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国际汽车模具加工技术中的刀具应用
; v$ k% ?; }- y本文结合当今欧美各国及日本的加工技术现状，从加工条件的设定和加工刀具的选配的角度对汽车模具制造进行阐述。 - @: F2 d6 ~4 A3 A2 o, [
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随着中国汽车工业竞争不断激化，汽车模具产业也逐渐向高起点、高投入方向迅速扩大。各种大型高精设备被大量引进。在此针对如何更好地利用这些设备，高品质、高效率、低成本地制造出一流的模具产品，已经成为普遍关注的焦点。
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1．各国汽车模具加工状况 7 p$ \# h# E) o7 _( b
5 X! n) K* @- d5 X/ [# ]% j（1）美国 5 W1 F9 H+ J, k6 T; i
- e4 c/ n( N1 Y" d受日本、亚洲低价格，高质量模具大量涌入的影响，全行业面临非常严峻的局面。如何缩短供货周期成为企业面临的关键问题。为了 7 W' @/ s% J. E
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8 |% k+ m3 U9 `: }3 j3 R降低毛坯采购成本，在交期上发挥地理优势，因而多采用镶块构造设计模具。另外，由于工会等约束，除BIG3相关大型厂家有开2班，一些日资厂有3班倒的之外，其余厂家基本上只上一班。因此，在有限的时间里，如何更快地进行加工，也就是说提高生产加工性为最优先课题。与日本相比，美国相对来说切削加工条件非常严酷。一般来说，切削速度较高，为日本的1.5倍左右，而进给则达2~3倍。切削深度与中国相近，为日本的2~5倍。 7 V c( q& l2 ?, v, B
( C# t7 [8 I2 A* Q- V/ L# ^从冲压模行业来看，粗加工,由于设备更新极其缓慢，以10年左右的龙门机床为主流。铸件开粗加工刀具以球头铣刀（图1）为主，刀柄多采用侧固形式。因此要求刀具具有极高的耐崩刃性。同时比较注重高的切屑排出以及高效的加工性能。
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" |8 c$ b: g1 L+ V5 B& r/ a) W. |而精加工也是普遍以陈旧设备为主，转速和进给速度都相对较低。最近有部分采用日本、欧洲产的高速加工机床（MAX25,000/min），采用KM刀柄以及热胀夹持硬质合金刀杆的方式进行高速加工。其目的是“取消打磨”工序，缩短加工周期。
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3 y& H5 }6 | S* ?6 J5 P3 J塑料模行业，现在仍然大部分采用EDM进行精加工。电极大多内部制作，故用于电极加工的20,000~40,000 min-1的高速加工中心渐渐被看好，其刀具多采用金刚石涂层为主。最近，黛杰产整体烧结金刚石“比梦”铣刀（图2）非常有人气。另外，直接用于高硬度加工的粗/精加工设备投资也逐渐活跃。出现了一大批大量使用15,000min-1左右加工中心的厂家，被加工材料多为P20预硬钢。粗加工用刀具，一般偏向于使用多功能高效加工刀具（图3）。精加工刀具与冲压模相同，以高速加工达到“取消打磨”直接加工成镜面效果的目标。 6 T7 [1 l( x0 j9 F
: R, _- t9 b% ]/ u H/ ^/ Q7 ~! a（2）欧洲 ' I9 `: K5 E2 o* o- b" v9 L0 t( v
( y) u% A& Y0 L# Q8 _1 K严峻的局面与美国相似，但EU圈内相互供给关系，相互连带感很强，其模具制造有其一定的封闭性，所以行业的危机感并不很强烈。
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3 ^2 R5 S: d2 I+ \' V+ H4 n% [冲压模多以铸件为主，深冲模，落料模一般采用GGG70(QT700),也有采用铸钢和高硬度材料。相对来说比较注重模具的耐久性能。同一付模具功能单一，但刚性非常好，进而模具本体非常庞大。从加工设备而言，均拥有较先进的机床，大型汽车厂附属模具厂均有产FMS生产线（带有ATC+AWC+AGV）。保证从星期天1PM到星期六7PM进行无人运转。 , j! E$ F: K8 v+ W2 `8 a
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粗加工与精加工设备分别配备，设备以龙门机床配置MT刀柄为主流。刀具则渐渐从球头刀向圆角刀盘（图4）转移。尽管一次的切深虽然不大，但刃数多，可获取较高的进给。同时对机床的负担也比较小。
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0 F) Y5 z9 R9 r: L' k2 [精加工则普遍采用欧洲产5轴高速加工中心(HSK63，max25,000min-1),实际加工采用10,000/min，F=12,000mm/min左右的加工条件)，以及热胀刀柄和硬质合金刀杆（图5），通过高速加工达到“取消打磨”的目的。 5 R e& j$ v6 a
