高速加工（HSM）由Salomon發(fā)現(xiàn)至今得到了巨大的發(fā)展和現(xiàn)代企業(yè)的認可，但隨著近幾年研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)Salomon的高速試驗曲線在大部分材料的切削過程中根本無法獲得，高速加工應用成功的領域也僅僅局限于鋁合金、HRC60以上的預淬鋼、石墨電極等幾種材料的切削加工。在刀具材料沒有根本性突破前，這種局面難以被打破。而模具行業(yè)往往需要大去除率加工的材料基本是HRC22～38之間的鋼材和鑄鐵。這些加工一方面要求極大的金屬去除率來減少占機時間，另一方面在大懸伸加工時要求低的切削振動。新型的模具銑刀的設計思路是采用新的技術——高性能切削（HPM）。

1．模具材料種類、特性簡介

    為便于對后面高效模具加工刀具介紹的理解，有必要對模具材料及加工方式作一個簡單介紹。

（1）模具類型

    模具主要分為以下幾個類型：大型汽車外覆蓋件沖壓模具、普通塑膠注塑模具、PVC注塑模具、吹塑模具、五金沖壓及板金模具、熱擠壓模具、熱鍛模具等等。

（2）模具材料

    每種不同的模具以及同一模具的不同部位所采用的材料有相當大的差別，其加工特性也有很大的區(qū)別。模具材料的種類極為繁多，由于篇幅原因，只介紹與本文相關的被加工材料。

    C45W中碳鋼：牌號為S50C~S55C 45鋼，香港稱為王牌鋼，此鋼材的硬度為HB170～220，模具有70%～80%的加工采用這種鋼材，適用于大多數(shù)加工對象。

    40CrMnMo7預硬塑膠模具鋼：硬度HRC28～40，很適合做一些中低價模具的鑲件，有些大批量生產(chǎn)的模具模架也采用此鋼材，好處是硬度比中碳鋼高，變形也比中碳鋼穩(wěn)定，這種鋼在塑膠模具上被廣泛采用，較為普遍的品牌有718S、718H、738H、NAK80、NAK55等，這種鋼材的應用占模具的15%～20%左右，其加工難度大于45鋼，主要為型芯和型腔加工。

    fc250-fc350，fcd500-fcd700：材料中添加了Cu、Ni、Mo等合金，通過對總碳量、Si、Mn、P、S、Mg等組成元素進行控制，在分子結構上由于晶體易于變形，使之易于馬氏體化。一直以來，國內(nèi)汽車行業(yè)所使用的模具材料主要包括鑄態(tài)和鍛態(tài)兩大類。鑄態(tài)材料常用的牌號為HT300、鉬鉻鑄鐵、鑄態(tài)風冷鋼（7CrSiMnMoV）；鑄鐵材質主要用于模具基體，鑄鋼材質則用于鑲塊。鍛態(tài)材質常用的牌號為鍛態(tài)風冷鋼（7CrSiMnMoV）、Cr12MoV，主要用于制造汽車外覆蓋件模具。

2．汽車外覆蓋件模具粗加工用球頭銑刀

    近年來，工業(yè)領域使用的刀具產(chǎn)品樣式不斷變化，且絕大多數(shù)企業(yè)本著降低制造成本的生產(chǎn)理念，要求生產(chǎn)高精度、高品質的產(chǎn)品。這種現(xiàn)象在汽車行業(yè)加工領域也不例外。針對客戶的要求，株鉆刀具技術公司采取的策略是不斷提高刀具使用壽命以及縮短加工時間。株鉆公司最新推出了幾種新型高效刀具，在車門、保險杠、車架等零部件的沖壓模加工時，能夠大大提高刀具使用壽命、降低加工成本。其中BMR03系列刀具就是其中之一。

