高速铣削淬硬模具钢的工艺性与经济性研究

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　　高速加工机床及其刀具技术的最新发展使得在模具和零件制造领域实现“以切代磨”成为可能，用超硬刀具高速切削淬硬模具钢等难加工材料已得到越来越广泛的应用。由于模具或零件的高速切削加工可免除磨削或抛光等后续工序，因此精加工时如何保证工件最终表面质量同时将加工成本控制在可接受范围之内是研究人员关注的重要问题。本文在调查的基础上分析了用于高速铣削淬硬模具钢的整体硬质合金涂层立铣刀的切削性能和经济性，并给出了部分应用实例。

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　　1.引言

　　高速切削加工(high-speed cutting, HSC)是先进制造技术的一个重要组成部分，其主要优点是可实现加工的高效率和高品质。近年来高速切削加工技术在世界主要经济发达国家(如德、英、美、意、日等)发展迅猛，这些国家生产的高速切削加工机床及辅、配、软、硬件几乎每年都以一个新台阶的速度更新换代，目前所能达到的性能指标已是令人瞠目。Micron、Jobs、Haas、Fpt、Dmg等世界著名机床公司近年来大力发展的快速更换主轴头技术使同一台机床能适应多种负载和速度要求(即所谓粗精加工同机“一次过”)，在工件的定位、安装、传输等环节可节约大量的非加工时间

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　　机床主轴的高速旋转以及进给速度、加速度的相应提高，一方面可直接缩短加工时间，另一方面还因高速切削具有激振频率特别高、工作平稳、振动小的优势而有利于提高加工表面质量，即高速切削加工可作为模具和结构零件的最终加工，通过“以切代磨”或“以切代放电”来提高加工效率和加工质量(即勿需进行费时低效的后续磨削工序、模具电极电火花加工)；工件还可先淬火后切削，直接将硬度高达65HRC的材料高速切削加工至最终尺寸。

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　　高速切削加工的实现除需高速机床外还需配备适宜高速切削的刀具。根据2002年广东省国际模具高速加工技术研讨会上Micron、Jobs、肯纳飞硕等公司的特邀报告，近年来德国SGS、日本三菱(神钢)及住友、瑞士山特维克、美国肯纳飞硕等国外著名刀具公司都先后推出了各自的高速切削刀具，不仅有高速切削普通结构钢的刀具，还有能直接高速切削淬硬钢的陶瓷刀具等超硬刀具，尤其是涂层刀具异军突起，在淬硬钢的半精加工和精加工中发挥着巨大作用。

　　近年来我国(尤其华南地区)制造业发展迅速，模具和汽车、摩托车制造业发达，拥有高速切削机床的企业不断增多。然而，与高速切削机床和刀具技术的快速发展相比，这些企业在高速切削工艺、检测及应用软件等方面的技术还比较落后，与硬件不能配套，致使不少厂家进口的先进设备根本没有发挥其应有作用。一方面，主轴转速可达数万转的高速机床却一直只在几千转水平运行，具有高速精加工的条件却只用于粗加工和半精加工，可切削高硬材料的机床和刀具却只用来切削普通材料；另一方面，因工件材料与刀具、工艺配伍不当造成加工成本高昂甚至质量事故也时有发生。为了推广高速切削加工技术的发展，帮助企业合理应用高速切削加工设备与技术，很有必要对高速切削加工的工艺性与经济性问题进行深入探讨。

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　　2.常用可淬硬模具钢及高速切削用立铣刀

　　2.1常用塑胶模具钢和热作钢

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　　市场上常见的模具淬硬钢多用于制造塑胶模和锻造、压铸型腔模，主要供应商有瑞典一胜百(ASSAB)、香港龙记(LUNG KEE)、德国撒斯特(SAARSTAHIL)、日本大同(DAIDO)等公司。表1列出了部分塑胶模具钢和热作钢的品名与性能。传统的模具钢加工方法是先铣削后淬硬再磨抛，而用高速切削加工则可粗铣后淬硬再精铣，甚至可实现粗精铣同机一次完成。

　　表1几种常用塑胶模具钢和热作钢

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　　商品名――标准――特性与用途――表面硬度

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　　ASSAB S136；S316H――AISI 420ESR――防酸不锈蚀，耐磨性高，热处理尺寸变化小；适合于PVC、PP、EP、PC、PMMA塑胶模具，高温回火后可作高抛光度镜面塑胶模――低温回火HRC50～55，高温回火HRC34～38

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　　SAARSTAHL(SSE)GS2344EFS；GS2344ESR――AISI H13――优良的红硬性、高温冲击强度、高温耐磨性和抗热冲击龟裂性，可作挤压、压铸、热锻和高温冲裁工具――180～300℃淬硬至HRC52LKM2311；LKM2312――AISI P20――硬度均匀，加工性能良好，芯部韧性好，可作高级预硬塑胶模――HRC53～36

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　　DAIDO NAK80――AISI P21 modified ESR――变形小，易研磨抛光，长期使用可维持高精度，可用作高硬度高镜面模具――供货时HRC37～41，可淬硬至约HRC60

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　　2.2高速切削淬硬钢常用立铣刀

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　　本文主要讨论用于高速切削的整体硬质合金PVD涂层立铣刀(可切削硬化钢的其它刀具如CBN和陶瓷刀具等不是本文研究重点)。

　　(1)刀具涂层：能用于高速切削淬硬钢的刀具涂层主要有(Ti,Al)N或(Ti,C)N，刀具基体为超细颗粒硬质合金。

　　(2)铣刀主要形式：用于高速切削淬硬钢的整体立铣刀主要形式有常规2刃和多刃球头刀、长颈球头刀、2刃锥面球头刀、2刃带圆弧头平底刀、长颈带圆弧头平底刀、2刃直角平底刀和多刃直角平底刀等。

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　　在我国市场上淬硬钢常用立铣刀的主要供应商有：日本神钢(KOBELCO)、日本三(MITSUBUSHI)，日本UNIMAX、日本日立(HITACHI)、日本住友(SUMITOMO ELECTRIC)、德国SGS、美国肯那飞硕(KENNAMITAL)以及韩国和以色列的涂层刀具厂商，国内企业也推出了正在开发试用的产品。