! i. ?- l. k0 } X4 E' {: e: Y2 W塑料模则多从方块毛坯开始加工，以P20类预硬钢为主，设备多为12,000-15,000 min-1左右的加工中心。粗精加工在同一台设备上一次装夹中完成。粗加工刀具以圆角刀片为主，精加工则以球头刀和圆角端铣刀（图6）为主。同样期望采用高速加工达到“取消打磨”，直接加工成镜面。
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8 L, f, ?- k% X( B+ _4 a; Y& r; _' v锻造、压铸模则主要以预硬钢（45-55HRC）为主，大多采用机夹式圆角端铣刀（图6）进行高速直接加工，刀具材料多采用K03+TiAL涂层刀片。 , @ [2 P: ~; T {! N; r, a
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（3）日本
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日本的汽车冲压模主要以铸件为主，材质多为FC300(HT300)和GM材质（合金铸铁），随着最近车体表面普遍采用高张力钢板，模具的材料也渐渐开始使用HPM/NAK/SKD等模具钢。并均以镶块的形式运用在铸造基体上。但无论是整件铸件，还是镶块，其制作水平大大优于其他国家，即便是大余量部分，其量亦比较均匀固定。加工编程控制及提高走刀速度都比较容易。 " |3 ]) w. ~$ |
: l- I) f) k5 N加工设备以龙门机床为主，粗精加工分别配备。粗加工多采用较老的设备，特别是俄罗斯、捷克产设备，价格低廉，刚性高，为广大客户所青睐。而精加工均采用日本产的龙门加工中心。最高转速在10,000~12,000mm-1左右。与欧洲相比有较大的差异。这主要是由于考虑到刀具寿命以及加工精度可靠性的原因。 4 U" B: J9 V" X
7 Y, i& y8 P b5 S7 \塑料模多从方块材开始加工、材料以NAK等预硬钢为主，设备多为15,000-25,000min-1的加工中心。粗精加工在一台设备上进行、要求刀具切削阻力低、进给快，以提高加工效率。粗加工刀具以大进给方角刀盘（图7）为主，切深不大，但进给非常快。精加工主要以球头刀和圆角端铣刀为主，多数是将模具直接加工成镜面。
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/ P5 ?1 [0 A: E& `- X1 J7 b锻造模、压铸模多从方块材开始加工、材料以SKD、NAK、HPM淬硬钢(HRC45～55)为主，设备多为15,000-25,000min-1的加工中心。粗精加工在一台设备上进行、要求刀具切削阻力低、进给快以提高加工效率。压铸模：粗加工刀具以大进给刀盘为主，精加工主要以大进给整体圆角端铣刀为主、辅之以球头刀，多数是将模具直接加工成镜面。锻造模：粗精加工使用同一把刀、多为新开发的大进给整体圆角端铣刀。一般是在高硬度状态下直接进行加工。实际目的是采取高速加工达到“取消打磨”。 : L5 n/ l( c; r- b) P
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一般来说，日本模具与欧洲的最大的区别在于其功能多样化且结构紧凑。在模具加工过程中对制造周期和加工成本控制得非常严。因此，各厂家对设备、刀具及其接口装备选取较其他国家更趋于合理化。就刀柄与机床的连接来看：
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传统方式为一般机床主轴采用BT标准（MAS 403/JIS 6399）刀柄。其夹紧方式包括弹簧夹套、无扁尾带螺钉锁紧莫式炳、复合柄（C508）等。 : t+ E V! X4 W+ d4 ~4 p( z" M+ R
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其后出于提高连接刚性的目的以及提高刀柄定位精度及刀具使用寿命，采用锥面及端面二面定位刀柄。常见有BBT、NC5等刀柄。而最新型BTS(SuperBT)刀柄采用与BBT不同的设计，使刀柄端面直接与普通机床主轴端面贴合，无需专用主轴，代表了今后刀柄技术的发展方向。（图8）
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另外，在刀具装夹用刀柄的形式上来说。粗加工刀具的装夹形式，一般采用莫式柄（MT）。这是由于莫式柄的定心性能较好。柄部直经相对于复合柄（C508）纤细些，使用中的干涉影响更小。（图9）对粗加工球头铣刀，一般不采用侧固式或直柄形刀杆。主要是尽量减少刀具偏心和由于Z方向轴向切削力对刀具的影响。而精加工刀具柄型的选用上，φ50的机夹式铣刀亦使用热胀式固定。刀具寿命一般可提高1倍以上。 8 B/ c) k) [9 L# @0 k& j H' _
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精加工用小直径铣刀清根，采用普通夹套刀柄时，刀具需悬出50～80mm才可避免干涉影响，进给速度只能达到200～300mm/min，且加工过程中由于刀具刚性不好，很容易破损。热胀刀柄现已根据加工需要形成了标准规格系列，刀柄刚性提高，刀具只需悬出20mm，进给速度可提高至1,000～1,500mm/min，导致模具总体加工时间比原来缩短15％以上。（见图10）
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6 h1 q; B& V9 f, i2．以下就日本模具行业刀具的主要配置方式作些介绍: ' t. ^" C _9 n/ Y5 D' K
