模具銑刀材料及其選擇
發(fā)布日期:2012-08-29 蘭生客服中心 瀏覽:3589
在傳統(tǒng)的模具切削加工生產(chǎn)中,以粗加工為主,隨著新型模具工業(yè)的迅速崛起、材料熱處理及切削技術(shù)的進步,被加工件量、質(zhì)都發(fā)生了很大的變化,由粗加工擴大至半精加工、精加工,促進了模具工業(yè)的進一步發(fā)展。
近年來,由于干切削、硬切削、高速切削等快速的進入到模具加工領(lǐng)域,使模具制造進入一個全新的發(fā)展期,與老式的成型表面電火花工藝相比,由CNC機床的柔性、耐磨刀具材料和表面涂層、新型刀具結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的高速切削系統(tǒng),免去了電極的準備程序,可提高生產(chǎn)率30%~50%,并減少手工拋光工作量60%~100%,從而把整個模具的生產(chǎn)周期縮短了2/3[1],提高了企業(yè)在市場中的競爭力。
針對模具加工高效、單件、小批量和材料硬度高、加工難度大、形狀復(fù)雜和切削余量大的特點,工具制造廠開發(fā)出大量適應(yīng)模具生產(chǎn)需要的專用非標銑刀,并在刀具行業(yè)的產(chǎn)品中形成了獨樹一幟的《模具銑刀》(JB/T7966·1~10-95)系列標準。
時代在發(fā)展,技術(shù)在進步,《模具銑刀技術(shù)條件》(JB/T7966·10-95),規(guī)定用W18Cr4V或同等性能的高速鋼制造,硬度63~66HRC。從目前的市場調(diào)查分析,W18Cr4V、M2、9341等通用型高速鋼(HSS)在模具銑刀板塊中已失去了競爭力,而代之以粉末高速鋼、高性能高速鋼、硬質(zhì)合金及超硬刀具材料。
1 高性能高速鋼和粉末高速鋼
到目前為止,高速鋼牌號近百種,但在市場上流通的不超過20種。人們習(xí)慣上將高速鋼分為四大類:通用高速鋼(HSS)、高性能高速鋼(HSS-E)、粉末高速鋼(HSS-PM)和低合金高速鋼(DH)。HSS、DH材料很難勝任銑刀的加工要求,HSS-E、HSS-PM還能占據(jù)一席之地。
1.1 高性能的高速鋼
HSS-E 是指在HSS成分基礎(chǔ)上適當提高C、V量,有些牌號再加入Co、Al等合金元素,以提高耐熱性、耐磨性的鋼種。這類鋼的紅硬性比較高,經(jīng)625°×4h加熱后仍保持60HRC以上的高硬度,刀具的耐用度通常為HSS鋼刀具的1.5~3倍。
1.2粉末高速鋼
HSS-PM 是用細小的高速鋼粉末在高溫高壓下直接壓制而成的高速鋼品種。在國外應(yīng)用相當普及,而國內(nèi)只有少數(shù)廠家使用。
HSS-PM完全避免了冶煉高速鋼碳化物不均勻的毛病,不論其截面多大,碳化物都細小均勻,所以它較冶煉高速鋼強度和韌性都高的多。
1.3 高速鋼模具銑刀熱處理要點
由于模具加工的特殊性對刀具的要求非常嚴格,刀具熱處理要掌握如下要點:
1.3.1 HSS刀具淬火晶粒度控制在10號左右,硬度65~66.5HRC,過熱程度視具體刀型而定,但過熱不得超過2級(小型刀具不允許過熱)。
1.3.2 HSS-E熱處理后雖可以達到67~70HRC,但實際使用不允許有如此高的硬度,65~67HRC的硬度深受青睞。
1.3.3 HSS-PM具有優(yōu)良的力學(xué)性能,淬火晶粒度控制在10.5號,視不同產(chǎn)品上下浮動半級。但千萬不可盲目追求高硬度,大量的事實表明,高硬度并非高壽命。將硬度控制在66~67.5HRC不會出現(xiàn)質(zhì)量問題(小刀具可以低1HRC)。
2 硬質(zhì)合金銑刀
硬質(zhì)合金刀具是數(shù)控機床的主導(dǎo)產(chǎn)品,歐洲有些國家90%以上的車刀,55%以上的銑刀都用硬質(zhì)合金制造,且增長勢頭正旺,以驚人的速度滲透到數(shù)控刀具的各個領(lǐng)域。展望未來,數(shù)控刀具無疑是硬質(zhì)合金的天下,模具銑刀首選材料應(yīng)是硬質(zhì)合金。
2.1硬質(zhì)合金刀具的主要特點
2.1.1 硬度
硬質(zhì)合金主要由硬質(zhì)碳化物組成,所以它的硬度比高速鋼高得多,一般為89~93HRA,540℃時的熱硬性需要82~87HRA。
2.3.2 十分適合應(yīng)用在數(shù)控銑床和轉(zhuǎn)速在20000r/min以上的先進銑床上銑削。
2.3.3株洲鉆石切削刀具股份有限公司開發(fā)的黑金剛刀片系列,是專門為加工鑄鐵而開發(fā)的硬質(zhì)合金刀片,用于中速或高速銑削的YBD152牌號比原有的牌號提高切削速度30%~40%,使用壽命提高近50%[3]。
2.3.4由于模具加工的工作量很大,為了提高加工效率,不希望多換刀,工具廠開發(fā)了可轉(zhuǎn)位的面銑刀,包括銑平面、銑斜面等多功能可轉(zhuǎn)位面銑刀。
