模具铣刀材料及其选择www.tool-tool.com

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在传统的模具切削加工生产中，以粗加工为主，随着新型模具工业的迅速崛起、材料热处理及切削技术的进步，被加工件量、质都发生了很大的变化，由粗加工扩大至半精加工、精加工，促进了模具工业的进一步发展。

近年来，由于干切削、硬切削、高速切削等快速的进入到模具加工领域，使模具制造进入一个全新的发展期，与老式的成型表面电火花工艺相比，由CNC机 床的柔性、耐磨刀具材料和表面涂层、新型刀具结构所构成的高速切削系统，免去了电极的准备程序，可提高生产率30%~50%，并减少手工抛光工作量60% ~100%，从而把整个模具的生产周期缩短了2/3[1]，提高了企业在市场中的竞争力。

针对模具加工高效、单件、小批量和材料硬度高、加工难度大、形状复杂和切削余量大的特点，工具制造厂开发出大量适应模具生产需要的专用非标铣刀，并在刀具行业的产品中形成了独树一帜的《模具铣刀》（JB/T7966·1～10-95）系列标准。

时代在发展，技术在进步，《模具铣刀技术条件》（JB/T7966·10-95），规定用W18Cr4V或同等性能的高速钢制造，硬度 63～66HRC。从目前的市场调查分析，W18Cr4V、M2、9341等通用型高速钢（HSS）在模具铣刀板块中已失去了竞争力，而代之以粉末高速 钢、高性能高速钢、硬质合金及超硬刀具材料。

1 高性能高速钢和粉末高速钢

到目前为止，高速钢牌号近百种，但在市场上流通的不超过20种。人们习惯上将高速钢分为四大类：通用高速钢（HSS）、高性能高速钢（HSS- E）、粉末高速钢（HSS-PM）和低合金高速钢（DH）。HSS、DH材料很难胜任铣刀的加工要求，HSS-E、HSS-PM还能占据一席之地。

1.1 高性能的高速钢

HSS-E 是指在HSS成分基础上适当提高C、V量，有些牌号再加入Co、Al等合金元素，以提高耐热性、耐磨性的钢种。这类钢的红硬性比较高，经625°×４h加 热后仍保持60HRC以上的高硬度，刀具的耐用度通常为HSS钢刀具的1.5～3倍。HSS-E热处理工艺及硬度见表1

表1 常用高性能高速钢热处理工艺

牌 号	代 号	淬火温度(℃)	回火温度(℃)	回火后硬度(HRC)
W10Mo4Cr4V3Al	5F6	1220～1250	540～560	66～69
W12Mo3Cr4V3Co5Si	Co5Si	1200～1240	550～570	67～70
W12Mo3Cr4V3Co3N	Co3N	1200～1230	540～560	66～69
W6Mo5Cr4V5SiNbAl	B201	1210～1240	520～540	66～68
W6Mo5Cr4V2Al	501	1190～1215	540～560	67～69
W6Mo5Cr4V2Co5	M35	1195～1220	530～550	67～69
W2Mo9Cr4VCo8	M42	1170～1190	530～550	67～70
W12Cr4V5Co5	V5Co5	1230～1250	540～560	66～68
W12Mo3Cr4VCo3N	V3N	1230～1250	540～560	67～69

1.2粉末高速钢

HSS-PM 是用细小的高速钢粉末在高温高压下直接压制而成的高速钢品种。在国外应用相当普及，而国内只有少数厂家使用。

HSS-PM完全避免了冶炼高速钢碳化物不均匀的毛病，不论其截面多大，碳化物都细小均匀，所以它较冶炼高速钢强度和韧性都高的多。HSS-PM热处理工艺及硬度见表2

表2 常用粉末高速钢热处理工艺

代 号	淬火温度(℃)	回火温度(℃)	回火后硬度(HRC)	备注
GF2	1210～1240	530～550	≥65	中国
FT15	1240～1260	540～560	≤66
S390PM	1190～1230	540～560	67～68.5	瑞典
S690PM	1170～1190	530～550	≥66
ASP2030	1175～1210	540～560	67～68.5	法国
ASP2023	1180～1220	540～560	67～68
ASP2053	1160～1190	550～560	65～67
ASP2060	1170～1200	550～560	67～70
HAP10	1165～1185	530～550	≥67	美国
HAP20	1175～1195	550～580	≥65	日本
HAP40	1175～1200	550～580	67～68
HAP50	1175～1210	560～580	65～68
HAP70	1185～1220	560～580	66～69
CPM42	1185～1205	560～580	69～72

1.3 高速钢模具铣刀热处理要点

由于模具加工的特殊性对刀具的要求非常严格，刀具热处理要掌握如下要点：

1.3.1 HSS刀具淬火晶粒度控制在10号左右，硬度65～66.5HRC,过热程度视具体刀型而定,但过热不得超过2级(小型刀具不允许过热)。

1.3.2 HSS-E热处理后虽可以达到67～70HRC，但实际使用不允许有如此高的硬度，65～67HRC的硬度深受青睐。

1.3.3 HSS-PM具有优良的力学性能，淬火晶粒度控制在10.5号，视不同产品上下浮动半级。但千万不可盲目追求高硬度，大量的事实表明，高硬度并非高寿命。将硬度控制在66～67.5HRC不会出现质量问题（小刀具可以低1HRC）。

2 硬质合金铣刀

硬质合金刀具是数控机床的主导产品，欧洲有些国家90%以上的车刀，55%以上的铣刀都用硬质合金制造，且增长势头正旺，以惊人的速度渗透到数控刀具的各个领域。展望未来，数控刀具无疑是硬质合金的天下，模具铣刀首选材料应是硬质合金。