5 M$ z- q0 T2 N( X; f2 h' q$ [9 F- F传统加工方式： - d" }1 e5 [. W) A" `
& p8 c: v& H" j（1） 一般采用ф50粗铣球头铣刀进行粗加工，包括仿形及拐角去余量
( A9 s/ v$ R* g) I# u+ d) O, z（2） 用ф30球头铣刀进行半精加工 1 @" B; E9 x, B( S3 g, l$ S8 d+ v
（3） 精加工使用ф30或ф25精铣球头铣刀完成
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自动化无人加工方式： 3 Y7 z- T! J/ ]4 B* U
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（1） 首先对毛坯粗重切削采用高进给SKS新干线铣刀（图7）、或ф50粗铣 “斯文”球头铣刀（图1）以等高线方法进行仿形加工，去除大部分余量； ) ^; a% v$ m7 C6 L6 I4 u2 K! H
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（2） 使用ф40粗铣“斯文”球头铣刀（图1）进行大范围清根和局部清根(pencil），将加工余量均匀化。尽量减少余量不均对半精加工的影响； $ ]3 `1 \8 n8 \( G7 [
2 P! N; K+ F- Z6 V( u8 N; t（3） 使用ф50（3刃）铣刀以仿形方式进行高速半粗加工（进给3,500～4,000 mm/min）；
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（4） 半精加工先用ф30“斯文”球头铣刀（图1）去除拐角及根部余量（pencil），使余量均匀化；
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5 Z& v m; V0 \（5） 用ф25“斯文”球头铣刀（图1）进行仿形半精加工（进给3,500～4,000 mm/min）；
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（6） 精加工采用ф30镜面球头铣刀（图5）进行整个形面的高速仿形加工（进给速度10,000mm/min），最后用小直径（ф4～ф16）整体或镜面球头铣刀进行局部清根精加工。 & V' r* l g. D6 s
0 W3 M h4 U8 S5 e( s; R, j$ o日本模具加工辅助刀具配置：
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( l) t1 N, |2 k8 w3 {·粗加工切除大余量需经常用到带BT柄玉米刃铣刀（图11）； _3 {, B9 k/ F* Z
·切辺模刃口空档加工采用背铣刀（图12）； 3 x& P& I1 J+ S% [( L: b: T
·导柱孔粗加工采用可进行三维切削的旋铣刀（图14）；
, V. g9 U. }# {·冲孔镶套孔精加工采用镜面圆角铣刀以圆弧插补形式铣削加工（较大孔）。而尺寸标准的，则直接用镜面圆角铣刀等刀具按刀具尺寸将衬套孔“铰削”出来（图13）； 7 N5 K7 s5 ~) n8 l" c3 G2 i% h( G
·镶块底座采用高进给铣刀（图7）或钻铣刀加工（图3）；
# O5 l1 t4 V: j& T( Z3 R! T5 |·模座安装固定槽及端面用T形玉米刃复合机夹式铣刀加工；
* I8 z5 V" k) C+ t* J·导滑板面加工：深度250mm以内，用镜面圆角铣刀（图13）分层切削。250mm以上采用插铣刀加工。
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8 E. X& [( |5 t& `高硬度部位加工： ) W9 F4 d1 G$ O J3 w
, m, G# D k6 o. W' B粗加工应用：
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·模具刃口、堆焊、补焊、重孔镶套后残留量以及修整模具时的加工，使用φ50或φ30“斯文”球头铣刀（图１），配以专用刀片加工。（图15） " z, w# A" g2 m! @# u
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精加工应用： + D5 ~) d) O0 u* N) P
1 K. c+ S- b$ Y3 j·淬火空冷钢镶块安装在模具上后，先用φ30镜面镜面球头S铣刀进行去除残余应力的加工，切深约0.2mm (图15) $ n* G; L; V( X1 X1 B4 t, s8 o7 ^7 L
·精加工用φ30镜面球头（图5）铣刀仿形加工
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: {4 F9 m6 S* f. ? S+ X: D日本某模具厂自动化无人加工生产线刀具配置及加工条件例：
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5 ~2 g6 X( J* ^7 d9 d- l* n（1） 用φ50mm斯文球头铣刀进行等高线及仿形加工。 Ap=10mm,Ae=9mm留1mm给半精加工余量