    該款刀具適用于汽車外覆蓋件模具粗加工時的型面輪廓強力仿形切削，一般來說，D50、D40的刀具進行型面開粗，D30的刀具進行型面的半精加工和圓弧過渡面的清根加工，被加工工件的材質主要是以上介紹的冷作模具鋼和鉬鉻合金鑄鐵，為了降低成本，有些低檔卡車模具也采用GCr15鋼和灰口鑄鐵，甚至采用A3鋼堆焊的毛坯生產(chǎn)。因此要求該刀具有極高的綜合切削性能：（1）適用于各種被加工材質的刀片槽型和結構；（2）優(yōu)秀的抗沖擊性能，強力銑削加工時不能出現(xiàn)切削刃意外崩缺；（3）長的刀具使用壽命，一般客戶希望能夠在不更換刀片情況下不間斷地加工完一個型面，對于加工一個大型模具意味著4～12小時的加工壽命；（4）低的切削振動，這是制約加工效率提高最難逾越的因素；（5）高的形狀精度和高負荷加工下刀具的精度保持性；（6）高的刀體可靠性。

    該刀片的槽型是綜合考量各種實際切削因素，并且通過長達兩年的用戶試驗，不斷優(yōu)化而最終定型的。具體而言，主要在以下幾個方面進行了優(yōu)化設計。

    比傳統(tǒng)刀具更高的精度，刀片安裝在刀體上后，與理想球體的理論誤差應盡可小，而且曲線不能太復雜，以免造成研磨困難。株鉆球頭銑刀的球形刃設計精度（所有系列）均為≤0.005mm，制造輪廓誤差≤0.05mm（ZOLLER測刀儀檢測）。

    中心刀片的刀尖設計保證更低的切削振動和抗沖擊性能，過中心區(qū)域切削速度極低（接近于零）。切削阻力極大，非常容易出現(xiàn)刀尖崩缺現(xiàn)象。必須進行大量試驗室試驗和客戶實際試驗來提高刀片性能。舉例來說，其中有一項為切削阻力和切削振動對比試驗，試驗方案如下：試驗刀具為A、B兩種國外D40球頭銑刀，被加工材料為P20HRC35，切削參數(shù)：Vn=3000，ap=0.5mm，ae=1mm，f=3000mm/min，測試儀器：KISTLER動態(tài)電荷測力儀。

由試驗結果可知：

（1）在其他條件相同的情形下，f=0.5mm/z時，A刀具的最大主切削力Fx=400N，最大主切削力Fx=50N，最大振幅為350N，平均切削力為230N；

（2）在其他條件相同的情形下，f=0.8mm/z時，A刀具的最大主切削力Fx=600N，最大主切削力Fx=80N，最大振幅為520N，平均切削力為290N；

（3）在其他條件相同的情形下，f=0.5mm/z時，B刀具的最大主切削力Fx=800N，最大主切削力Fx=160N，最大振幅為640N，平均切削力為400N；

（4）在其他條件相同的情形下，f=0.8mm/z時，B刀具的最大主切削力Fx=1000N，最大主切削力Fx=200N，最大振幅為800N，平均切削力為500N。

    由以上四點可知，在1mm的小切深情況下，在所有切削條件相同的情況下，B刀具的刀尖受力情況明顯比A差很多，平均受力大了幾乎一倍，刀具在同等頻率下振動的振幅也明顯大得多，而上述切削參數(shù)在大多場合都是正常切削參數(shù)，這說明在刀具刀尖的處理上A刀具的設計方案明顯優(yōu)越。而B刀具由于切削阻力和切削振動太大，且刀尖的切削前角僅為－20°，刀尖過于單薄，刀具的過中心刀尖非常容易崩缺。

    因此刀尖的形狀設計非常重要，對刀具的實際切削效果有顯著的影響。實際上優(yōu)化設計刀尖形狀和參數(shù)是一個非常繁雜的過程，要平衡諸多因素，如切削振動、刃部強度、刀具使用的工藝特點、刀片材料特性、本身的工藝性等等，很難一蹴而就，要往返多次不斷完善。

