1 模具被加工材料種類、特性簡介

• 模具類型
• 模具材料簡介
• 客戶實際案例
• 小結
模具主要分為以下幾個類型：大型汽車外覆蓋件沖壓模具、普通塑膠注塑模具、PVC注塑模具、吹塑模具、五金沖壓及板金模具、熱擠壓模具、熱鍛模具等等。
每種不同的模具以及同一模具不同的部位所采用的材料有相當的差別，他的加工特性也有很大的區別。模具材料的種類極為繁多，由于篇幅原因，只介紹與本文相關的被加工材料。

1. C45W中炭鋼，牌號為S50C~S55C 45#鋼香港稱為王牌鋼，此鋼材的硬度為：HB170~HB220，模具有70%~80%的加工采用這種鋼材，加工大多數對象。
2. 40CrMnMo7預硬塑膠模具鋼，硬度HRC28~40很合適做一些中下價模具的鑲件，有些生產大批量的模具模架也采用此鋼材，好處是硬度比中炭鋼高，變形也比中炭鋼穩定，P20此種鋼由于在塑膠模具被廣泛采用，較為普遍的品牌有：718S、718H、738H、NAK80、NAK55等等，這種鋼材的應用占模具的15%~20%左右，他加工的難度要大于45鋼，主要為型芯和行腔加工。
3. fc250-fc350，fcd500-fcd700添加了Cu、Ni、Mo等合金，對總碳量Si、Mn、P、S、Mg等組成元素進行控制。因而在分子結構上由于晶體易于變形使之易于馬氏體化一直以來，國內汽車行業所使用的模具材料主要包括鑄態和鍛態兩大類。鑄態材料常用的 牌號為HT300、鉬鉻鑄鐵、鑄態風冷鋼(7CrSiMnMoV)，鑄鐵材質主要用于模具基體，鑄鋼材 質則用于鑲塊。鍛態材質常用的牌號為鍛態風冷鋼(7CrSiMnMoV)、Cr12MoV，主要用于汽車外覆蓋件模具。

2 汽車外覆蓋件模具粗加工用球頭銑刀

近年來，工業領域使用的刀具產品樣式不斷變化，且絕大多數的企業本著降低制造成本的生產理念，要求生產高精度、高品質的產品。這種現象在汽車行業的加工領域也不例外。針對客戶的要求，株鉆刀具技術公司采取的策略是：不斷提高刀具使用壽命以及縮短加工時間。株鉆最新推出了幾種新型高效刀具，在進行車門、保險杠、車架等零部件的沖壓模加工時，能夠大大提高刀具的使用壽命、降低加工成本。其中BMR03系列刀具就是其中之一。


圖1 株鉆BMR03系列粗銑球頭銑刀實物照片

該刀具的外觀圖見1。
該款刀具適用于汽車外覆蓋件模具粗加工時的型面強力輪廓仿形切削，一般來說，D50、D40的刀具進行型面開粗，D30的刀具進行型面的半精和圓弧過渡面的清根加工，被加工工件的材質主要是上面介紹的冷做模具鋼和鉬鉻合金鑄鐵，有些低檔的卡車模具為了降低成本具也采用GCr15鋼材和灰口鑄鐵，甚至采用A3鋼堆焊的毛坯生產。因此要求該刀具有極高綜合切削性能：1)適用于各種被加工材質的刀片槽型和結構；2)優秀的抗沖擊性能，強力銑削加工時不能出現切削刃意外崩缺；3)長的刀具使用壽命，一般客戶希望能夠不更換刀片情況下不間斷的加工完一個型面，對于加工一個大型模具意味著4~12小時的加工壽命；4)低的切削振動，這是制約加工效率的提高最難逾越的因素；5)高的形狀精度和高負荷加工下的刀具精度保持性；6)刀體高的可靠性。
該刀片的槽型是綜合考量各種實際切削因素并且通過長達兩年的用戶試驗，不斷優化而最終定型的。具體而言主要在以下幾個方面進行了優化設計：
圖2 A刀具切削力圖

圖3 B刀具切削力圖

1. 較傳統刀具更高的精度，刀片安裝在刀體后他與理想球體的理論誤差應該盡可小，而且曲線不能太復雜，而造成研磨困難。株鉆球頭銑刀的球形刃設計精度所有系列均為≤0.005MM，制造輪廓誤差≤0.05mm(ZOLLER測刀儀)；
2. 中心刀片的刀尖設計保證更低切削振動和抗沖擊性能，過中心區域切削速度極低(接近為零)。切削阻力極大，非常容易出現刀尖崩缺的現象。必須進行了大量的試驗室試驗和客戶實際試驗來提高刀片性能。
   舉例來說，其中有一項為切削阻力和切削振動對比試驗，試驗方案如下：試驗刀具AB兩種國外D40球頭銑刀，被加工材料為：P20HRC35，切削參數VN=3000，ap=0.5mm，ae=1mm，f=3000mm/min，測試儀器：KISTLER動態電荷測力儀。實驗結果見圖2～圖3。
   由上述圖可知：

