硬質(zhì)合金立銑刀與模具預(yù)硬化模塊的加工

吳元昌

（成都工具研究所，成都610051）

硬質(zhì)合金立銑刀與模具預(yù)硬化模塊的加工

Carbide endm ill and machining of prehardened mould block

吳元昌

（成都工具研究所，成都610051）

塑料在工程材料中的應(yīng)用日漸廣泛，已成為世界4大原材料之一。塑料要成為有價(jià)值的商品，必須用模具成型。用塑料模具制造的塑料制品的發(fā)展極為迅速。為適應(yīng)市場(chǎng)的需要，對(duì)塑料制品要求樣式翻新快，促使要求塑料模具交貨周期短，模具表面粗糙度值要小，且能滿足所需精度要求。上述對(duì)塑料模具的需要，引起其加工方法的變革，從而使冶金業(yè)、機(jī)床業(yè)、工具業(yè)都發(fā)生了與之配套的變革。

1 傳統(tǒng)與變革后的塑料模具加工方法

傳統(tǒng)的塑料模具加工工藝為采用經(jīng)冶金廠退火的模塊，粗及半精機(jī)械加工模具型腔，轉(zhuǎn)熱處理淬火、回火；再最后精加工型腔到最終尺寸，以消除熱處理的變形。最后精加工工序的磨削及拋光很費(fèi)時(shí)且需高級(jí)技工，使模具不僅交貨期長(zhǎng)且價(jià)格昂貴。國(guó)內(nèi)部分低級(jí)塑料模具不做熱處理，但耐磨性差，壽命較低。

為克服模具的熱處理變形及最后精加工費(fèi)時(shí)的缺欠，國(guó)外模具鋼廠多年前已改供預(yù)硬型塑料模具鋼制的模塊，在鋼廠中將實(shí)心模塊預(yù)先熱處理到其使用硬度，以獲得所要求的使用性能，現(xiàn)市場(chǎng)上進(jìn)口的預(yù)硬化模塊有數(shù)個(gè)鋼種，其形狀有圓棒：直徑從φ25～505mm， 方棒：邊長(zhǎng)從25mm×25mm～105mm×105mm，扁方板：斷面尺寸從76mm×25～70mm直到1000mm×20～510mm，規(guī)格繁多，供模具制造者選用。

模具制造者從已預(yù)硬化的模塊上機(jī)械加工出模具型腔，直接到最終成品尺寸，無(wú)需再熱處理，交用戶使用。這種新工藝特別適宜做形狀繁雜的大、中型精密模具，因它避免了因熱處理造成的模具變形和裂紋問題，縮短了加工周期。這就是冶金行業(yè)為適應(yīng)市場(chǎng)的變革。我國(guó)每年進(jìn)口的預(yù)硬化模塊達(dá)數(shù)萬(wàn)噸，2000年起國(guó)家重點(diǎn)技術(shù)改造投資的撫順鋼廠和上海第五鋼廠已試供應(yīng)預(yù)硬化模塊。

2預(yù)硬化模塊的機(jī)械加工和硬質(zhì)合金立銑刀的興起

預(yù)硬化模塊的使用硬度一般在27～42HRC，特別在高硬度區(qū)36～42HRC，其可切削性很差，用傳統(tǒng)的高速鋼立銑刀加工效率很低，以最通用的塑料模具鋼3Cr2Mo（美國(guó)鋼號(hào)P20），和中、大型模塊用的3Cr2NiMnMo（瑞典鋼號(hào)718）為例，一般推薦的立銑刀銑削速度見表1。

表1 預(yù)硬化塑料模具鋼的推薦銑削速度 （m／m in）

從表1中數(shù)據(jù)可見：①經(jīng)預(yù)硬化的P20和718塑料模具鋼的推薦銑削速度僅為最常用的45碳結(jié)鋼的1／2左右。②高速鋼立銑刀的推薦銑削速度只有硬質(zhì)合金立銑刀相應(yīng)值的1／2～1／3。有資料報(bào)導(dǎo)硬質(zhì)合金立銑刀的金屬切除率可比高速鋼立銑刀高5～10倍。由于高速鋼立銑刀加工預(yù)硬化模塊的型腔效率低，刀具壽命短，近年在這個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域已逐步為硬質(zhì)合金立銑刀所取代。

日本的刀具統(tǒng)計(jì)資料顯示，硬質(zhì)合金立銑刀和高速鋼立銑刀產(chǎn)值之比在1996年為38%∶62%—高速鋼立銑刀為主：而2001年已變?yōu)?9%∶31%—硬質(zhì)合金立銑刀占主導(dǎo)地位。2001年中國(guó)立銑刀的相應(yīng)數(shù)值為24%∶76%，還達(dá)不到日本1996年的水平。2001年由于全球IT業(yè)的衰退，日本硬質(zhì)合金刀具的總產(chǎn)值比2000年減少6．3%，與IT業(yè)關(guān)系密切的硬質(zhì)合金麻花鉆（PCB鉆）產(chǎn)值縮減17%，但硬質(zhì)合金立銑刀的產(chǎn)值和產(chǎn)量均比2000年增加12.6%，2001年達(dá)到2億美元（450萬(wàn)件），可見模具行業(yè)對(duì)它的拉動(dòng)力。

