作者：胡紅兵 編譯 來(lái)源：《工具展望》
F*4Qa Tc3ih~LvG 在美國(guó)的
模具制造業(yè)，始終保持技術(shù)領(lǐng)先可能就是贏利大戶與一般企業(yè)之間的區(qū)別。雖然可以采用各種策略來(lái)增加企業(yè)贏利，但其中最容易提高企業(yè)效益的策略是采用先進(jìn)的
刀具技術(shù)。本文將介紹和分析刀具技術(shù)的最新發(fā)展動(dòng)向，以期對(duì)模具制造企業(yè)提高刀具技術(shù)水平有所裨益。
m{lRFKx>s dVVvG] 要想提高刀具技術(shù)水平，具備可靠的刀具技術(shù)實(shí)用基礎(chǔ)知識(shí)十分重要。決定
切削刀具質(zhì)量好壞的核心要素是刀具基體、刀具幾何參數(shù)和表面處理技術(shù)。在這些要素中，有一些特性對(duì)于模具的切削加工至關(guān)重要。
>b4YbLkI# G rLM${G 刀具基體
"` jZ(+ G{:af:5Fo 關(guān)于刀具基體我們需要了解一些什么呢？如果不難做到的話，你不妨拿起手邊的硬質(zhì)合金刀具
銑削一下H13或D2淬硬鋼工件。正如大多數(shù)模具制造商都知道的，并非所有模具鋼的性能都完全相同。事實(shí)上，如果你曾經(jīng)體驗(yàn)過(guò)從切削P20到切削D2淬硬鋼的變化，你就能正確理解本文討論的內(nèi)容。這一點(diǎn)非常關(guān)鍵，因?yàn)樗瑯舆m用于硬質(zhì)合金基體材料。根據(jù)定義，硬質(zhì)合金材料實(shí)際上可分為4種類(lèi)型（見(jiàn)表1。數(shù)據(jù)來(lái)源：OSG Tap & Die）。
y13CR2t6 t)oES>W1 表1 硬質(zhì)合金的分類(lèi)
a(x.{ }uG, 硬質(zhì)合金分類(lèi)－晶粒尺寸
_yxe2[TD 微米晶粒硬質(zhì)合金－1.0～1.3μm
Y1yXB).AH8 亞微晶粒硬質(zhì)合金－0.6～0.9μm
0l(E!d8&' 超細(xì)微晶硬質(zhì)合金－0.4～0.5μm
]*g ss'N 納米系列微晶硬質(zhì)合金－0.1～0.3μm
^i`3cCFB< K{= r .W 硬質(zhì)合金晶粒的尺寸越小，硬質(zhì)合金基體的硬度就越高，其耐磨性也越好。再進(jìn)一步細(xì)分，硬質(zhì)合金基體包括兩個(gè)關(guān)鍵特性：韌性和硬度。
ZM-/n> =0s`4Y"+ （1）韌性
f#;ubfi"z r>@ B+Xi 基體的韌性定義為基體材料碎裂前施加于其上的徑向力大小（N/mm）。通常以橫向斷裂強(qiáng)度（TRS）作為表示基體韌性的度量指標(biāo)。
*C3uMiz n~"g'Y （2）硬度
|~/3u/ x;ER RK 硬度可以簡(jiǎn)單地通過(guò)對(duì)一個(gè)堅(jiān)硬的測(cè)頭施加精確載荷時(shí)在給定被測(cè)材料上留下的壓痕大小來(lái)測(cè)定。材料越硬，抵抗變形的能力就越強(qiáng)。
aR="5{en{: f*|8n$% 硬質(zhì)合金基體中的鈷含量直接影響材料的橫向斷裂強(qiáng)度（TRS）和硬度。鈷是硬質(zhì)合金中主要的粘結(jié)劑元素。增加鈷含量可以提高基體材料的韌性（TRS），但同時(shí)會(huì)因硬度下降而降低材料的耐磨性。反之，如減少鈷含量，材料的硬度和耐磨性將提高，而韌性則會(huì)下降。
] } 5I>l >tmnj/=& 高水平的切削刀具制造商研究和掌握了各種基體材料的性能差異后，就可以采用不同的基體材料為不同的加工用途（從容易翹曲的鋁材加工到淬硬模具鋼的高速銑削）設(shè)計(jì)制造獨(dú)特的刀具。
)I Y 5Y +Dq |l} 刀具幾何參數(shù)
YoV^xl6g ?b*/ddIs 新型高速機(jī)床加工技術(shù)的出現(xiàn)對(duì)刀具性能也提出了更高的要求，這些刀具在高主軸轉(zhuǎn)速和高進(jìn)給率的加工條件下應(yīng)保持穩(wěn)定的切削性能。如今在高速/高硬銑削加工領(lǐng)域，普通硬質(zhì)合金刀具的市場(chǎng)空間已越來(lái)越小，雖然此類(lèi)刀具并非已完全退出市場(chǎng)，但目前市場(chǎng)流行的先進(jìn)機(jī)床已不再使用20年前甚至10年前設(shè)計(jì)的硬質(zhì)合金刀具，因?yàn)槭袌?chǎng)已經(jīng)完全變化了。在硬銑削加工領(lǐng)域，刀具幾何參數(shù)的設(shè)計(jì)必須滿足剛性和精度兩方面的要求。
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L/p.@ SmT+L,:D 對(duì)于整體圓形刀具而言，反映刀具剛性的主要指標(biāo)是芯徑尺寸。立
