模具側(cè)壁加工中切削刃形狀對加工精度和刀具壽命的影響

師潤平，韓彥良，韓春鈺

1賀州學(xué)院；2深圳市鑫運祥精密刀具有限公司

1 引言

因模具形狀復(fù)雜，加工凹腔底面和側(cè)壁時，刀具可達(dá)性差，經(jīng)常需要較長的刀具懸伸量[1]。其次，預(yù)硬和淬硬模具鋼的硬度有時高達(dá)55～62HRC[2]，在3D外形及輪廓仿形加工中，為避免干涉一般使用球頭銑刀和刀尖為圓角的立銑刀。此外，在大型深腔模具的銑削加工中，為了提高生產(chǎn)效率，普遍使用高速機床進行加工。

刀具懸伸長和材料硬度高都是影響加工效率和加工精度的不利因素，同時高速加工對刀具切削性能要求很高。為了防止長懸伸刀具切削加工時發(fā)生震顫導(dǎo)致加工表面精度下降，應(yīng)采用大前角刀具以減小切削力[3，4]。同時，在高硬度材料的加工中，為了提高刀刃強度，刀具應(yīng)具有較小前角并對切削刃進行鈍圓或倒棱處理[5]，因此，選擇合適前角、刃口鈍圓半徑寬度以實現(xiàn)大型模具內(nèi)腔表面的高效、高精加工，并盡可能延長刀具壽命，是多目標(biāo)平衡和相關(guān)參數(shù)優(yōu)化的問題。

目前，國內(nèi)模具制造業(yè)普遍使用整體硬質(zhì)合金涂層球頭銑刀和圓角銑刀加工高硬度模具型腔底面，日本刀具廠則推出了小直徑CBN球頭銑刀和硬質(zhì)合金機夾球頭刀、圓角銑刀。關(guān)于高硬度深腔模具精加工的研究主要是提高底面加工精度和開發(fā)耐熱耐磨涂層，其中切削刃形狀的研究集中在立銑刀底刃的圓弧形狀上[6，7]，而關(guān)于高硬度深腔模具側(cè)壁精加工的研究文獻較少，國內(nèi)模具制造企業(yè)一般采用多齒、長刃整體硬質(zhì)合金銑刀精加工低硬度模具深腔側(cè)壁，通過減少接刀痕和降低每齒進給量提高表面質(zhì)量。但對高硬度模具而言，多齒和長刃會進一步增大切削力，在刀具長懸伸狀態(tài)下極易引發(fā)震顫，造成表面質(zhì)量下降。采用短周刃分層切削則能有效降低切削力并抑制震顫。此外，切削刃形狀也會直接影響加工表面質(zhì)量和刀具耐磨性，需要通過切削試驗進行優(yōu)化。本文研究分析了端銑刀軸向前角、鈍圓半徑對高硬度深腔模具側(cè)壁加工精度和刀具壽命的影響情況。

2 試驗方案與刀具

2.1 試驗刀具

針對高硬度加工材料和長懸伸刀具狀態(tài)，試驗刀具材質(zhì)選用抗彎強度較高的超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金材料和耐高溫涂層。刀具結(jié)構(gòu)形式采用精度和剛度都較好的整體硬質(zhì)合金圓角銑刀(見圖1)。當(dāng)切削深度和寬度都較小時，齒數(shù)對切削力的影響很小，但多齒數(shù)銑刀更耐用，所以選用四齒圓角銑刀。試驗刀具主要參數(shù)見表1，刀體材料成分及物理性能見表3。涂層選用具有良好抗高溫氧化能力和紅硬性的AlTiN-LM含鋁涂層，AlTiN-LM較其他涂層具有更好的抗熱震性，更適合干切削，其涂層性能見表3。

表1 試驗刀具主要技術(shù)參數(shù)

表2 刀具材料成分及物理性能

表3 AlTiN-LM涂層性能參數(shù)

