高速、高精加工模具用CBN立铣刀

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8 s, X. ?7 V* A0 `) l4 u" r9 {- g/ J, ^6 Y$ o* W' m' j3 \' O, v9 Z- x( N" u7 V; h & I. x6 ?+ k3 j" y+ l5 @ 8 q! `$ u* }' q/ b8 J5 F* h# V* A 图1 BNBP型CBN立铣刀 图2 两种刀具的切削机理模式 - k* H0 y: u0 y6 J5 v 近年来，加工中心机床的高速化极大地促进了模具加工的高速化。早期，高速钢立铣刀是模具加工的主流刀具；当机床主轴转数超过1万转后，涂层硬质合金立铣刀成为主流加工刀具；如今，主轴最高转数达4～6万转的加工中心机床开始普及应用，CBN立铣刀将成为模具加工的主流刀具。下面介绍住友电工超硬材料公司生产的高速、高精度加工模具用BNBP型CBN立铣刀(见图1)。 1 BNBP型CBN立铣刀的特点 ) A- z/ `2 |2 T! ^" @; `/ p BNBP型CBN立铣刀的切削机理与以前的硬质合金立铣刀不同(见图2)。硬质合金立铣刀铣削模具时一般采用锋利的切削刃，而BNBP型CBN立铣刀的切削机理则是采用钝化切削刃，像精密磨削那样进行铣削加工，因此在低速条件下加工时切削抗力较大，难以充分发挥刀具性能，但在高速条件下加工高硬度钢时，不仅可显示出刀具使用寿命长的优势，还能获得高精度的优质加工表面。具有大负前角的切削刃是BNBP型CBN立铣刀具有高抗崩刃性并可获得优良加工表面的重要因素。 BNBP型CBN立铣刀具有以下优势：①具有接近硬质合金刀具的高抗崩刃性能，能实现高效加工；②能获得高精度的优质加工表面，可大幅度缩短精磨时间；③能胜任高硬度钢模具的高速加工，可大幅度缩短加工时间；④使用寿命超过涂层硬质合金刀具3倍以上，用1把BNBP型CBN立铣刀就能完成模具的精加工；⑤R圆弧精度达±5µm，能实现高精度加工。 ' b. h/ _7 p( n& }( c4 ~+ G; L& s 2 BNBP型CBN立铣刀性能对比 1 @, o. }2 D3 W4 R) ]1 c9 X Q 图3为分别使用BNBP型CBN立铣刀和其它公司的CBN立铣刀，在同一加工条件下进行铣削后切削刃和已加工面对比。可以发现，其它公司CBN立铣刀的中心切削刃附近已发生崩刃，加工表面有撕裂痕迹；而BNBP型CBN立铣刀的中心刃附近无崩刃现象、磨损也很小，加工表面相当漂亮。比较立铣刀中心切削刃的形状可知，BNBP型CBN立铣刀的中心刃厚度较薄。由于采用了大负前角，即使在中心刃附近也具有足够强度，因此可减小中心刃厚度，从而能获得漂亮的加工表面，防止中心刃崩刃。BNBP型CBN立铣刀采用了大负前角切削刃形状和抗崩刃性能最佳的BN350型CBN材料，因此能实现接近硬质合金高效加工条件的模具铣削加工。   . s% S1 [# U9 `7 J! e" W; \9 [: G7 ?2 D( l) I) ~' R( \. n1 B( S$ K+ J9 j 工件材料：SKD11(HRC60)；立铣刀：R1.0，N=20000r/min， F=2000mm/min，Ad=0.05mm，Rd=0.05mm；风冷；切削长度：100m 图3 切削刃磨损和加工表面比较 ( m& ^* E7 [* x1 F 图4为在主轴转数1万转和2万转条件下铣削加工SKD11(HRC60)模具钢时切削刃的照片。以1万转铣削加工时，CBN立铣刀的中心刃部分发生了崩刃，刀具寿命低于硬质合金立铣刀；但以2万转铣削加工时，硬质合金立铣刀的磨损较大，而CBN立铣刀几乎无磨损。模具加工用立铣刀的R精度达到±5µm是很普遍的，但涂层硬质合金立铣刀由于磨损使刀夹位置后退，大大降低了R精度；而CBN立铣刀几乎无磨损，因此能实现R±5µm精度的铣削加工。   , I, C1 @9 }# ?