合理選擇立銑刀實現模具高效加（jiā）工
2023-7-14 來源：尚亞國際貿易公司（sī） 作者： 章宗城
使金屬（shǔ）塑料等原材料（liào）坯料（liào）成形達到所需的形狀和性質而（ér）使用的模型器具稱模具。用模具可大批量（liàng）穩定地加工成型出同一形狀尺（chǐ）寸的產品，每（měi）個產品都能達到一定的精度、性能和使用壽命。使用模具的效果是使產品生產過程的（de）經濟性生產效率和可信賴（lài）度均能（néng）大幅（fú）度提高（gāo）。圖 1 是模具的種類和利用模具製造的（de）代表產品。
圖 1
1. 模具加工製造（zào）
模具（jù）製造一般多屬單件小批量生產（chǎn）。通常生產流程大致是 : ①根據產品形狀尺寸形狀進行模具（jù）設計 ; ②對模腔等主（zhǔ）要表麵加工進行數控編程 ; ③同時進行原材（cái）料準備、下料、必要的熱處理，對工（gōng）件的設計和工藝的（de）基準（zhǔn）平麵進行加工 ; ④對模具的型麵加工 ; ⑤組裝、合模、檢測、試模和必要的返（fǎn）工修理。
考慮到（dào）要消除每次加工中（zhōng）產生的內應力和變形，逐漸減少坯（pī）件和前道工序（xù）的形狀誤差，合理使用機床、刀（dāo）具、插入中間檢查及相關（guān）處理等原因。模具（jù）在（zài）機械加工時，應劃分幾個加工階段 : ①粗加工，其主（zhǔ）要任（rèn）務是切除大部分加工餘量 ; ②半精加工，任務是消（xiāo）除粗加工留下（xià）的缺陷（xiàn）和誤差，為精加工作準備 ; ③精加工，使主要表麵達到圖紙要求 ; ④光整加工，有（yǒu）更高精度和表（biǎo）麵質量要求的表麵，如精度和表麵粗糙度要求高（gāo）於等於 IT6 級和 Ra 0.2μm 時。模具的（de）各（gè）表麵在各自加工階段宜使用不同的刀具，以發揮各自特長達到它們最大的加工效（xiào）能。
2. 立銑刀的選擇
模具除工藝基準麵等（děng）為平麵外，主要加工的型腔中多為各種複雜的型麵，中、大型模具多采用裝可轉位刀片和（hé）刀頭的各類立（lì）銑刀，這類立銑刀（dāo）刀片安裝方便，一個刀角磨損後，即可轉位更換使用（yòng）另一刀角，經濟高效實用。
立銑刀不論是整體的或裝刀片、刀頭（tóu）的，都按其（qí）頭部形狀分類，轉角（jiǎo）呈直角的稱直角頭立銑刀，呈圓弧的稱為圓弧頭立銑刀，頭部為半個（gè）球體的稱為球（qiú）頭（tóu）立銑刀（dāo）。據模具被加工表（biǎo）麵（miàn）不同尺寸、形狀，可分別采用不同種類尺寸和頭型式樣的（de）立銑刀。一般模（mó）具除少（shǎo）數直角表麵需用直角（jiǎo）頭立銑刀加工（gōng）外，型腔中大部分的平麵、成形表麵，曲麵的粗加工和半精加工，采用裝多種形狀可（kě）轉位刀片的（de）球頭立銑刀（dāo）或圓弧頭立銑刀。精加工則采用整體的球頭或（huò）圓弧頭立銑刀，或裝高精度球頭或圓弧刀（dāo）頭刀片的機夾式立銑刀。
球頭立銑刀（dāo）和（hé）圓弧頭立銑刀都可以加（jiā）工模具的曲麵、斜麵、平麵和各種成形表（biǎo）麵。實際加工中（zhōng），應該如何選用呢？一般小直徑的球頭立銑刀加（jiā）工自（zì）由度大，各種曲麵、成形麵、凸模、凹模都能加工。但圓弧頭立銑（xǐ）刀除一些凹（āo）模（mó）難以加工外，各種表麵也都能加工，且有獨特的優點。具體比較（jiào）可參考以（yǐ）下幾方麵 :
（1）型腔深部圓弧的加工
圖 2 型腔深部轉角圓弧加工比較
