用于汽车行业的新型粗铣球头铣刀

  摘要:本文结合原理性阐述及试验验证,对用于汽车模具行业刀具即粗铣球头铣刀较为深入的剖析,描述了其加工的特点、应用领域等,最后以客户实际加工案例来验证该种高性能刀具的现场效果。

  关键词:汽车外覆盖件 球头铣刀 模具 槽型

  引言:随着我国汽车工业的高速增长,据相关资料统计我国2008年小车产量将突破1000万辆,汽车的外形更新不断加速,对外覆盖件模具的需求不断加大,粗铣球头刀具作为这类模具加工的主力刀具一直被国外知名企业所垄断,特别是日资企业刀具逐渐占据了国内市场主流。株洲钻石切削刀具股份有限公司最近推出的最新一代GM槽形的粗铣球头刀具,完全能够满足市场对该刀具的苛刻性能要求,并且能够显著降低刀具的消耗成本。

  1 汽车外覆盖件拉延模具被加工材料种类、特性及难加工状态简介

  为便于对后面高效模具粗铣球头刀具加工介绍的理解,有必要对模具的加工材料及加工方式作一个简单介绍。

  1.1 汽车外覆盖件拉延模具模具材料简介

  每种不同的模具以及同一模具不同的部位所采用的材料有相当的差别,他的加工特性也有很大的区别。模具材料的种类极为繁多,由于篇幅原因,只介绍与本文相关的典型被加工材料。

  1)  灰口铸铁,如HT300,淬透性较差,这主要用来制作较为低端的模具或基座,这类材料被加工性能很好;

  2)A3钢堆焊,一般用于低端模具如农用汽车,卡车等外覆盖件模具制造,加工的难点在于刀具频繁的在焊疤地区和正常软材料区域交替加工,形成很大的冲击,要求刀具有较高的抗冲击韧性;

  3) 钼铬合金铸铁,fc250-fc350,fcd500-fcd700添加了cu、ni、mo等合金,对总碳量si、mn、p、s、mg等组成元素进行控制。因而在分子结构上由于晶体易于变形使之易于马氏体化,材料淬透性好,这类材料被加工性较一般灰口铸铁来讲难度大大提高。

  4)铸态风冷钢(7CrSiMnMoV),铸钢材质用于镶件;。

  5)合金钢,锻态材质常用的牌号为锻态风冷钢(7CrSiMnMoV)、Cr12MoV,少量模具采用Gr15轴承钢材,较难加工。

  1.2 通常遇到的难加工状态

   一般加工状态我们采用冲击韧性极佳的k30的pvd涂层硬质合金刀片,对应牌号为我公司的YBG302牌号,但某些难加工场合例外:

  1)过切区域补焊的局部加工,这种加工经常会遇到;

  2)为了提高模具的寿命,一般在极易磨损区域如边角等区域进行局部淬火处理,刀具在此类区域加工难度较大;

  3)合金钢加工如Cr12MoV、Gr15材料加工,加工时的切削阻力和振动会显著增大。

  这类场合要求刀具既有较高的耐磨性能同时也要有较高的抗冲击韧性,一般推荐采用p15类别的PVD涂层硬质合金刀片,对应牌号为我公司的YBG202牌号并且采用较小的被吃刀深度和进给量进行加工;

 

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  2 汽车外覆盖件模具粗加工用球头铣刀

  近年来,工业领域使用的刀具产品样式不断变化,且绝大多数的企业本着降低制造成本的生产理念,要求生产高精度、高品质的产品。这种现象在汽车行业的加工领域也不例外。针对客户的要求,株钻刀具技术公司采取的策略是:不断提高刀具使用寿命以及缩短加工时间。株钻最新推出了BMR03新型高效粗铣球头刀具,在进行车门、保险杠、车架等零部件的冲压模复杂曲面加工时,能够大大提高刀具的使用寿命、降低加工成本。其中BMR03(下图)系列刀具就是其中之一。

  该款刀具适用于汽车外覆盖件模具粗加工时的型面强力轮廓仿形切削,一般来说,D50、D40的刀具进行型面开粗,D32、D30的刀具进行型面的半精和圆弧过渡面的清根加工,它主要的优势在于: 1)适用于各种被加工材质的刀片槽型和结构;2) 优秀的抗冲击性能,强力铣削加工时不出现切削刃意外崩缺;3)长且稳定的刀具使用寿命,一般客户希望能够不更换刀片情况下不间断的加工完一个型面,对于加工一个大型模具意味着4~12小时的加工寿命;4) 低的切削振动,这是制约加工效率的提高最难逾越的因素;5) 高的形状精度和高负荷加工下的刀具精度保持性;6) 刀体高的可靠性