    刀片的槽型優(yōu)化設計，球頭銑刀的圓弧切削刃各點的切削線速度都不相同，軸心區(qū)低，外部高，線速度的變化極大，因此各點承受切削阻力相差很大。

    當切削速度低于某個值時，切削阻力會急劇增大，而高過此值時，變化會比較平緩，因此設計主切削刃棱帶、槽型主參數(shù)時必須遵循這個規(guī)律。對于球頭刀來說，設計為變棱寬棱帶、光滑曲面的切屑導流槽、連續(xù)變化的前角、槽寬等最為合適，配合前刀面的減振凸臺設計可以在保證刃口強度的基礎上盡可能減少棱寬，從而最大化減少切削阻力和抑制振動。分屑槽刀片，對于大直徑刀具D50、D40刀具和大懸長刀具來說，在進行過渡全刃接觸銑削時，幾乎難以加工，排屑非常困難。刀片極易被擠缺。這時需要采用分屑技術的刀片。在實際驗證時，加工效率得到2倍以上的提高。

    極限過載和疲勞破損校驗，進一步改進刀具結構，確保刀具能夠長期穩(wěn)定切削。極限試驗主要用于檢測刀具在推薦切削參數(shù)下的安全性能，包括一系列的超載試驗。這需要投入極大的物力和精力，一個產(chǎn)品的開發(fā)必須包含此項驗證。這里列舉其中一項試驗：

檢驗刀具：BMR03-040-G32-XP30-02-M；刀片：XPHT40R2004；牌號：YBG302

被加工材料：NAK80（HRC40）

切削參數(shù)：Vn=2500，ap=5mm，ae=4mm，f=2000mm/min

試驗結果：加工16小時后，刀具出現(xiàn)疲勞損壞裂紋。刀體上部安裝刀片的刀槽底面與側面出現(xiàn)明顯裂痕，刀體已經(jīng)無法繼續(xù)使用。  

正是疲勞試驗發(fā)現(xiàn)了該刀具的內(nèi)在缺陷，為此進行了四次大的改進來解決這個問題，其中包括（1）面與面間采用圓弧過渡，消除應力集中；（2）更高精度的鎖進螺紋配合，提高刀片的安裝剛性；（3）采用優(yōu)質耐熱合金鋼制造刀體；（4）改變表面處理和熱處理工藝，提高抗疲勞性能。改進產(chǎn)品小批量客戶試驗證明，消除缺陷的產(chǎn)品完全可以滿足實際使用要求，現(xiàn)在大批量訂貨也沒有出現(xiàn)問題。

客戶實際案例

汽車覆蓋件模具球頭銑刀加工案例1：

機床：意大利龍門三軸加工中心

刀具：BMR030-G32-XP30-02-L；刀片：XPHT30R1504；牌號：YBG302

被加工材料：FC600

加工參數(shù)：Vn=3000r/min，ap=4~8mm，ae=4mm，f=3000mm/min

加工結果：加工前與加工后用激光對刀儀在線檢測，精度與國外刀具相同，一次加工17小時刀具微見磨損，刀片刃口完好，小批量使用后性能與國外產(chǎn)品相同，建議批量訂貨取代國外刀具。

模具球頭銑刀加工案例2：

機床：意大利龍門三軸加工中心

刀具：BMR040-MT5-XP40-02-L；刀片：XPHT40R2004；牌號：YBG302

被加工材料：鉬鉻鑄鐵（牌號不詳）

加工參數(shù)：Vn=2500r/min；ap=8～12mm；ae=8mm；f=3000mm/min

加工結果：精度明顯高于原刀具，加工時振動明顯低于原刀具，刀具的平均使用壽命和加工效率高于原刀具兩倍以上，批量加工未出現(xiàn)異常情況。 

小結：新型球頭銑刀較傳統(tǒng)刀具有較大優(yōu)勢，加工實例證明了其高效切削性能，比原來傳統(tǒng)球頭銑刀提高加工效率2倍以上，且刀具壽命更長，性能可與國外先進廠家相當；批量應用證明該刀具性能穩(wěn)定可靠，由于性價比高，節(jié)約了刀具消耗成本。

3．新型大進給銑刀

    株鉆刀具公司推出的新型大進給銑刀幾乎已成為HPM的狹義對等詞。這種大進給銑刀結合了低振動切削和高進給切削兩種切削形式的優(yōu)點，能夠進一步提高刀具的切削性能。刀片基本形狀為類三角形，三個邊完全對稱，每個邊由修光刃、第一主切削刃、突起過渡區(qū)、第二主切削刃和刀尖圓弧等組成。刀具的原理及形狀專利正在申請中。