   1. 其他條件相同的情形下，f=0.5mm/Z時，A刀具的最大主切削力Fx=400N，最大主切削力Fx=50N，最大振幅為350N，平均切削力為230N；
   2. 其他條件相同的情形下，f=0.8mm/Z時，A刀具的最大主切削力Fx=600N，最大主切削力Fx=80N，最大振幅為520N，平均切削力為290N；
   3. 其他條件相同的情形下，f=0.5mm/Z時，B刀具的最大主切削力Fx=800N，最大主切削力Fx=160N，最大振幅為640N，平均切削力為400N；
   4. 其他條件相同的情形下，f=0.8mm/Z時，B刀具的最大主切削力Fx=1000N，最大主切削力Fx=200N，最大振幅為800N，平均切削力為500N。
   由以上四點可知，在1mm的小切深情況下，在所有切削條件相同情況下，B刀具的刀尖受力情況明顯比A差很多，平均受力大了幾乎一倍，刀具在同等頻率下振動的振幅也明顯大得多，而上述切削參數在大多場合都是正常切削參數，這說明在刀具刀尖的處理上A刀具的設計方案明顯優越。而B刀具由于切削阻力和切削振動太大，且刀尖的切削前角僅為-20°，刀尖過于單薄，刀具的過中心刀尖非常容易崩缺。
   因此刀尖的形狀設計非常重要，他對刀具的實際切削效果有著非常顯著的影響。實際上優化設計刀尖形狀和參數是一個非常繁雜的過程，要平衡諸多因素，如切削振動、刃部強度、刀具使用的工藝特點、刀片材料特性、本身的工藝性等等，很難一蹴而就，要往返多次不斷的完善。
3. 刀片的槽型優化設計，球頭刀的圓弧切削刃各點的切削線速度都不相同，軸心區低，外部高，線速度的變化極大，因此各點承受切削阻力相差很大。
   

   圖4 切削速度對切削阻力的影響

   圖5 刀片槽型圖

   其原理見圖4，由圖可知切削速度低于某個值時，切削阻力會急劇增大，而高過此值時，變化會比較平緩，因此設計主切削刃棱帶、槽型主參數時必須遵循這個規律，對于球頭刀來說，設計為圖5變棱寬棱帶、光滑曲面的切屑導流槽、連續變化的前角、槽寬等等最為合適，配合前刀面的減振凸臺設計可以在保證刃口強度的基礎上盡可能的減少棱寬從而最大化減少切削阻力和抑制振動。分屑槽刀片，對于大直徑刀具D50、D40刀具和大懸長刀具來說，在進行過渡全刃接觸銑削時，幾乎難以加工，排屑非常困難。刀片極易被擠缺。這時需要采用分屑技術的刀片，具體見圖6。在實際驗證時，加工效率得到2倍以上的提高。
   

   圖6 分屑槽刀片實物照片

   圖7 刀具的疲勞損壞裂紋

4. 極限過載和疲勞破損校驗，進一步改進刀具結構，確保刀具能夠長期穩定切削。極限試驗主要用于檢測刀具在推薦的切削參數下安全性能，包括一系列的超載試驗。這需要投入極大的物力和精力，一個產品的開發必須包含此項驗證。這里列舉其中一項試驗：
   • 檢驗刀具：BMR03_040_G32_XP30_02_M 刀片 XPHT40R2004 牌號：YBG302
     被加工材質：NAK80 HRC40
   • 切削參數：Vn=2500 ap=5mm ae=4mm f=2000mm/min
   • 試驗結果：加工16小時后，刀具出現疲勞損壞裂紋，見圖7，刀體上部安裝刀片的刀槽底面與側面出現明顯的裂痕。刀體已經無法繼續使用。
   正是疲勞試驗發現了該試驗刀具的內在缺陷，為此進行了四次大的改進來解決這個問題，其中包括1)面與面間采用圓弧過渡，消除應力集中；2)更高精度的鎖進螺紋配合，提高刀片的安裝剛性；3)采用優質耐熱合金鋼制造刀體4)改變表面處理和熱處理工藝，提高抗疲勞性能。改進產品小批量客戶試驗證明消除缺陷的產品完全可以滿足實際使用的要求，現在大批量訂貨也沒有出現問題。
1. 汽車覆蓋件模具球頭銑刀加工案例1
   • 機床：意大利龍門三軸加工中心
   • 刀具：BMR030-G32-XP30-02-L刀片：XPHT30R1504 牌號YBG302
   • 被加工材料：FC600
   • 加工參數：Vn=3000r/min ap=4~8mm ae=4mm f=3000mm/min
   • 結果：加工前與加工后在線激光對刀儀檢測，精度與國外刀具相同，一次加工17小時刀具微見磨損，刀片刃口完好，小批量使用后性能與國外產品相同，建議批量訂貨取代國外刀具。
2. 模具球頭銑刀加工案例2
   • 機床：意大利龍門三軸加工中心
   • 刀具：BMR040-MT5-XP40-02-L 刀片：XPHT40R2004 牌號 YBG302
   • 被加工材料：鉬鉻鑄鐵 牌號不祥
   • 加工參數：Vn=2500r/min ap=8~12mm ae=8mm f=3000mm/min
   • 結果：精度明顯高于原刀具，加工時振動明顯低于原加工刀具，平均刀具的使用壽命和加工效率高于原來刀具的兩倍以上，批量加工未出現異常情況。
新型球頭銑刀較傳統刀具有較大優勢，實例證明其高效切削性能，比原來傳統球頭銑刀提高加工效率2倍以上，而刀具壽命更長，性能可以和國外先進廠家相當；批量應用證明該刀具性能穩定可靠，由于性價比高節約了刀具消耗成本。