  刀片的槽型和结构

  刀片见图2.2,图2.3,为刀片的实物照片,该刀片的槽型是综合考量各种实际切削因素并且通过长达两年的用户试验,不断优化而最终定型的。具体而言主要在以下几个方面进行了优化设计:

  A 刀片的整体外形轮廓优化设计,刀片安装在刀体后他与理想球体的理论误差应该尽可小,而且曲线不能太复杂,而造成研磨困难。株钻球头铣刀的球形刃设计精度所有系列均为≤0.005MM,制造轮廓误差≤0.05MM(ZOLLER测刀仪);

  B 优化过中心刀片的刀尖设计,过中心区域切削速度极低(接近为零)。切削阻力极大,非常容易出现刀尖崩缺的现象。本人设计了多个实验室方案来优化设计刀尖结构,并且进行了大量的试验室试验和客户实际试验。

  其中有一项为切削阻力和切削振动对比试验,试验方案如下:试验刀具 A B 两种国外D40球头铣刀,被加工材料为:P20 HRC35,切削参数VN=3000,AP=0.5MM,AE=1MM,F=3000MM/MIN,测试仪器:KISTLER动态电荷测力仪。实验结果见图:

   

  由上述图可知:1) 其他条件相同的情形下,F=0.5MM/Z时,A刀具的最大主切削力FX=400N, 最大主切削力FX=50N,最大振幅为350N,平均切削力为230N;2)其他条件相同的情形下,F=0.8MM/Z时,A刀具的最大主切削力FX=600N, 最大主切削力FX=80N,最大振幅为520N,平均切削力为290N;3) 其他条件相同的情形下,F=0.5MM/Z时,B刀具的最大主切削力FX=800N, 最大主切削力FX=160N,最大振幅为640N,平均切削力为400N;4)其他条件相同的情形下,F=0.8MM/Z时,B刀具的最大主切削力FX=1000N, 最大主切削力FX=200N,最大振幅为800N,平均切削力为500N.由以上四点可知,在1MM的小切深情况下,在所有切削条件相同情况下,B刀具的刀尖受力情况明显比A差很多,平均受力大了几乎一倍,刀具在同等频率下振动的振幅也明显大得多,而上述切削参数在大多场合都是正常切削参数,这说明在刀具刀尖的处理上A刀具的设计方案明显优越。而且由于切削阻力和切削振动太大,且刀尖的切削前角仅为-20度,刀尖过于单薄,B刀具的过中心刀尖非常容易崩缺。

  因此刀尖的形状设计非常重要,他对刀具的实际切削效果有着非常显著的影响。实际上优化设计刀尖形状和参数是一个非常繁杂的过程,要平衡诸多因素,如切削振动、刃部强度、刀具使用的工艺特点、刀片材料特性、本身的工艺性等等,很难一蹴而就,要往返多次不断的完善。C刀片的槽型优化设计,球头刀的圆弧切削刃各点的切削线速度都不相同,轴心区低,外部高,线速度的变化极大。

   

图2.2.3 切削速度对切削阻力的影响                            图2.2.4 刀片槽型图

  其原理见图2.2.3,由图可知切削速度低于某个值时,切削阻力会急剧增大,而高过此值时,变化会比较平缓,因此设计主切削刃棱带、槽型主参数时必须遵循这个规律,对于球头刀来说,设计为图2.2.4变棱宽棱带、光滑曲面的切屑导流槽、连续变化的前角、槽宽等等最为合适,配合前刀面的减振凸台设计可以在保证刃口强度的基础上尽可能的减少棱宽从而最大化减少切削阻力和抑制振动。分屑槽刀片,对于大直径刀具D50、D40刀具和大悬长刀具来说,在进行过渡全刃接触铣削时,几乎难以加工,排屑非常困难。刀片极易被堆积的切屑挤缺。这时需要采用分屑技术的刀片,具体见图2.2.4。在实际验证时,加工效率得到2倍以上的提高。

 

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  D 极限过载和疲劳破损校验,进一步改进刀具结构,确保刀具能够长期稳定切削。极限试验主要用于检测刀具在推荐的切削参数下安全性能,包括一系列的超载试验。这需要投入极大的物力和精力,一个产品的开发必须包含此项验证。这里列举其中一项试验:
检验刀具:BMR03_040_G32_XP30_02_M 刀片 XPHT40R2004 牌号:YBG302
被加工材质:NAK80 HRC40 切削参数:VN=2500 AP=5MM AE=4MM F=2000MM/MIN
试验结果:加工16小时后,刀具出现疲劳损坏裂纹,见图 2.2.5,刀体上部安装刀片的刀槽底面与侧面出现明显的裂痕。刀体已经无法继续使用。