圖1 整體硬質(zhì)合金圓角端銑刀

2.2 試驗方案

試驗刀具以上述參數(shù)為基礎(chǔ)，通過改變軸向前角和刃口鈍圓半徑參數(shù)，利用切削試驗驗證軸向前角和刃口鈍圓半徑對切削力、加工表面粗糙度、側(cè)面垂直度和刀具壽命的影響。試驗刀具的軸向前角分別為5°，10°，15°，20°，切削刃鈍圓半徑分別為r0=10μm和r0=20μm兩種，刀具懸長120mm，具體分類參數(shù)見表4。

表4 試驗刀具及其刃口參數(shù)表

表5 試驗機床及其切削條件

3 試驗結(jié)果

3.1 切削刃形狀參數(shù)對切削力的影響

切削阻力是評價金屬切削過程可靠性和刀具性能最重要的物理參數(shù)之一，它直接影響加工表面質(zhì)量和刀具的使用壽命。切削阻力大，容易發(fā)生影響加工質(zhì)量的切削振動并導(dǎo)致刀具破損[8]。當(dāng)其它影響因素不變時，應(yīng)優(yōu)選切削阻力小的切削刃形狀參數(shù)。

為節(jié)省模具材料和試驗刀具費用，選用45鋼進行不同切削刃形狀參數(shù)對切削阻力的影響試驗，采用YDM-Ⅲ99型三向壓電式測力儀測量切削阻力，測量結(jié)果見圖2。

由圖2可以看出，切削力隨軸向前角的減小而增大。從主切削力的增大幅度來看，軸向前角從15°增至5°(2#，3#，4#)時，增大的幅度約為3%～5%；而軸向前角由20°增至15°(1#，2#)時，增大的幅度達(dá)到15%。由此可知，刀具采用20°的軸向前角時，可以顯著減少對動力消耗和切削熱量產(chǎn)生有很大影響的主切削力。在軸向前角等其它參數(shù)不變的條件下，切削刃鈍圓半徑由r0=10μm(4#)增加到r0=20μm(5#)時，主分力增大近40%，由此可以看出，切削刃鈍圓半徑的大小對切削力變化有顯著影響。

圖2 不同刃口參數(shù)的切削阻力比較

3.2 切削刃形狀參數(shù)對加工表面精度的影響

為盡可能接近實際應(yīng)用狀態(tài)，直接用淬火模具鋼Cr12MoV(60HRC)進行切削刃形狀參數(shù)對加工表面質(zhì)量(表面粗糙度、側(cè)面垂直度)及刀具壽命的影響試驗。加工部位為對刀具剛性要求較高的側(cè)壁，用TR110袖珍式粗糙度儀測量工件表面粗糙度，用JKZC-NK100型內(nèi)孔與端面垂直度測量儀測量垂直度，用XT53022-CTV體視顯微鏡采集后刀面磨損量。試驗切削參數(shù)見表6。

表6 加工精度試驗切削參數(shù)

(1)切削刃形狀參數(shù)對加工表面粗糙度的影響

圖3a和圖3b是切削長度分別為5m和60m時步距方向(沿模腔深度方向)的表面粗糙度Ra(取平均值)的對比數(shù)據(jù)。切削長度為5m時，各刀具加工表面的粗糙度值雖有差異，但不明顯；當(dāng)切削長度達(dá)到60m時，各刀具加工表面的粗糙度值差異非常明顯。其中，軸向前角為5°(4#，5#)的表面粗糙度仍小于Ra=1μm，而軸向前角為20°，15°，10°(1#，2#，3#)的表面質(zhì)量則顯著惡化。另外，軸向前角為20°和15°(1#，2#)時，加工表面還出現(xiàn)了細(xì)微魚鱗紋和白層現(xiàn)象。