/ H4 M* W6 `$ L2 | ' C2 k y9 |% Q% [ 工件材料：SKD11(HRC60)；立铣刀：R1.0， f＝0.05mm/齿，Ad=0.05mm，Pf=0.05mm；风冷；切削长度：100m 图4 不同转数时切削刃损伤形态的变化   ) m: x' f) v1 ~5 E, |- c% ?; w, a+ r I$ S + V2 v. p+ B" x* C3 X6 C9 s2 x* d, A1 } 工件材料：SKD11(HRC60)；立铣刀：R1.0，N=40000r/min，F=4000mm/min，Ad=0.05mm，Pf=0.05mm；油雾冷却 图5 高速加工时后刀面磨损量的比较 图6 用BNBP型CBN立铣刀加工模具实例 图5为在4万转条件下高速铣削SKD11模具钢时刀具后刀面磨损的变化。与涂层硬质合金立铣刀的后刀面磨损量相比，BNBP型CBN立铣刀的后刀面磨损量极小，几乎可忽略不计。如果将刀具寿命设定为后刀面磨损宽度VB=0.014mm，则CBN立铣刀的寿命是涂层硬质合金立铣刀的10倍左右。加工HRC60硬度等级的淬硬钢时，在1万转条件下加工时，CBN立铣刀的寿命与硬质合金立铣刀相当；但在2万转条件下加工时，CBN立铣刀的寿命是硬质合金立铣刀的3～5倍；在4万转条件下则是硬质合金立铣刀的10倍。由此可见，主轴转数越高，CBN立铣刀与硬质合金立铣刀的寿命之差就越大。CBN立铣刀的价格约为硬质合金立铣刀的3倍，如果在2万转以上进行铣削加工，至少可以实现成本与硬质合金立铣刀相当。由于刀具寿命延长3倍以上，用1把立铣刀就能加工1件模具，可以大幅度缩短磨削工序。如果用BNBP型CBN立铣刀加工硬度不太高的模具材料，则刀具寿命可达到硬质合金立铣刀的30倍以上。 ( N2 R: i/ a* d4 A; a& r 3 模具加工实例 图6为用BNBP型CBN立铣刀加工移动电话零件用模具(切削条件见附表)。粗加工时，Ad=0.1mm对原有的CBN立铣刀来说非常苛刻，而使用BNBP型CBN立铣刀不仅不发生崩刃，而且能实现稳定加工。精加工时，使用R0.3mm的BNBP型CBN立铣刀在36000r/min的高速条件下加工。图6为BNBP型CBN立铣刀和涂层硬质合金立铣刀精加工表面的放大照片。可见，CBN立铣刀的加工面进给刀痕清晰而均匀，而硬质合金立铣刀的加工面刀痕则不是十分清晰和均匀。因此，使用BNBP型CBN立铣刀加工可以大幅度减少后续磨削工作量。   : q5 T$ R8 J* E$ z, V% f: e% H: ]# O- f: l) I5 G v' a4 L% `' U1 X) I( N3 }4 t: \( e: Y9 z. f5 h7 u0 b' ?" Q# N" K. C$ x# P# m5 l# `1 U' B$ ?& i* W0 O3 S4 S( l( n# k) b) ?! m/ f& X+ Z1 q& J6 W0 l8 M+ A! E2 l, W* }, ? j( [) M: ~1 ?. g9 a8 G6 Q" g+ u4 j% q$ U; K& ]' Z+ U% U0 r# J5 \/ v) @& E$ `9 @7 u( D- t% D+ i) G9 {- r* y& \, P4 H6 Z7 x5 _: n9 e4 o( l6 @9 x- P! a7 N) E9 R/ h( N! f' ^: b$ l' T, k3 q" X) u" M: |; U( X" x7 E* d: e2 [& R4 |8 s; ?+ d Z) I4 K o" m 表 切削条件 工序 使用刀具 R (mm) 转数 (min) 进给速度 (mm/min) Ad (mm) Pf (mm) 粗加 BNBP2R100-0554 1.0 25000 1500 0.1 0.2 半精加工 BNBP2R050-0254 0.5 25000 1000 0.05 0.1 精加工 BNBP2R030-0124 0.3 36000 500 0.03 0.02   8 a( ]5 N- r5 ~8 ]+ t D% P5 a$ F4 U( w/ I" t 工件材料：SKD11(HRC60)；立铣刀：R0.3，N＝36000r/min， F=500mm/min，Ad=0.03mm，Pf=0.02mm；油雾冷却；MEGAⅢ加工中心 图7 切削刃磨损和加工表面比较