在美國的模具制造業(yè)，始終保持技術領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增加企業(yè)贏利勃谎，但其中最容易提高企業(yè)效益的策略是采用先進的刀具技術。本文將介紹和分析刀具技術的最新發(fā)展動向业馒，以期對模具制造企業(yè)提高刀具技術水平有所裨益慷境。

　　要想提高刀具技術水平，具備可靠的刀具技術實用基礎知識十分重要蛾趣。決定切削刀具質量好壞的核心要素是刀具基體冗懦、刀具幾何參數(shù)和表面處理技術爽冕。在這些要素中，有一些特性對于模具的切削加工至關重要披蕉。

　　刀具基體

　　關于刀具基體我們需要了解一些什么呢颈畸？如果不難做到的話，你不妨拿起手邊的硬質合金刀具銑削一下H13或D2淬硬鋼工件没讲。正如大多數(shù)模具制造商都知道的眯娱，并非所有模具鋼的性能都完全相同。事實上爬凑，如果你曾經(jīng)體驗過從切削P20到切削D2淬硬鋼的變化徙缴，你就能正確理解本文討論的內容。這一點非常關鍵嘁信，因為它同樣適用于硬質合金基體材料于样。根據(jù)定義，硬質合金材料實際上可分為4種類型(見下表潘靖。數(shù)據(jù)來源：OSGTap&Die)穿剖。

　　硬質合金的分類表

　　硬質合金分類-晶粒尺寸

　　微米晶粒硬質合金-1.0～1.3μm

　　亞微晶粒硬質合金-0.6～0.9μm

　　超細微晶硬質合金-0.4～0.5μm

　　納米系列微晶硬質合金-0.1～0.3μm

　　硬質合金晶粒的尺寸越小，硬質合金基體的硬度就越高狱林，其耐磨性也越好水搀。再進一步細分涛帐，硬質合金基體包括兩個關鍵特性：韌性和硬度衙到。

　　(1)韌性

　　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)。通常以橫向斷裂強度(TRS)作為表示基體韌性的度量指標梯匠。

　　(2)硬度

　　硬度可以簡單地通過對一個堅硬的測頭施加精確載荷時在給定被測材料上留下的壓痕大小來測定贱避。材料越硬，抵抗變形的能力就越強扶绒。

　　硬質合金基體中的鈷含量直接影響材料的橫向斷裂強度(TRS)和硬度疙汁。鈷是硬質合金中主要的粘結劑元素。增加鈷含量可以提高基體材料的韌性(TRS)幅之，但同時會因硬度下降而降低材料的耐磨性语哺。反之，如減少鈷含量刑炎，材料的硬度和耐磨性將提高忽仗，而韌性則會下降。

　　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浦译，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)設計制造獨特的刀具棒假。

　　刀具幾何參數(shù)

　　新型高速機床加工技術的出現(xiàn)對刀具性能也提出了更高的要求，這些刀具在高主軸轉速和高進給率的加工條件下應保持穩(wěn)定的切削性能精盅。如今在高速/高硬銑削加工領域帽哑，普通硬質合金刀具的市場空間已越來越小谜酒，雖然此類刀具并非已完全退出市場，但目前市場流行的先進機床已不再使用20年前甚至10年前設計的硬質合金刀具妻枕，因為市場已經(jīng)完全變化了僻族。在硬銑削加工領域，刀具幾何參數(shù)的設計必須滿足剛性和精度兩方面的要求屡谐。

　　對于整體圓形刀具而言鹰贵，反映刀具剛性的主要指標是芯徑尺寸。立銑刀的標準芯徑為其直徑的50%康嘉。由于硬銑加工對刀具剛性的要求更高碉输，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亭珍，獲得的回報是刀體質量增大敷钾，剛性提高，在銑削淬硬材料時可為切削刃提供更好的支撐稿服。由于切削深度很少超過刀具直徑的10%絮增，因此容屑槽空間的減小不會成為太大問題。

　　在三維銑削加工中舀闻，刀具的“精度”通常是指“徑向精度”菜缭。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行手工修磨的程度。高質量的球頭立銑刀每隔10°就要檢測一次徑向精度手霎，而普通立銑刀的精度檢測常常要寬松得多宪郑，其結果是加工時刀具的誤差被傳遞到工件上，增加了額外的手工修磨工時杖进。

　　刀具的表面處理

　　高速切削和硬銑削的加工原理導致加工中產(chǎn)生的切削熱穩(wěn)定升高袁垄。因此，標準的PVD涂層(如TiN或TiCN涂層)已不再具有優(yōu)勢隧庐，TiAlN涂層無疑成為最佳選擇鼓临，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)定的加工場合士袜。由于溫度的升高角黍，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滑性并擴展了刀具性能蔫仙。通常TiAlN的氧化溫度約為800℃料睛。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%匀哄。

　　刀具基體秦效、幾何參數(shù)和涂層的技術創(chuàng)新

　　加工實踐表明，通過應用切削刀具在基體材料涎嚼、幾何參數(shù)和表面涂層方面的創(chuàng)新技術阱州，推動了模具加工技術的迅猛發(fā)展挑秉。

　　(1)新型刀具基體材料(微型工件的硬銑削)

　　傳統(tǒng)工藝：使用直徑3mm以下的硬質合金球頭立銑刀銑削淬硬工件(如D2或CPM-9V，硬度范圍HRC59～62)苔货，加工十分吃力犀概。在很多情況下，也使用相同的刀具來完成精加工夜惭。由于刀具直徑相對于工件尺寸非常小姻灶，以至于銑削時間通常要超過1～2小時。