銑刀的標(biāo)準(zhǔn)芯徑為其直徑的50％。由于硬銑加工對(duì)刀具剛性的要求更高，采用的芯徑尺寸占到直徑的60%～70%，從而犧牲了一部分容屑槽空間，獲得的回報(bào)是刀體質(zhì)量增大，剛性提高，在銑削淬硬材料時(shí)可為切削刃提供更好的支撐。由于切削深度很少超過(guò)刀具直徑的10%，因此容屑槽空間的減小不會(huì)成為太大問(wèn)題。
D% v:P Yf = A0"0D{\ 在三維銑削加工中，刀具的“精度”通常是指“徑向精度”。球頭立銑刀的徑向精度可以反映模具型腔和型芯加工完后尚需進(jìn)行手工修磨的程度。高質(zhì)量的球頭立銑刀每隔10°就要檢測(cè)一次徑向精度，而普通立銑刀的精度檢測(cè)常常要寬松得多，其結(jié)果是加工時(shí)刀具的誤差被傳遞到工件上，增加了額外的手工修磨工時(shí)。
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r }i 刀具的表面處理
8(vC jL 1BMV=_ 高速切削和硬銑削的加工原理導(dǎo)致加工中產(chǎn)生的切削熱穩(wěn)定升高。因此，標(biāo)準(zhǔn)的PVD涂層（如TiN或TiCN涂層）已不再具有優(yōu)勢(shì)，TiAlN涂層無(wú)疑成為最佳選擇，其首要原因是TiAlN涂層具有較高的氧化溫度，使其更適合于切削溫度高而穩(wěn)定的加工場(chǎng)合。由于溫度的升高，TiAlN涂層中包含的鋁上升到刀具表面形成一層氧化鋁薄膜，這層薄膜提供了更好的潤(rùn)滑性并擴(kuò)展了刀具性能。通常TiAlN的氧化溫度約為800℃。在硬銑削加工中，多層TiAlN涂層的刀具壽命可比單層TiAlN涂層提高約35%～50%。
AMh37Xo j{Yt 70Wv 刀具基體、幾何參數(shù)和涂層的技術(shù)創(chuàng)新
NSMjr_ L;.VEz! 加工實(shí)踐表明，通過(guò)應(yīng)用切削刀具在基體材料、幾何參數(shù)和表面涂層方面的創(chuàng)新技術(shù)，推動(dòng)了模具加工技術(shù)的迅猛發(fā)展。
ny!lj a5[ Zzw}sZ?8 （1）新型刀具基體材料（微型工件的硬銑削）
d{iu+=NXz f"Z qA'KB# 傳統(tǒng)工藝：使用直徑3mm以下的硬質(zhì)合金球頭立銑刀銑削淬硬工件（如D2或CPM-9V，硬度范圍HRC59～62），加工十分吃力。在很多情況下，也使用相同的刀具來(lái)完成精加工。由于刀具直徑相對(duì)于工件尺寸非常小，以至于銑削時(shí)間通常要超過(guò)1～2小時(shí)。
R\9>2*w CU#L *kz 新工藝：磨制的CBN球頭立銑刀是為硬銑加工而開(kāi)發(fā)的新一代刀具。與TiAlN涂層硬質(zhì)合金立銑刀相比，刀具硬度從Hv2800提高到Hv4500，這就意味著CBN刀具壽命可達(dá)到硬質(zhì)合金刀具的5～10倍。如今，磨削技術(shù)的進(jìn)步使得CBN刀具螺旋刃的磨制成形成為可能，而過(guò)去因?yàn)槟ハ鲿r(shí)砂輪易變形，CBN螺旋刃的精確刃磨曾被認(rèn)為難以實(shí)現(xiàn)。以前只有采用銑刀片和車(chē)刀片才能實(shí)現(xiàn)對(duì)硬度達(dá)HRC70的淬硬鋼精加工，如今采用CBN整體圓形刀具也能完成，其結(jié)果是可降低刀具的長(zhǎng)期成本，改善加工表面光潔度和消除因更換刀具引起的刀痕。
~4MtD f 2p$n*|T&c （2）刀具幾何形狀設(shè)計(jì)新技術(shù)（例1：低主軸轉(zhuǎn)速、高進(jìn)給率加工）
dl*_ m3T ]/aRc=Gn 傳統(tǒng)工藝：由于無(wú)法達(dá)到獲得更快切削速度和更大進(jìn)給量所必需的主軸轉(zhuǎn)速，缺少高速機(jī)床（主軸轉(zhuǎn)速15000～40000r/min）的模具生產(chǎn)車(chē)間只好被迫犧牲加工循環(huán)時(shí)間，從而導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下，無(wú)法與采用高速機(jī)床的同行進(jìn)行市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。
P|unUW(P S4l)TtY 新工藝：采用專(zhuān)利技術(shù)設(shè)計(jì)的新一代刀具可以實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速/高進(jìn)給銑削加工。這種新的刀具幾何形狀設(shè)計(jì)采用了三維負(fù)切削角，其負(fù)前角沿切削刃的長(zhǎng)度從小到大不斷變化。
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