如圖 2 所示，由（yóu）於部位比較深，刀杆的懸伸長（zhǎng）度長，球頭立銑刀為滿足小圓（yuán）弧加工要求，不（bú）得不用細的刀（dāo）具刀柄，極易（yì）變形。為提高這部分的加工質量，關（guān）鍵是刀具剛性好，應避免（miǎn）因刀杆刀具變形引起的讓刀。讓刀（dāo）的結果會造成側壁加工誤差，從（cóng）而加重後道鉗工修磨工序的工作量，延長交貨期。由圖 2 可知，圓弧頭（tóu）立銑刀（dāo）可利用其圓弧較小的轉（zhuǎn）角一次（cì）方便地加工出來，圓弧頭立銑刀直徑不受倒圓圓弧半徑影響，可采用較粗的（de）剛性大的刀具（jù）及刀柄，加工精度高，圖 1 中EM（END MILL）指立銑刀。
（2）減少消除接刀（dāo）痕跡
圖 3 消除接刀加工痕跡高度差
圖3所示，通常還有（yǒu）這樣情況，由於（yú）分工序加工，粗加工時為提高效率（lǜ）先用大直（zhí）徑為Ф10mm，即球頭半徑為 R5mm 的球頭立銑刀加工 A 部和 B 部（bù），為了加工出 R2mm 的（de）圓角，再換用直徑（jìng）為 Φ4mm 球頭半徑為 R2mm 的立銑刀加工出 R2mm 圓角。兩把刀（dāo）接替（tì）加工，就會產生接（jiē）刀痕（hén）跡（高度（dù）差）。這（zhè）個痕跡和（hé） “差” 須通過以後（hòu）的鉗工研磨（mó）等工序（xù）修正。但（dàn）若一開始就用剛性更好的 Ф10mm×R2mm 圓弧頭立銑刀，一次就可把 A 部、B 部、C 部加工出來。刀具的數量可減少，接刀痕跡的高度差也能消除，後續鉗工（gōng）工作量甚至可不需要。
（3）平麵部（bù）分加工比較
圖 4 平麵加工（gōng）比較
如圖 4 所示，平麵加工圓（yuán）弧頭和球頭二者均可，應該比較（jiào）一下它們的生產效率。生產效率可（kě）以刀（dāo）具轉一圈自身（shēn）徑向移動的距離，即周期進（jìn）給量 PF 大小來比較（在相同的背吃刀量 ap 條件下，PF 就是側吃刀量 ae 值）。球頭立銑刀的中心切削速度為 “零（líng）”，為保證達到一定的表麵粗糙度，它的 PF 值也就是進給量（liàng）小於圓弧頭立銑（xǐ）刀。故以加工模具中的平（píng）麵來比較，圓弧頭立銑刀的加效率高於（yú）球頭立銑刀。
（4）斜麵加工比較
圖 5 斜麵加工生產效率（lǜ）比較（jiào）
如圖 5 所示，若在二者直徑完全（quán）相同（tóng）情況下，可知球頭立銑刀（dāo）的頭部圓弧半徑（jìng） Rb 大於一般圓弧頭立銑刀頭部圓弧半徑 Rr，因此球頭及銑刀的斜向周期進（jìn）給量 PF 較大。加工斜麵時，為保證達到同樣的粗（cū）糙度，球（qiú）頭立銑刀的（de）生產效率可比一般圓弧頭立銑刀高。如果再（zài）增加（jiā）球（qiú）頭立銑刀直徑和齒（chǐ）數，可以進一（yī）步提高生產效率。
由上比較可知，球頭立銑刀適應性廣，斜麵加工生產效率較高。而（ér）加工平麵，加工深（shēn）部弧麵，為減（jiǎn）少接刀痕（hén）跡，減少刀具數量，減少鉗工工（gōng）作量等，考慮加工模具的綜合效率（lǜ）和經濟性方麵，圓弧頭立銑刀則有更多的優點。
3. 案例分析（xī）
現以汽（qì）車發動機曲軸和連（lián）杆的鍛壓模（mó）具（jù）型腔選擇立銑刀加工為例，刀具選擇三菱公司產品，如圖 6 所示（shì）。
圖 6 幾種高效模具加工用立銑刀（AJX 型圓弧頭、SRM2型球頭、SRF 和 VC 型高精球頭、ARX 型圓弧頭、 VF型（xíng）高精球頭）
