽。杜切入一扩孔第0 6 期胡数控机床市场33