（1）低振動大進給銑刀的原理及特色

    所謂低振動切削是指刀具采用大的懸伸量加工深的部位，而刀具的剛性與懸伸長度的四次方成反比，加工效率的主要制約因素是因為加工振動而不得不降低走刀速度。FEETE公司的理論研究和試驗證明，通過改變切屑的形狀，可以在切屑截面不變的情況下提高走刀速度，或者說在同等金屬去除率的情況下，可以降低切削阻力和消耗功率15%～25%。這是一個非�？捎^的數(shù)據(jù)，實際上由于受到幾何形狀以及殘余加工區(qū)域面積的限制，產(chǎn)品應用達不到這一理論值。

    株鉆公司開發(fā)的新型大進給銑刀成功地將小的主偏角與切屑形狀控制理論結合起來。該銑刀在切削深度ap小于凸起過渡區(qū)到修光刃時，參與切削的為第一主切削刃，這與傳統(tǒng)的大進給銑刀并無任何區(qū)別。但當切削深度ap超過這一臨界值時，切屑的形狀發(fā)生改變，傳統(tǒng)的大進給銑刀應為一段較長的切屑，而新型銑刀為兩段切屑，這種斷屑方法稱為自臺階斷屑。下面通過一個試驗來證明對新型刀具性能的闡述。

試驗機床：MIKRON UCP1000

被加工材料：NAK80（HRC40）

對比試驗刀具：進口D32大進給銑刀（加長型）；株鉆D32大進給銑刀

測量儀器：KISTLER電荷測力儀

加工參數(shù)：ap=1.7mm，ae=25mm，V=120m/min，f=0.8mm/z

試驗結果：由于受到機床功率的限制，f=0.8mm/z時機床已經(jīng)達到極限功率，株鉆D32大進給銑刀MR01-063-A22-ZD16-04的切屑成兩段排出，切削狀態(tài)正常。

    對比的進口刀具已經(jīng)完全喪失了繼續(xù)切削的能力，出現(xiàn)強烈的振動甚至抖動。這就證實采用分屑技術與大進給相結合的新型刀具有著更加優(yōu)越的切削性能。

新型大進給銑刀加工實例驗證

加工零件：摩托車整流罩模具（包括型芯和行腔模板），材料為738H（HRC33～40）

株鉆刀具：XMR01-063-A22-ZP16-04；刀片：ZDMT160416-GM；牌號：YBM351；刀具直徑：D63

對比刀具：進口D63大進給刀具，刀具直徑：D63

加工方式：干式切削

加工試驗結果：株鉆刀具每刃平均切削壽命為3.5小時，進口刀具為3.7小時，壽命基本相當；株鉆刀具的切削振動聲音相對較�。恢赉@刀具切屑細碎，容易被壓縮空氣吹走，切屑刮擦相對較輕。另外值得一提的是，在采用大進給加工前，采用RDKW1204M0刀片進行加工，大進給刀具有著明顯的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）加工效率提高1～2倍，機床占用率大大降低，大大降低固定資產(chǎn)成本；（2）拐角處振動和大模具加工的優(yōu)勢更加明顯，提高效率3倍以上；（3）刀片消耗量大大降低，原來RDKW刀片每月消耗2萬片，而大進給刀片消耗量不到3000片。

小結：新型大進給銑刀可以通過分屑方法有效抑制振動，從而進一步提高加長刀具的加工性能；合理的外形設計使該刀具的切削性能和使用壽命達到了預期目的；較傳統(tǒng)刀具而言，新刀具的加工效率提高2～3倍，而刀具消耗量僅為原來的1/5，效益相當可觀。

4．結束語

    與傳統(tǒng)刀具相比，新的高效模具銑刀加工效率提高2～3倍甚至更高，這一成功得益于優(yōu)化的刀具幾何設計和新的銑削策略。高性能銑削刀具的最大優(yōu)點是減少了對機床的投資。低振動切削對于大懸伸加工效率的提高起到了關鍵作用。分屑方法是實現(xiàn)低振動切削最現(xiàn)實的一種方法，同時試驗和實際應用都證明效果明顯。