2.1硬质合金刀具的主要特点

2.1.1 硬度

硬质合金主要由硬质碳化物组成，所以它的硬度比高速钢高得多，一般为89～93HRA，540℃时的热硬性需要82～87HRA。常用硬质合金铣刀牌号及力学性能见表3 。

表3 模具铣刀常用硬质合金牌号、成分及力学性能

牌 号	主要化学成分(%)				力学性能				推荐使用范围
	WC	Tic	TaC NbC	Co

2.3.2 十分适合应用在数控铣床和转速在20000r/min以上的先进铣床上铣削。

2.3.3株洲钻石切削刀具股份有限公司开发的黑金刚刀片系列,是专门为加工铸铁而开发的硬质合金刀片，用于中速或高速铣削的YBD152牌号比原有的牌号提高切削速度30%~40%,使用寿命提高近50%[3]。

2.3.4由于模具加工的工作量很大，为了提高加工效率，不希望多换刀，工具厂开发了可转位的面铣刀，包括铣平面、铣斜面等多功能可转位面铣刀。

2.3.5大型模具型腔的精加工，金属切除量大，刀具悬伸又长，如果用传统的铣削加工，效率很低，现在改用小切深大进给量的方式，实现了高效加工。

3 立方氮化硼(CNB)铣刀

CNB是继人造金刚石之后出现的第二种无机超硬材料，开拓了高速切削的新纪元。

3.1 CNB的主要特点

3.1.1高的硬度和耐磨性:显微硬度可达8000~9000HV，聚晶立方氮化硼（PCBN）烧结体的硬度达到3000~5000HV，在切削耐磨材料时耐磨性为硬质合金的50倍，为陶瓷刀具的25倍。PCBN尤其适用于以前只能磨削的高硬度材料，实现“以车代磨”。

3.1.2化学稳定性好：CBN的化学惰性大，在还原性气体介质中对酸和碱都是稳定的，在大气和水蒸气中无任何变化，与铁系金属在1200～1300℃也不起化学作用。

3.1.3良好的导热性：其导热率大大高于高速钢和硬质合金，但低于金刚石。

3.1.4较低的摩擦系数：CBN与不同材料间的摩擦系数约为0.1～0.3，比硬质合金低得多。

3.2 CBN铣刀的实际应用

3.2.1从2006年6月“第八届中国国际机床工具商品展览交易会”上获悉，日本三菱综合材料株式会社近期推出的加工铸铁用的MBS140整体式 CBN刀片，铣削220～250HB FC250铸铁，切削速度500m/min，进给量0.25mm/r,切深0.1mm,干切削7.5min,后刀面的磨损量才0.3mm.

3.2.2铣削58HRC Cr12模具钢，CBN铣刀比其他超硬材料铣刀效率高，寿命长；精铣和半精40～60HRC模具，工件表面粗糙度可达Ra0.1µm;用锋刃CBN端铣刀铣削62～64HRC CrWMn钢平面时，表面粗糙度达0.2～0.4µm。

3.2.3 直径10mmCBN立铣刀在60HRC CrWMn钢模具上铣削宽度为10mm深度为2mm槽时,16min铣长1.2m,后刀面磨损0.06mm。

3.2.4 在模具制造业中,广泛使用各种立铣刀,尤其是球头铣刀来高速加工型腔等复杂曲面,被加工模具材料几乎包括能硬化的所有模具钢系列,不仅工效高,而且质量好。

4 陶瓷铣刀

陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性好、耐热性和化学稳定性优良等优点，且不与切屑粘接。世界各国都非常注重开发和应用陶瓷刀具。近20年来，陶瓷刀具已成 为高速切削和加工难加工材料的主要刀具之一。目前，由于控制了原料的纯度和晶粒尺寸，添加了各种碳化物、氮化物和晶须等，采用多种增韧补强，使得陶瓷刀具 的抗弯强度、断裂韧度和抗冲击性能都有大幅度提高，开发了一系列的新型陶瓷刀具材料。如纳米复合陶瓷刀具、晶须增韧陶瓷刀具、梯形功能陶瓷刀具、粉末涂层 陶瓷刀具、自润滑陶瓷刀具等。应用范围日益广泛，社会效益和经济效益十分明显，请看实例：

4.1 Al2O3/TiB2刀具加工4Cr5MoVSi热模钢时，刀具抗边界磨损能力为Al2O3/TiC 的2 倍[4]。

4.2 用SG4陶瓷制成的三面刃铣刀，可一次走刀铣完5.2×16×710mm淬硬钢键槽的精加工，键侧面的表面粗糙度可稳定地达到Ra1.6～0.8 µm，可省去原来的粗铣、精磨、镶键等工序 [5]。

4.3陶瓷刀具不能用于加工铝，而对于灰铸铁、球墨铸铁、淬火钢和未淬硬的耐热合金等难加工材料特别适合。在德国70%加工铸铁的工序是由陶瓷刀具完成的，而日本陶瓷刀具的年消耗量已占刀具总量的8%～10%[6]。

5 结论

纵观全球，横看同行，模具铣刀用材发生了三个明显的变化：

5.1由通用型高速钢向高性能高速钢、粉末高速钢转化；

5.2硬质合金模具铣刀有逐步取代高速钢铣刀的趋势；

5.3超硬材料在模具铣刀中份额不断增长。

由于材料科学、机床行业的进步，模具工业正以惊人的速度向前发展，模具材料日新月异，模具形状千姿百态，刀具结构千差万别，因为用于加工模具的铣刀 不能定格在通用高速钢一种材料上，应该根据加工对象、模具服役状态、机床、工夹具等多种因素综合考虑，选定合适的模具材料，设计优质的模具铣刀，并在实践 中不断改革创新，力求优质、高效、环保。

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