高速、高精加工模具用CBN立铣刀

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图1 BNBP型CBN立铣刀

( Y0 V) V$ s  M8 F; b* Z$ W图2 两种刀具的切削机理模式
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。 2 BNBP型CBN立铣刀性能对比图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。
  
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
/ ~. O. W0 M! v9 F* V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。
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7 N' v; J$ H# B4 `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
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& b" H& x4 }" M8 C# T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
3 F8 n0 `4 c) i# N- q5 b图5 高速加工时后刀面磨损量的比较
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图6 用BNBP型CBN立铣刀加工模具实例
& M' Z6 }' C6 m, r! F9 _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。 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。
  表 切削条件工序使用刀具R
(mm)转数
(min)进给速度
. D% |% h' C% r; t/ A, v(mm/min)Ad
/ F" s* D- K$ i; ^7 w(mm)Pf
(mm)粗加BNBP2R100-05541.02500015000.10.2半精加工BNBP2R050-02540.52500010000.050.1精加工BNBP2R030-01240.3360005000.030.02
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工件材料：SKD11(HRC60)；立铣刀：R0.3，N＝36000r/min，
$ H( w$ W) v4 w& C- T& F  OF=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