   正是疲劳试验发现了该试验刀具的内在缺陷,为此进行了四次大的改进来解决这个问题,其中包括1)面与面间采用圆弧过渡,消除应力集中;2)更高精度的锁紧螺纹配合,锁进螺钉的头部优化设计,采用最新一代TOX-PLUS螺钉头部花纹和配套扳手,极大提高刀刀片自锁能力,提高刀片的安装刚性;3)采用优质耐热合金钢制造刀体,提高刀具刀体的在300-400c高温下的高温强度;4)改变表面处理和热处理工艺,提高抗疲劳性能。改进产品小批量客户试验证明消除缺陷的产品完全可以满足实际使用的要求。

  3粗铣球头刀具的客户实际加工案例

   汽车覆盖件模具加工案例1

  机床:意大利龙门三轴加工中心

  刀具:BMR030-G32-XP30-02-L 刀片:XPHT30R1504 牌号YBG302

  被加工材料:FC600

  加工参数:VN=3000N/MIN AP=4~8MM AE=4MM F=3000MM/MIN

  结果:加工前与加工后在线激光对刀仪检测,精度与国外刀具相同,一次加工17小时刀具微见磨损,刀片刃口完好,小批量使用后性能与国外产品相同,建议批量订货取代国外刀具。

  汽车覆盖件模具加工案例2

  机床:意大利龙门三轴加工中心

  刀具刀体:BMR050-MT5-XP50-02-L(SZ) 图片见图3.1

 

 

(图3.1)

 

(图3.2)

  刀片:XPHT50R2506-GM 牌号 YBG302,图片见图3.2

  被加工材料:钼铬铸铁,厂家出于保密牌号不祥

 

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  被加工工件为某新型轿车的车身拉延模具凹模,加工现场图片见下图

   

  加工参数:VN=1300N/MIN AP=3~6MM AE=8MM F=2900MM/MIN

  试验过程:由于被加工工件属于大型模具,行腔较深,刀体选用加长型杆,联结的柄部采用较为稳定精度可靠的莫氏5号锥柄,当然也可采用英制复合带轴向锁定的削平柄结构,刀片较大采用复合锁进即偏心螺钉和压块同时缩紧,刀片底度有防重切的椭圆凸三角凸台,可避免刀体在强烈振动时损坏。冷却方式为吹气方式,主要是及时将堆积铁屑从高速旋转的刀具边上吹走,以免损坏刀片和刀体。试验采用连续加工方式,即只更换刀片,连续加工一件模具。试验时间为33小时,其间更换四次刀片。


  No.

  切削方式

  刀具

  切削条件参数

  切深

  切宽

 加工时间

 

 

使用数量

 

 

结果

 分析

   分层    S1200   F2300  3    9点30分至10点30分  没有更换刀片    运转1小时没有更换刀片,继续使用  
   等高    S1300  F2900  3-4    11点至18点  18点更换了刀片的切削刃    连续运转7-8小时后更换刀片  刀片使用正常磨损
   等高    S1300  F2900  3-4    18点至24点  24点更换刀片    运转6-7小时后再次更换刀片  刀片使用正常磨损
   等高    S1300  F2900  6    24点至7点30分  7点30分更换刀片    运转6-8小时更换刀片  刀片使用正常磨损
   等高    S1300  F2900  6    7点30分至15点      连续运转7-8小时没有更换刀片
           
 
           
  试验的结果是无论采取何种加工方式,刀具都能够稳定加工,在同等参数下每个刀尖能够稳定加工8小时,刀片的寿命非常稳定,试验后刀片的磨损照片见图3.2,刀片没有任何缺损和破口,磨损均匀。刀体连续加工33小时没有任何的损伤,完全达到客户的严格测试要求,切削的效果、精度与国外的产品没有任何差别。

  这不过是该刀具的一部分应用实例,该产品目前已经通过4家大的客户成规模的验证,证实其高的可靠性。

   4结束语:株洲钻石切削股份有限公司通过三年不懈努力,粗铣球头铣刀通过一系列优化设计,实例证明其高效切削性能,刀具寿命更长,振动更低,性能可以和国外先进厂家相当;批量应用证明该刀具性能稳定可靠,由于性价比高节约了刀具消耗成本,为汽车外覆件模具加工提供新的高效刀具技术支撑。

 

(马晓魁)

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