3硬質(zhì)合金立銑刀品種

硬質(zhì)合金立銑刀主要有整體硬質(zhì)合金立銑刀與可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀片立銑刀兩大類。

整體硬質(zhì)合金立銑刀的直徑范圍從0.2～32mm，但實(shí)際上多數(shù)直徑≤16mm，因大直徑原材料費(fèi)用太高。整體硬質(zhì)合金立銑刀 （特別是球頭立銑刀）品種規(guī)格極為繁多。為適應(yīng)模具設(shè)計(jì)需要，其前端刀尖多數(shù)不是45°倒角，而是磨成一定數(shù)值的圓弧半徑。根據(jù)采用的硬質(zhì)合金牌號(hào)的不同，再配以刀具幾何參數(shù)的調(diào)整，現(xiàn)已有適宜于銑削不同模具硬度≤45HRC，≤55HRC，≤65HRC的立銑刀品種。具有內(nèi)冷卻的整體硬質(zhì)合金立銑刀也已獲得應(yīng)用。

用于模具加工的可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀片立銑刀直徑φ8～50mm者為大多數(shù)，以適應(yīng)加工模具較小型腔形狀的需要。它近年向小直徑方向發(fā)展，已有直徑8mm （R＝4mm）的可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀片球頭立銑刀?？赊D(zhuǎn)位刀片結(jié)構(gòu)的立銑刀可制成較長(zhǎng)刀桿，以深入模具型腔加工，而整體硬質(zhì)合金立銑刀的全長(zhǎng)及刃部長(zhǎng)度較短，以提高其剛性，獲取以銑代磨的良好模具型腔表面粗糙度及很高的金屬切除率。

整體硬質(zhì)合金立銑刀廣泛采用超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金制造，某些牌號(hào)硬度≥91HRA，抗彎強(qiáng)度高達(dá)3000N／mm2以上，完全可滿足立銑刀切削過程中刃口所受的強(qiáng)大切削力。

我國(guó)的硬質(zhì)合金立銑刀生產(chǎn)還在起步階段，整體硬質(zhì)合金立銑刀的產(chǎn)量更為稀缺。2002年全部硬質(zhì)合金立銑刀的產(chǎn)值和產(chǎn)量?jī)H為400萬(wàn)美元 （20萬(wàn)件），在預(yù)硬化模塊生產(chǎn)技術(shù)上是嚴(yán)重的短缺。

4 模具加工用高速鋼立銑刀

在日本立銑刀總量中高速鋼立銑刀還占1／3。它主要定位于老企業(yè)用齒輪傳動(dòng)的機(jī)床及較大加工余量時(shí)的模具加工。其原材料皆選用高合金含量的高釩（3%～5%V）、 高鈷 （8%Co及9%～10%Co） 高速鋼和粉末冶金高速鋼；除要求高硬度和紅硬性外，更著眼于良好的耐磨性能。國(guó)內(nèi)立銑刀還是以通用高速鋼為主要材料，這是模具業(yè)抱怨國(guó)產(chǎn)立銑刀削壽命不及國(guó)外產(chǎn)品的主要原因。

5 硬質(zhì)合金立銑刀與機(jī)床

CNC立式鏜銑床或加工中心，配以硬質(zhì)合金立銑刀是模具加工的基本設(shè)備，對(duì)機(jī)床的要求主要是兩個(gè)方面：其一是制造整體硬質(zhì)合金立銑刀的CNC多軸工具磨床；其二是能充分發(fā)揮硬質(zhì)合金立銑刀效能的CNC立式鏜銑床。

精密的整體硬質(zhì)合金立銑刀國(guó)外用6軸聯(lián)動(dòng)CNC工具磨床制造，采用多片砂輪在一次裝卡中磨成全部刃部幾何形狀，上述機(jī)床主要靠進(jìn)口，價(jià)格昂貴，限制了國(guó)產(chǎn)整體硬質(zhì)合金立銑刀的發(fā)展。

預(yù)硬化模塊有一定的硬度，其切削抗力大。要能充分發(fā)揮硬質(zhì)合金立銑刀的效能，CNC立式鏜銑床主軸要有足夠的功率、機(jī)床剛性要好，定位精度要高。此外因整體硬質(zhì)合金立銑刀的直徑較小 （一般≤16mm），要求主軸有較高的轉(zhuǎn)速，直徑6mm的硬質(zhì)合金立銑刀要求主軸轉(zhuǎn)速為6000r／min，更小直徑的則要求主軸轉(zhuǎn)速高達(dá)20000～30000r／min。國(guó)產(chǎn)CNC立式鏜銑床有能力滿足上述要求。