模具制造业刀具技术发展趋势

　　对于切削刀具而言，当今模具制造商的追求目标是更长的刀具寿命、更低的刀具成本和更高的生产率水平。实现这些目标的共同挑战包括：必须保持更严格的尺寸公差和良好的表面光洁度，提高加工能力和生产率，缩短每个工件的加工时间和减少二次加工。

　　以下是多种刀具技术新进展的综合评述。这些技术进步包括在涂层技术、刀具几何形状、结构设计、刃口制备、硬铣削和优化粗加工等方面的进展可以帮助模具制造商更好地应对上述挑战。

 

技术进步与发展动向

　　总的来说，刀具新技术的持续发展将着眼于应对模具制造业的竞争特性，因为模具制造商对加工效率、生产率和可靠性要求很高。刀具供应商需要不断开发先进刀具来应对刀具发展趋势。例如在淬硬状态下（硬度HRC 48－70）切削加工公差要求更严格的模具工件就是这些趋势之一，这种加工方式可为模具制造商提供更多的灵活性。

　　刀片新牌号的研发和涂层技术的进步是一种发展趋势，将对模具制造商在全硬态下粗加工和精加工模具的能力产生影响。由于可以在工件淬硬后进行所有切削加工，因此大大缩短了加工准备时间。晶须增强的陶瓷刀片可以非常高的切削速度和进给率加工淬硬材料，并能承受硬质合金刀具难以承受的高温，加上其切削高硬合金的能力，可大幅提高模具加工车间的生产效率。

 

图1 新的刀片牌号和涂层技术的研发对模具制造商、设计师及加工工艺都产生了深刻影响

　　模具行业日益增多的加工任务促使车间投资购买最先进的加工设备，以实施硬铣削加工和提高生产效率。事实上，动态铣削法正变得日益流行，尤其是在使用整体硬质合金刀具时。这种加工方法需要新型机床才能提供的更快进给速度和更高主轴转速。

　　“动态铣削”是一种经过优化的粗铣加工方法（也称为剥铣法），它综合采用较大的切削深度和较小的径向吃刀量，可高效加工硬度达到HRC60或更高的淬硬钢。动态铣削法通过不断调整刀具路径，来保持恒定的切屑负荷和吃刀量，以确保实现高效切削。优化刀具路径的另一个目标是实现最大材料去除率。通过用铣刀的全刃长进行铣削，有助于消除采用不同切深进行切削的必要性。

　　与此相关的是，随着越来越多的加工车间考虑采用动态铣削法，一些软件公司已将该加工技术纳入自己的编程软件中。通过正确的CAM编程，动态铣削法的材料去除率可比传统铣削方法提高3倍。

　　随着创新刀具的不断出现，如何使这些刀具在CAM和加工仿真软件环境中更易于使用已成为关注的焦点。在对冗余度没有严格要求的模具制造环境中，加工编程往往会成为瓶颈。实际上，机加工之前在虚拟环境中对加工程序进行仿真验证至关重要。简言之，将刀具切削参数自动植入CAM加工程序已渐成趋势，而这反过来又使编程人员能充分利用长期积累的刀具使用经验。

　　模具加工的另一个重要动向是轻型高速切削技术的持续发展，它提供了更轻、更快、能更高效利用当今机床能力的模具加工方式。球头立铣刀的使用正在减少，人们更愿意采用圆刀片刀具（纽扣铣刀）。虽然长期以来，球头立铣刀一直是模具加工的首选刀具，但用纽扣铣刀也能完成相同的加工任务。同时，纽扣铣刀在进行大进给高速铣削时，可以提供更好的安全性和较小的刀具压力。其重要性在于，可在不降低可靠性的情况下进一步减小刀具压力。同样，加工编程/建模软件的开发将把新的加工技术引入模具制造业，并对今后的刀具设计提出了新的要求。

 

图2  能更有效利用现代机床加工能力的轻型高速铣削是模具加工的一个重要动向

　　在铣刀上更多地采用双面刀片设计，通常可将刀片的切削刃数目增加一倍，并能最有效地利用购买的硬质合金刀具。如今（以及不久的将来）的刀具构成要素包括几何形状、刃口制备以及高速剪切工件和切削各种越来越难以加工的材料所需的刚性。

　　模具制造业其他一些趋势包括刀具几何形状、结构设计、涂层和刃口制备技术也在改进，制造商不断修改和完善刀具设计，以最大限度地提高刀具性能。其中，金刚石涂层硬质合金刀具的使用在不断增多，PVD-DLC金刚石涂层可以提供卓越的价值和性能。同时，刀具制造商也正在通过提高刀具表面光洁度和刃口制备/钝化，努力改善刀具切削性能。微喷砂、研磨和毛刷钝化处理可以降低切削表面的摩擦系数和改善切削刃的完整性，从而提高工件表面光洁度和延长刀具寿命。

　　刀具制造商一直在对现代刀具的几个关键要素，独具特色的刀片槽型、硬质合金基体、切削刃制备技术（如钝化）和高科技涂层持续进行二次开发和优化设计。为了优化切削性能，刀具制造商正在更多地利用这四个设计要素。现在，有许多刀具制造商在重新考虑如何利用先进CAM软件生成的某些类型的刀轨算法，来优化某些可转位刀片几何槽型的切削性能。今后，刀具企业将与用户更密切地合作，使用户认识到整个加工流程的重要性，让用户知道，为了使自己的刀具性能处于最佳状态，需要优化哪些关键的加工变量。

 

刀具产品与开发成果

　　为了有针对性地应对模具制造业面临的挑战和发展趋势，刀具制造商正不断推出各种性能先进的刀具产品。

　　山特维克可乐满与自己的用户、机床制造商和大学合作，开发各种加工解决方案，这使该公司更为重视切削动作轻快、可靠性高的刀具设计。他们将自己的刀具与新的机床技术和材料应用趋势联系起来，为模具制造业提供具有创新性的加工技术，使用户能充分利用加工技术快速进步带来的好处。