　　新工藝：磨制的CBN球頭立銑刀是為硬銑加工而開發(fā)的新一代刀具诈茧。與TiAlN涂層硬質合金立銑刀相比铡畜，刀具硬度從Hv2800提高到Hv4500，這就意味著CBN刀具壽命可達到硬質合金刀具的5～10倍粗线。

　　如今那梭，磨削技術的進步使得CBN刀具螺旋刃的磨制成形成為可能，而過去因為磨削時砂輪易變形蚂霎，CBN螺旋刃的精確刃磨曾被認為難以實現(xiàn)竣恃。以前只有采用銑刀片和車刀片才能實現(xiàn)對硬度達HRC70的淬硬鋼精加工，如今采用CBN整體圓形刀具也能完成贷挠，其結果是可降低刀具的長期成本筝驱，改善加工表面光潔度和消除因更換刀具引起的刀痕。

　　(2)刀具幾何形狀設計新技術(例1：低主軸轉速春环、高進給率加工)

　　傳統(tǒng)工藝：由于無法達到獲得更快切削速度和更大進給量所必需的主軸轉速耽炎，缺少高速機床(主軸轉速15000～40000r/min)的模具生產(chǎn)車間只好被迫犧牲加工循環(huán)時間，從而導致生產(chǎn)效率低下亭郑，無法與采用高速機床的同行進行市場競爭相梭。

　　在硬銑削加工領域，刀具幾何參數(shù)的設計必須滿足剛性和精度兩方面的要求媳谁。

　　對于整體圓形刀具而言，反映刀具剛性的主要指標是芯徑尺寸友酱。立銑刀的標準芯徑為其直徑的50%晴音。由于硬銑加工對刀具剛性的要求更高，采用的芯徑尺寸占到直徑的60%～70%缔杉，從而犧牲了一部分容屑槽空間锤躁，獲得的回報是刀體質量增大，剛性提高或详，在銑削淬硬材料時可為切削刃提供更好的支撐系羞。由于切削深度很少超過刀具直徑的10%，因此容屑槽空間的減小不會成為太大問題霸琴。

　　在三維銑削加工中椒振，刀具的“精度”通常是指“徑向精度”昭伸。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行手工修磨的程度。高質量的球頭立銑刀每隔10°就要檢測一次徑向精度澎迎，而普通立銑刀的精度檢測常常要寬松得多庐杨，其結果是加工時刀具的誤差被傳遞到工件上，增加了額外的手工修磨工時夹供。

　　刀具的表面處理

　　高速切削和硬銑削的加工原理導致加工中產(chǎn)生的切削熱穩(wěn)定升高律愉。因此，標準的PVD涂層(如TiN或TiCN涂層)已不再具有優(yōu)勢喂磷，TiAlN涂層無疑成為最佳選擇俘巡，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)定的加工場合欲访。由于溫度的升高粒删，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滑性并擴展了刀具性能嫁商。通常TiAlN的氧化溫度約為800℃屁诬。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%捏趴。

　　刀具基體给惠、幾何參數(shù)和涂層的技術創(chuàng)新

　　加工實踐表明，通過應用切削刀具在基體材料筑唁、幾何參數(shù)和表面涂層方面的創(chuàng)新技術拌喳，推動了模具加工技術的迅猛發(fā)展。

　　(1)新型刀具基體材料(微型工件的硬銑削)

　　傳統(tǒng)工藝：使用直徑3mm以下的硬質合金球頭立銑刀銑削淬硬工件(如D2或CPM-9V饺饭，硬度范圍HRC59～62)渤早，加工十分吃力。在很多情況下瘫俊，也使用相同的刀具來完成精加工鹊杖。由于刀具直徑相對于工件尺寸非常小，以至于銑削時間通常要超過1～2小時扛芽。

　　新工藝：磨制的CBN球頭立銑刀是為硬銑加工而開發(fā)的新一代刀具骂蓖。與TiAlN涂層硬質合金立銑刀相比，刀具硬度從Hv2800提高到Hv4500川尖，這就意味著CBN刀具壽命可達到硬質合金刀具的5～10倍登下。

　　如今，磨削技術的進步使得CBN刀具螺旋刃的磨制成形成為可能叮喳，而過去因為磨削時砂輪易變形被芳，CBN螺旋刃的精確刃磨曾被認為難以實現(xiàn)。以前只有采用銑刀片和車刀片才能實現(xiàn)對硬度達HRC70的淬硬鋼精加工，如今采用CBN整體圓形刀具也能完成畔濒，其結果是可降低刀具的長期成本剩晴，改善加工表面光潔度和消除因更換刀具引起的刀痕。

　　(2)刀具幾何形狀設計新技術(例1：低主軸轉速咳讲、高進給率加工)

　　傳統(tǒng)工藝：由于無法達到獲得更快切削速度和更大進給量所必需的主軸轉速慕怀，缺少高速機床(主軸轉速15000～40000r/min)的模具生產(chǎn)車間只好被迫犧牲加工循環(huán)時間，從而導致生產(chǎn)效率低下灸颜，無法與采用高速機床的同行進行市場競爭阐祭。結語

　　在美國，模具制造商之間的競爭非常激烈拇从。雖然與三年前相比搬挡，模具企業(yè)的運營狀況已經(jīng)有了明顯好轉，但事實證明赠恭，在美國模具制造業(yè)不斷發(fā)生變革的今天术拇，只有那些始終站在技術研發(fā)前列的企業(yè)才會持續(xù)興旺發(fā)達。

　　現(xiàn)在應該重新審視那些曾經(jīng)認為已十分優(yōu)化了的刀具策略棱歹，以確保其始終處于技術領先地位祠烁，認識到這一點非常重要。本文提及的先進刀具技術表明馁梁，在刀具新技術方面的最小投資能使生產(chǎn)率饰吕、刀具壽命以及最重要的??生產(chǎn)效益獲得巨大的增長。

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