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(hù)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。 

 　　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。 

 　　刀具基體 

  　　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)下表。數(shù)據(jù)來(lái)源：OSG Tap & Die）。 

 　　硬質(zhì)合金的分類(lèi)表
 　　硬質(zhì)合金分類(lèi)－晶粒尺寸
 　　微米晶粒硬質(zhì)合金－1.0～1.3μm
 　　亞微晶粒硬質(zhì)合金－0.6～0.9μm
 　　超細(xì)微晶硬質(zhì)合金－0.4～0.5μm
 　　納米系列微晶硬質(zhì)合金－0.1～0.3μm
 　　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。
 　　（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(qiáng)度（TRS）作為表示基體韌性的度量指標(biāo)。
 　?。?）硬度
 　　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)。 
 　　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。
 　　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。 

 　　刀具幾何參數(shù) 

  　　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(mǎn)足剛性和精度兩方面的要求。
 　　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。
 　　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)。 

 　　刀具的表面處理 

 　　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%。 

 　　刀具基體、幾何參數(shù)和涂層的技術(shù)創(chuàng)新 

 　　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。
 　?。?）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(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)。
  　　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。
 　?。?）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）
 　　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)。
 　　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。
  　　這種新的刀具幾何形狀設(shè)計(jì)使人們不必再為需要采用可變螺旋角立銑刀以消除加工中的諧振而煩惱。這些新型立銑刀采用相同的螺旋角及分度，但其切削角在逐漸變化，以減小切削力（載荷）和切削熱。這種三維復(fù)合切削刃實(shí)質(zhì)上采用了徑向切屑減薄的概念，因此產(chǎn)生的切屑更小，并能承受更大的切屑載荷。這種新設(shè)計(jì)與增加排屑槽相結(jié)合，使刀具能夠采用更高的進(jìn)給率而不必像過(guò)去那樣必須提高主軸轉(zhuǎn)速。這種刀具是為那些擁有適用控制技術(shù)（預(yù)判軟件）和主軸轉(zhuǎn)速在 4000～12000r/min范圍內(nèi)的加工機(jī)床而設(shè)計(jì)的。
 　　這種切削形態(tài)的另一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是即使當(dāng)?shù)毒邞疑炝考哟蠡蛟诿骷庸び嗔枯^大的情況下仍能保持恒定的加工載荷，這就意味著可以減少半粗、半精加工所需的刀具，相當(dāng)于在加工大型模具時(shí)節(jié)約了寶貴的時(shí)間和加工成本。模具制造商在使用主軸轉(zhuǎn)速低于15000r/min的機(jī)床加工時(shí)，再也不會(huì)局限于較低的金屬去除率了。
 　?。?）刀具幾何形狀設(shè)計(jì)新技術(shù)（例2：模架水線的加工）
 　　傳統(tǒng)工藝：模架水線的加工通常采用槍鉆或鑲硬質(zhì)合金鉆尖的鉆頭。在使用高壓冷卻液的條件下，鉆頭以1～2″/min的低進(jìn)給率鉆進(jìn)，并需不斷地提鉆啄擊，以保證切屑的排出。采用這種傳統(tǒng)工藝，鉆削一個(gè)9″深的7/16″水線需要90秒鐘才能完成。
  　　新技術(shù)：專(zhuān)門(mén)為加工模具水線而設(shè)計(jì)的整體硬質(zhì)合金內(nèi)冷卻麻花鉆可在無(wú)需提鉆啄擊的情況下加工長(zhǎng)徑比達(dá)30倍的深孔，進(jìn)給率可高達(dá)18～30″ /min，從而可將加工時(shí)間由原來(lái)的數(shù)分鐘縮短到幾秒鐘。此外，刀具壽命延長(zhǎng)，表面光潔度改善，加工精度可穩(wěn)定保持在0.001″以?xún)?nèi)。
 　　這種新一代內(nèi)冷卻硬質(zhì)合金麻花鉆采用了特殊設(shè)計(jì)的槽型和減薄的鉆尖，以產(chǎn)生細(xì)碎的切屑并能順暢排出，從而可使從孔頂?shù)娇椎椎你@削扭矩始終保持恒定。
 　?。?）表面涂層處理新技術(shù)（加工硬度HRC50以上的淬硬模具鋼）
  　　傳統(tǒng)工藝：硬度HRC50以上的淬硬模具鋼通常采用TiAlN涂層硬質(zhì)合金刀具加工。迄今為止，許多模具加工車(chē)間對(duì)于硬銑削刀具技術(shù)感到相當(dāng)滿(mǎn)意，目前市場(chǎng)上最好的刀具一般能以高達(dá)400sfm的表面切削速度銑削硬度HRC60的淬硬材料。但是在模具加工行業(yè)，進(jìn)一步提高切削速度的限制總是來(lái)自于刀具涂層難以承受因切削速度提高引起的高溫而失效。如前所述，TiAlN涂層的氧化溫度約為800℃，超過(guò)這一溫度涂層就會(huì)破損，刀具自然會(huì)隨之失效。
 　　新工藝：采用納米涂層技術(shù)開(kāi)發(fā)的新型多層TiAlN涂層突破了傳統(tǒng)TiAlN涂層的性能限制，其氧化溫度提高到了1350℃。此外，這種納米涂層的表面硬度也由傳統(tǒng)TiAlN涂層的Hv2800提高到Hv3600。
 　　納米涂層技術(shù)的優(yōu)勢(shì)就是在加工淬硬鋼時(shí)因?yàn)樵试S切削速度的提高而可以充分利用更高的主軸轉(zhuǎn)速。納米涂層的切削速度（525sfm）比普通TiAlN涂層的切削速度（400sfm）提高了30%～45%，從而可轉(zhuǎn)化為更快的加工循環(huán)而勿需犧牲刀具壽命。
 　　
 　　結(jié)語(yǔ)
 　　
 　　在美國(guó)，模具制造商之間的競(jìng)爭(zhēng)非常激烈。雖然與三年前相比，模具企業(yè)的運(yùn)營(yíng)狀況已經(jīng)有了明顯好轉(zhuǎn)，但事實(shí)證明，在美國(guó)模具制造業(yè)不斷發(fā)生變革的今天，只有那些始終站在技術(shù)研發(fā)前列的企業(yè)才會(huì)持續(xù)興旺發(fā)達(dá)。
 　　現(xiàn)在應(yīng)該重新審視那些曾經(jīng)認(rèn)為已十分優(yōu)化了的刀具策略，以確保其始終處于技術(shù)領(lǐng)先地位，認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)非常重要。本文提及的先進(jìn)刀具技術(shù)表明，在刀具新技術(shù)方面的最小投資能使生產(chǎn)率、刀具壽命以及最重要的——生產(chǎn)效益獲得巨大的增長(zhǎng)。