　　Greenleaf公司新推出的陶瓷刀片和硬质合金刀片牌号根据高硬模具材料的粗铣和精铣加工要求进行了优化设计。球头铣刀、牛鼻铣刀、大进给铣刀、旋入式模块化刀头和加长型硬质合金刀杆等新产品都是针对模具制造业专门研制的。为了延长刀具寿命、降低刀具成本，一种解决方案是用既可以夹持硬质合金刀片，也可以夹持陶瓷刀片的刀片式铣刀替换整体硬质合金铣刀。更换可转位刀片的成本要远远低于整硬铣刀的重磨成本，而且可以大大缩短装刀时间。整硬铣刀经多次重磨后，其切削性能与新刀相比有所下降，而可转位刀片的切削面始终是新的。

　　为了满足动态铣削各种钢件的需求，山高公司2012年推出了一款采用长切削刃和带分屑槽的高效四刃方肩立铣刀JabroTM Solid² JS554 3C。动态铣削需要以很高的进给速度快速切除大量工件材料，往往会形成粗大的长切屑，并造成堆积堵塞。这种新型立铣刀利用分屑槽将切屑分断为易于排出的细小切屑，成功解决了这一难题。此外，其长切削刃和分屑槽设计与动态铣削法相结合，可确保切屑负荷均匀一致，达到提高生产率水平、延长刀具寿命的目的。

 

图3 可为模具制造商提供更多灵活性的硬态切削和加工精度日益提高已成为模具加工的发展趋势

　　Walter公司针对淬硬材料的硬铣加工推出了新的铣削系列Protomax Ultra。铣削淬硬材料时，该铣刀的金属去除率比传统铣刀更高。此外，Walter公司还制定了多层次的客服计划，帮助用户优化整个刀具应用流程，服务领域包括规划、制造、物流、维修和培训。

　　为了实现切削刀具在CAM中的智能化应用，伊斯卡公司与CAM软件开发商（如Mastercam公司）建立了合作关系。伊斯卡指出，软件开发商是将其现有的刀具数据植入CAM软件和实现更有效编程的关键，自动输入的刀具数据减少了加工出错的可能性（这种错误往往会付出昂贵的代价），并增大了充分利用刀具潜能的可能性。

　　为了满足当今模具制造商对加工效率、生产率和可靠性的要求，Emuge公司推出了Duplex立铣刀系列产品（包括Multi-Cut Duplex和Jet-Cut Duplex立铣刀），这是该公司“高效切削（HPC）”立铣刀计划的一部分。Multi-Cut Duplex立铣刀的刃槽设计使其可以快速切除在模具制造中常用的构造钢材料。该铣刀还采用了Time-S大进给可转位刀片式铣刀的设计技术，在铣削类似工件材料时可达到非常高的材料去除率。由于该铣刀集成了多种设计特点，因此能用同一把刀具完成多种不同的模具粗铣加工，包括深型腔结构或深凹槽铣削、三维铣削和五轴加工。与此类似，Jet-Cut Duplex立铣刀将HPC精铣刀和Time-S大进给铣刀的优势集于一身，能用于半精铣、精铣和硬度高达HRC66的硬铣削加工。这些通用型Duplex立铣刀采用耐磨性极好的硬质合金基体，并涂覆了耐热涂层，可获得最佳刀具寿命。在通常需要不同类型的多把立铣刀才能完成的各种铣削加工中，Duplex立铣刀都具有极好的加工重复性。

　　英格索尔刀具公司一直在开发和/或完善能充分利用最佳切削几何形状和特殊涂层工艺的各种新技术。其新开发的GOLD-RUSH涂层牌号已被证明能卓有成效地提升切削性能。这种新的涂层技术能在连续和断续切削时稳定和延长刀具寿命；降低切削摩擦，最大限度地减少切削难加工材料时产生的积屑瘤；提供良好的加工表面光洁度，以及提高涂层的附着力和刀片的抗崩刃能力。

　　要达到特定的表面光洁度要求，可能需要量身定制或改进刀具的几何刃状和结构。为了优化工件表面质量，就必须提高刀具刚性，或采用能提高切削自由度的几何刃形。延长刀具寿命是永恒的要求，但有些刀具寿命要求要具体落实到某个特定的工件上。通过采用特定的硬质合金牌号、涂层和刃口制备方式，优化调整刀具的切削性能，并提供要求的切削时间。

 

图4 采用特定的硬质合金牌号、涂层和刃口制备技术可以优化刀具的切削性能

　　刀具联盟/圆刀具实验室提供的硬质合金刀具技术还包括一些专有工艺，包括能刃磨出更光滑切削刃表面的SmoothGrind精磨工艺、SmoothCoat、SmoothContricity和SmoothEdge工艺以及获得专利的SmoothFlute可变螺旋刃几何形状。这些工艺为制造出能提供最高铣削性能和加工价值的刀具发挥了重要作用。

　　与模具制造商紧跟刀具技术最新进展和采用创新刀具同样重要的是，让刀具供应商尽早参与加工流程。如果生产链中的每一个环节，模具制造商、机床供应商、刀具制造商、软件供应商等都能充分沟通和密切合作，则每一方都将获益非浅。

　　如果刀具商从最开始的零件设计一直到选择加工策略，始终与用户保持密切协作，就能使他们获益良多。通过在项目的早期阶段进行优化设计，就可以成功应对各种挑战，如提高生产率和节约加工成本。对于任何加工难题，都必须采取一种开放的态度去解决，并综合考虑整个加工流程。