(a)切削長度5m

從試驗結(jié)果可以看出，隨著軸向前角減小，加工表面粗糙度值也減小。魚鱗紋出現(xiàn)的原因應(yīng)該是刀具或刀刃剛性不足導(dǎo)致振顫，進一步分析其原因，應(yīng)是較大軸向前角刀具更易磨損，磨損后切削抗力變大，引發(fā)了切削振顫所致[7，8]；較小軸向前角的刀具雖然鋒利度差，但耐磨性和刀刃剛性較好，加工表面沒有出現(xiàn)細(xì)微魚鱗紋，說明刀具磨損的影響更顯著。此外，切削長度較短(5m)時白層現(xiàn)象在所有試驗刀具的加工表面都沒有出現(xiàn)，包括軸向前角較小的刀具。因此，白層現(xiàn)象應(yīng)僅與刀具磨損有關(guān)。與小軸向前角刀具相比，大軸向前角刀具雖然鋒利，但耐磨性較差；切削長度較長(60m)時，各刀具的磨損差異變大。因此，與初始切削阻力差異相比，刀具磨損較快才是導(dǎo)致加工表面質(zhì)量下降的主要原因。

(2)切削刃形狀參數(shù)對側(cè)面垂直度的影響

圖4為切削長度為60m時不同刀具加工側(cè)面的垂直度對比數(shù)據(jù)?？倻y量高度為20mm，以1mm為間距測量。軸向前角為5°(4#)時加工表面為很平緩的傾斜面，垂直度誤差為5μm，加工效果良好。軸向前角為15°和20°(1#和2#)時的加工表面呈起伏狀，無法獲得均勻的側(cè)面垂直度，其原因應(yīng)該與前述的魚鱗紋問題一致，發(fā)生了切削振顫。

圖4 不同刃口參數(shù)的側(cè)面垂直度比較

當(dāng)切削刃鈍圓半徑為r0=20μm(5#)時，由于切削阻力過大，與同樣軸向前角但鈍圓半徑為r0=10μm(4#)相比，垂直度大約差了3倍。分析其原因為：當(dāng)切削刃鈍圓半徑為r0=20μm時，不但初始切削阻力較大，而且刀具更容易產(chǎn)生初期磨損，導(dǎo)致切削阻力進一步變大，使長懸伸銑刀產(chǎn)生微量撓度變形，從而導(dǎo)致垂直度變差。

3.3 切削刃形狀參數(shù)對刀具壽命(切削長度)的影響

除加工精度外，刀具的耐用度對高硬度模具加工至關(guān)重要，圖5為刀具耐磨性(使用壽命)的對比數(shù)據(jù)。

圖5 不同刃口參數(shù)的對刀具壽命(加工長度)的影響

隨著刀具軸向前角由5°增大到20°(1#，2#，3#，4#)時，各刀具的磨損量均隨切削長度增大而平緩增大，但80m以后1#，2#，3#刀具的磨損明顯加快，進入急劇磨損階段，而4#刀具的磨損依然平緩，處于正常磨損階段，表明軸向前角較大的刀具(1#，2#，3#)耐磨性差，這與前述表面粗糙度試驗結(jié)論一致；切削刃鈍圓半徑r0=20μm(5#)與相同軸向前角但鈍圓半徑r0=10μm(4#)相比較，磨損速度快，壽命縮短近40%。因此，切削刃鈍圓半徑r0的取值大小，對刀具后刀面的磨損和切削力的影響效應(yīng)遠(yuǎn)大于軸向前角，較大的鈍圓半徑會顯著加快刀具的磨損。

4 結(jié)語

(1)在高硬度深腔模具加工中，刀具采用較大軸向前角可以降低切削阻力，但當(dāng)切削長度增加到一定值后，其耐磨性劣勢顯現(xiàn)，磨損加快，加工表面精度降低。在模具精加工中，較高加工表面精度比高效率加工更重要，因此精加工銑刀應(yīng)選擇較小的軸向前角。

(2)加大切削刃鈍圓半徑可以增加刀刃強度，減小初期磨損量，但鈍圓半徑對后刀面磨損和切削阻力的影響遠(yuǎn)大于軸向前角的影響，較大的鈍圓半徑反而會降低加工表面精度并加快刀具的磨損。因此，在這類高硬度材料模具的加工中，采用可抑制初期磨損的鈍圓刃口時，鈍圓半徑不宜過大，否則會出現(xiàn)較大的負(fù)面效應(yīng)。

(3)通過切削試驗確定具體工況的最佳刃口參數(shù)，可以獲得優(yōu)良的加工表面質(zhì)量和最佳的刀具使用壽命。