（1）某衝壓模具（見圖 7）材料為球墨鑄鐵FCD500，粗加工采用 Ф80AJX 型 5 刃立銑刀，裝有帶圓角特殊（shū）三角形正前角的刀片而構成圓弧頭立銑刀（據其不同（tóng）直徑可裝有帶 3~8 片（piàn）刀（dāo）片），圖 6 中可見，刀片上主刀刃具有（yǒu）兩（liǎng）重較小的主偏角，副刀刃構成的副偏角為 “零”，這種結構即使大進給時也能加工（gōng）出很好的表麵粗糙度。根據（jù）粗糙度理論高度 h ≈ f2/8R ，即粗糙度高度與 8 倍的刀尖圓（yuán）弧半徑成反比，與進給量平方成正（zhèng）比，一般圓形刀（dāo）片圓弧半徑 R 比其他形狀刀片刀尖的圓弧半徑大，故在同樣（yàng）條件下，加工表麵粗糙度低許多。但（dàn） AJX 型立銑刀的刀片副偏角 =0°，圓弧半徑相當等於無窮大，以它加（jiā）工後理論粗糙度也應為 “零”，當然還有振動塑形變形等因素影響粗糙（cāo）度，因此在副（fù）刀刃長度範圍內可使進給量增至最大，提高（gāo）了效率（lǜ），表麵粗糙度值也非常低。雖然進給量增大，切削（xuē）力也會增大許多，但由於它具有小的主副（fù）偏角，使切（qiē）削力的徑向分力（lì）很小，刀杆不易在徑向（xiàng）產生撓曲變形。
圖 7 衝壓模具
圖 8 曲軸鍛造模具（jù）
AJX 型立銑刀（dāo）另（lìng）一優點是當刀具不斷向下切入時，受力位（wèi）置始終不變，不易產生振（zhèn）動振顫，切（qiē）削非常穩定，故還適宜薄壁模具的加工。特殊三角形的刀片主刀刃的另一側向上抬起，使加工時切屑易於排出。AJX 型刀片的外麵帶有新開發的 Al-Ti-Cr-N 複合多（duō）層塗（tú）層，硬度高達 HV3000，多層塗層特別（bié）強（qiáng）韌，能阻止裂紋延伸，塗層的外層摩（mó）擦係數很低，僅為 0.4，按不（bú）同被加工材料（liào），塗（tú）層成（chéng）分可以變換。加工此衝壓模具時切削速度達 125m/min，進給速度達（dá）3000mm/min。
此衝壓模具的其他型麵粗（cū）、半精加工，也可采用 SRM2 型 Ф50mm 球頭立銑刀，它裝有特殊設計的柳葉形的內刃和外刃（rèn）刀片，和長方形的外周刃刀片，主要切（qiē）削的內外刃刀片帶波（bō）形分屑槽，可使切（qiē）削阻力減小。刀片的（de）材質采用超微粒（lì）硬質合金和導熱（rè）性好（hǎo）的（de） RT 類硬質合金，刀柄剛（gāng）性很高，柄部形狀有複合型、莫氏錐度型、直柄型。刀片材質是 VP15TF，即超微粒硬質（zhì）合金 TF15加專利的 AlTiN 塗層，加工時切削速度達 190m/min，進給速度達 650mm/min。
精加工較開闊的部（bù）位可采用 SRF 型球頭（tóu）立銑刀（球頭半徑 R=15mm），裝有單片雙刃半圓 S 形刀片，球（qiú）頭半徑精度（dù）高達 R ±0.006mm，加工後可達到整體硬質合金（jīn）立銑刀的切削精（jīng）高效精加工狹小和較深部位，可采用整體超微粒硬質合金帶（dài） (AlTi)N 塗層的長球頭立銑刀VC3LB（R=5），切削速度 =190m/min，進給速度 =1800mm/min。
（2）某曲軸鍛造模具（材料 SKT4，硬度HRC50，見圖 8），粗加工采用了裝（zhuāng）有圓形正角刀片構成的 4 刃 Ф25mm 的 ARX 型圓弧頭（tóu）立銑刀，刀片為精密（mì）模壓製出（chū），比帶角度的（de）刀（dāo）片刀頭強度大，難以損傷，轉位後得到新刀刃的數量多，耐用。不同切（qiē）深時（shí），主偏角（jiǎo） 0° ~90°，切削負荷逐漸增大，能在各個方向上切削（xuē）軌跡過渡區域，加工（gōng）表麵平滑，可為精加工留下小而較均（jun1）勻的加工餘量。