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/ U# J( @5 E: W2 f& p6 ?2 C; v8 b: M+ s# j+ b（2） 用φ40mm斯文球头铣刀进行清根粗加工 留0.3-0.5mm给精加工余量 （以上加工在粗加工机床上进行） " W! Z! t& g9 e
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（3） 用φ50mm、3刃好收益奇霸SHC型进行仿形半粗加工 Ap=0.7mm,Ae=3mm留0.3mm给精加工余量
4 C, |( [; d7 r2 _# c（4） 用φ30mm镜面球头铣刀BNM型进行等高线半精加工同时进行清根加工。清根部不留余量 ( D' R4 D! H3 r5 L* K$ E
3 g9 ?( e; ]1 S6 r/ a1 F, m! f（5） 25mmC-body斯文球头铣刀进行仿形半精加工 Ap=0.5mm
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（6） 用φ30mm镜面球头铣刀BNM型进行仿形精加工 Ap=0.1-0.3mm,Ae=0.7mm
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4 ?: h3 \: r8 k+ u' q# \（7） 用φ16 mm、φ10 mm、φ8 mm、φ6 mm、φ4 mm万砍球头铣刀进行局部清根、精加工 9 U; y1 g! A. E* c2 Q, Z2 A
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硬度为60HRC模具加工事例：
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1） 用镜面球头BNM型进行仿形半精加工去除淬硬材料表面的残留应力。
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- E9 p+ ^2 ^) K* K6 {2 DAp=0.2mm,Ae=1.4mm
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2） 用镜面球头BNM型进行仿形精加工
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3 f8 O* u9 r w2 |, MAp=0.05-0.1mm,Ae=0.7mm ; ]7 e2 ?( _+ u
+ G. b0 z/ W U" j0 p) Q# s自动化无人加工刀具的特点：
/ [# X! Y1 b. F) ]$ [2 k' L' C
4 W. T* E+ A, x) Q在当今机械加工行业竞争不断加剧的形式下，自动化无人加工生产方式越来越多地被采用。无人加工在刀具使用与加工编程方面具有如下一些特点：
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) n" D0 k! V9 ?- R# B; p) ^（1）根据刀具的大致寿命情况，将程序分段、分片编制。粗加工刀具寿命一般均按操作现场经验数据确定；精加工程序编制时一般刀具寿命标准按加工钢类材料设定为600m，加工球墨铸铁设定为800m，加工灰铸铁设定为1,200m； 7 k F* v6 @6 h
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（2）粗加工、半粗加工等工序细分化，而刀具多功能化；
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（3）在各个传统工序之间加入清根工序，以使整个模具余量尽量均匀化。特别应该注意局部清根； $ h/ ~& B0 h5 a8 P Q) s, ?% Z5 `$ p
1 o2 L" P& @: ^$ ?/ u0 m（4）刀具的长寿命化。避免无畏地追求高线速度，采用刀具寿命长至少达到5,000m的切削条件。如φ30mm镜面球头铣刀ＢＮＭ型精加工合金铸铁，用转速6,000min-1，进给5,000mm/min，切深0.1mm，步距0.7 mm条件切削5,080 m之后，刀片后刀面磨损宽度小于0.2 mm。
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自动化无人加工生产方式中、刀具使用与管理非常重要。在刀具管理使用流程上，刀具的几何特征参数（种类、直径、刃长、悬伸等）一般根据各自的加工经验按习惯用法确定。例如，使用ф50粗加工球头铣刀时，有的用户是按100/150来配置刀具的下刀深度；而有的则是按120/170来配置。 ! m- U* p, h1 D# F5 J# `5 M
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刀具准备部门按刀具标准将刀具与刀柄安装并校准，再将刀具的综合数据信息传送到工艺编程部门，由编程人员在加工程序中直接设定。加工程序实行模块化，实际加工时机床操作者可根据加工要求选择。同时刀具的标准也由程序设定值直接带至加工过程中。刀具使用时的切削条件多由机床操作者根据程序设定及具体加工状况自行调整。
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发表于 2006-12-23 20:05:04