2.3.5大型模具型腔的精加工,金屬切除量大,刀具懸伸又長,如果用傳統(tǒng)的銑削加工,效率很低,現(xiàn)在改用小切深大進給量的方式,實現(xiàn)了高效加工。
3 立方氮化硼(CNB)銑刀
CNB是繼人造金剛石之后出現(xiàn)的第二種無機超硬材料,開拓了高速切削的新紀元。
3.1 CNB的主要特點
3.1.1高的硬度和耐磨性:顯微硬度可達8000~9000HV,聚晶立方氮化硼(PCBN)燒結(jié)體的硬度達到3000~5000HV,在切削耐磨材料時耐磨性為硬質(zhì)合金的50倍,為陶瓷刀具的25倍。PCBN尤其適用于以前只能磨削的高硬度材料,實現(xiàn)“以車代磨”。
3.1.2化學(xué)穩(wěn)定性好:CBN的化學(xué)惰性大,在還原性氣體介質(zhì)中對酸和堿都是穩(wěn)定的,在大氣和水蒸氣中無任何變化,與鐵系金屬在1200~1300℃也不起化學(xué)作用。
3.1.3良好的導(dǎo)熱性:其導(dǎo)熱率大大高于高速鋼和硬質(zhì)合金,但低于金剛石。
3.1.4較低的摩擦系數(shù):CBN與不同材料間的摩擦系數(shù)約為0.1~0.3,比硬質(zhì)合金低得多。
3.2 CBN銑刀的實際應(yīng)用
3.2.1從2006年6月“第八屆中國國際機床工具商品展覽交易會”上獲悉,日本三菱綜合材料株式會社近期推出的加工鑄鐵用的MBS140整體式CBN刀片,銑削220~250HB FC250鑄鐵,切削速度500m/min,進給量0.25mm/r,切深0.1mm,干切削7.5min,后刀面的磨損量才0.3mm.
3.2.2銑削58HRC Cr12模具鋼,CBN銑刀比其他超硬材料銑刀效率高,壽命長;精銑和半精40~60HRC模具,工件表面粗糙度可達Ra0.1µm;用鋒刃CBN端銑刀銑削62~64HRC CrWMn鋼平面時,表面粗糙度達0.2~0.4µm。
3.2.3 直徑10mmCBN立銑刀在60HRC CrWMn鋼模具上銑削寬度為10mm深度為2mm槽時,16min銑長1.2m,后刀面磨損0.06mm。
3.2.4 在模具制造業(yè)中,廣泛使用各種立銑刀,尤其是球頭銑刀來高速加工型腔等復(fù)雜曲面,被加工模具材料幾乎包括能硬化的所有模具鋼系列,不僅工效高,而且質(zhì)量好。
4 陶瓷刀具
陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性好、耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良等優(yōu)點,且不與切屑粘接。世界各國都非常注重開發(fā)和應(yīng)用陶瓷刀具。近20年來,陶瓷刀具已成為高速切削和加工難加工材料的主要刀具之一。目前,由于控制了原料的純度和晶粒尺寸,添加了各種碳化物、氮化物和晶須等,采用多種增韌補強,使得陶瓷刀具的抗彎強度、斷裂韌度和抗沖擊性能都有大幅度提高,開發(fā)了一系列的新型陶瓷刀具材料。如納米復(fù)合陶瓷刀具、晶須增韌陶瓷刀具、梯形功能陶瓷刀具、粉末涂層陶瓷刀具、自潤滑陶瓷刀具等。應(yīng)用范圍日益廣泛,社會效益和經(jīng)濟效益十分明顯,請看實例:
4.1 Al2O3/TiB2刀具加工4Cr5MoVSi熱模鋼時,刀具抗邊界磨損能力為Al2O3/TiC 的2 倍[4]。
4.2 用SG4陶瓷制成的三面刃銑刀,可一次走刀銑完5.2×16×710mm淬硬鋼鍵槽的精加工,鍵側(cè)面的表面粗糙度可穩(wěn)定地達到Ra1.6~0.8 µm,可省去原來的粗銑、精磨、鑲鍵等工序 [5]。
4.3陶瓷刀具不能用于加工鋁,而對于灰鑄鐵、球墨鑄鐵、淬火鋼和未淬硬的耐熱合金等難加工材料特別適合。在德國70%加工鑄鐵的工序是由陶瓷刀具完成的,而日本陶瓷刀具的年消耗量已占刀具總量的8%~10%[6]。
5 結(jié)論
縱觀全球,橫看同行,模具銑刀用材發(fā)生了三個明顯的變化:
5.1由通用型高速鋼向高性能高速鋼、粉末高速鋼轉(zhuǎn)化;
5.2硬質(zhì)合金模具銑刀有逐步取代高速鋼銑刀的趨勢;
5.3超硬材料在模具銑刀中份額不斷增長。
由于材料科學(xué)、機床行業(yè)的進步,模具工業(yè)正以驚人的速度向前發(fā)展,模具材料日新月異,模具形狀千姿百態(tài),刀具結(jié)構(gòu)千差萬別,因為用于加工模具的銑刀不能定格在通用高速鋼一種材料上,應(yīng)該根據(jù)加工對象、模具服役狀態(tài)、機床、工夾具等多種因素綜合考慮,選定合適的模具材料,設(shè)計優(yōu)質(zhì)的模具銑刀,并在實踐中不斷改革創(chuàng)新,力求優(yōu)質(zhì)、高效、環(huán)保。
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