圓形刀片比一般（bān）帶圓弧頭刀片的圓弧半徑大，為達到較好的（de）表麵粗糙度就要采用更大的（de）進給量 f，即可以更（gèng）高效率完成加（jiā）工，刀杆中（zhōng）心可通冷（lěng）卻液（yè），加工（gōng）此（cǐ）模具切削速度 160m/min，進（jìn）給速度 2400mm/min，刀片材料和塗層也是VP15TF。半精加工（gōng）采用同前的 SRM2（R10）球頭立銑刀，切削速度 160m/min, 進給速度200mm / min; 精加工也采用了 SRF 型（R =8）球頭立銑刀，切削速度 200m/min, 進給（gěi）速度1000mm/min。較小型麵的細部和較深部的精加工，采用（yòng）整體錐形 4 刃球頭立銑刀 VC4STB（R4）（ 切 削 速 度 190m/min， 進 給 速 度 3000mm/min）和 2 刃長頸球頭立銑刀 VC2XLB（切削速度 125m/min，進給速度 1000mm/min）。模具材料淬硬後硬度很高，以上立銑刀所選擇采用的材料和塗層能順利滿（mǎn）足加工需求。
（3）連杆鍛造模具（見圖 9）的材料（liào）為模具鋼 SKD61（ 相 當 40CrMoV5）， 硬 度 HRC50，粗加工和半精（jīng）加工（gōng）采用 ARX 型立銑刀，直徑和刃數僅為 Ф10mm 和 2 刃，切削速度 80m/min，進給速度 800mm/min。本例立銑刀兩圓形刀片相切構成中心刃，這樣刀具一次（cì）安裝可以進行如圖 10 所（suǒ）示的多種（zhǒng）表麵加工，甚至（zhì）全部加工，各表麵（miàn）的相互位置精度高。
圖 9 連杆鍛造模具
圖 10 ARX 型圓弧頭立銑刀可實現的加工
半（bàn）精加工采用 SRF 型球頭立銑刀（R8）（切削速度 100m/min，進給速度1200mm/min）和整（zhěng）體（tǐ）式 VCPSRB 型（xíng） Ф12R4 圓弧頭立銑刀，圓弧精度可達 R±0.01mm，切削速度 250m/min,進給（gěi）速度 2600mm/min ；精（jīng）加工則采用整（zhěng）體球頭立銑刀 VF2SB（R3）和 VFSB（R1）立銑刀，材料是超微粒硬質（zhì）合金基礎上加耐磨性、耐熱（rè）性很高的單相納米結（jié）晶（Al,Ti）N 塗層，二者切削速度分別 250m/min 和（hé） 200m/min，進給速度分別（bié） 2600mm/min 和 3800mm/min，壽（shòu）命長，
精度（dù）高，能順利（lì）加工淬硬材料。
4. 結束語
模具加工前要明確了解模具實際具體（tǐ）形狀和加工技術（shù）要求，由於型腔多采用圓弧頭和球頭立銑刀，為了保證加工精度，提高加工效率和經濟性，要合理地分工選用圓（yuán）弧頭和球頭立銑刀，充分發揮它們各自的長處和優點，要依據被加工模具材料（liào）的機械（xiè）性能，合理（lǐ）選擇立銑刀（dāo）的材料和塗層，並合理充分（fèn）發揮多功能立銑刀的切削效能，保證各型麵間相互位置精度。
尺寸和（hé）形狀（zhuàng）精度要求（qiú）高的型麵，在各加工階段應分別選擇不同精（jīng）度的立銑刀，要（yào）求高精（jīng）度（dù）加工時，較（jiào）小的型麵可采用整體高精度立銑刀，較大的可采用裝高精度可換（huàn）單刀片或（huò）刀頭的球（qiú）頭圓弧頭立銑刀，並選用相應的斷屑槽（cáo）。
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