在美國的模具制造業，始終保持技術領先可能就是贏利大戶與一般企業之間的區別。雖然可以采用各種策略來增加企業贏利，但其中最容易提高企業效益的策略是采用先進的刀具技術。本文將介紹和分析刀具技術的最新發展動向，以期對模具制造企業提高刀具技術水平有所裨益。 

 　　要想提高刀具技術水平，具備可靠的刀具技術實用基礎知識十分重要。決定切削刀具質量好壞的核心要素是刀具基體、刀具幾何參數和表面處理技術。在這些要素中，有一些特性對于模具的切削加工至關重要。 

 　　刀具基體 

  　　關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合金刀具銑削一下H13或D2淬硬鋼工件。正如大多數模具制造商都知道的，并非所有模具鋼的性能都完全相同。事實上，如果你曾經體驗過從切削P20到切削D2淬硬鋼的變化，你就能正確理解本文討論的內容。這一點非常關鍵，因為它同樣適用于硬質合金基體材料。根據定義，硬質合金材料實際上可分為4種類型（見下表。數據來源：OSG Tap & Die）。 

 　　硬質合金的分類表
 　　硬質合金分類－晶粒尺寸
 　　微米晶粒硬質合金－1.0～1.3μm
 　　亞微晶粒硬質合金－0.6～0.9μm
 　　超細微晶硬質合金－0.4～0.5μm
 　　納米系列微晶硬質合金－0.1～0.3μm
 　　硬質合金晶粒的尺寸越小，硬質合金基體的硬度就越高，其耐磨性也越好。再進一步細分，硬質合金基體包括兩個關鍵特性：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）。通常以橫向斷裂強度（TRS）作為表示基體韌性的度量指標。
 　　（2）硬度
 　　硬度可以簡單地通過對一個堅硬的測頭施加精確載荷時在給定被測材料上留下的壓痕大小來測定。材料越硬，抵抗變形的能力就越強。 
 　　硬質合金基體中的鈷含量直接影響材料的橫向斷裂強度（TRS）和硬度。鈷是硬質合金中主要的粘結劑元素。增加鈷含量可以提高基體材料的韌性（TRS），但同時會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）設計制造獨特的刀具。 

 　　刀具幾何參數 

  　　新型高速機床加工技術的出現對刀具性能也提出了更高的要求，這些刀具在高主軸轉速和高進給率的加工條件下應保持穩定的切削性能。如今在高速/高硬銑削加工領域，普通硬質合金刀具的市場空間已越來越小，雖然此類刀具并非已完全退出市場，但目前市場流行的先進機床已不再使用20年前甚至10年前設計的硬質合金刀具，因為市場已經完全變化了。在硬銑削加工領域，刀具幾何參數的設計必須滿足剛性和精度兩方面的要求。
 　　對于整體圓形刀具而言，反映刀具剛性的主要指標是芯徑尺寸。立銑刀的標準芯徑為其直徑的50％。由于硬銑加工對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，獲得的回報是刀體質量增大，剛性提高，在銑削淬硬材料時可為切削刃提供更好的支撐。由于切削深度很少超過刀具直徑的10%，因此容屑槽空間的減小不會成為太大問題。
 　　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行手工修磨的程度。高質量的球頭立銑刀每隔10°就要檢測一次徑向精度，而普通立銑刀的精度檢測常常要寬松得多，其結果是加工時刀具的誤差被傳遞到工件上，增加了額外的手工修磨工時。 

 　　刀具的表面處理 

 　　高速切削和硬銑削的加工原理導致加工中產生的切削熱穩定升高。因此，標準的PVD涂層（如TiN或TiCN涂層）已不再具有優勢，TiAlN涂層無疑成為最佳選擇，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定的加工場合。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滑性并擴展了刀具性能。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、幾何參數和涂層的技術創新 

 　　加工實踐表明，通過應用切削刀具在基體材料、幾何參數和表面涂層方面的創新技術，推動了模具加工技術的迅猛發展。
 　　（1）新型刀具基體材料（微型工件的硬銑削）
 　　傳統工藝：使用直徑3mm以下的硬質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完成精加工。由于刀具直徑相對于工件尺寸非常小，以至于銑削時間通常要超過1～2小時。
  　　新工藝：磨制的CBN球頭立銑刀是為硬銑加工而開發的新一代刀具。與TiAlN涂層硬質合金立銑刀相比，刀具硬度從Hv2800提高到Hv4500，這就意味著CBN刀具壽命可達到硬質合金刀具的5～10倍。如今，磨削技術的進步使得CBN刀具螺旋刃的磨制成形成為可能，而過去因為磨削時砂輪易變形， CBN螺旋刃的精確刃磨曾被認為難以實現。以前只有采用銑刀片和車刀片才能實現對硬度達HRC70的淬硬鋼精加工，如今采用CBN整體圓形刀具也能完成，其結果是可降低刀具的長期成本，改善加工表面光潔度和消除因更換刀具引起的刀痕。
 　　（2）刀具幾何形狀設計新技術（例1：低主軸轉速、高進給率加工）
 　　傳統工藝：由于無法達到獲得更快切削速度和更大進給量所必需的主軸轉速，缺少高速機床（主軸轉速15000～40000r/min）的模具生產車間只好被迫犧牲加工循環時間，從而導致生產效率低下，無法與采用高速機床的同行進行市場競爭。
 　　新工藝：采用專利技術設計的新一代刀具可以實現低轉速/高進給銑削加工。這種新的刀具幾何形狀設計采用了三維負切削角，其負前角沿切削刃的長度從小到大不斷變化。
  　　這種新的刀具幾何形狀設計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。這種三維復合切削刃實質上采用了徑向切屑減薄的概念，因此產生的切屑更小，并能承受更大的切屑載荷。這種新設計與增加排屑槽相結合，使刀具能夠采用更高的進給率而不必像過去那樣必須提高主軸轉速。這種刀具是為那些擁有適用控制技術（預判軟件）和主軸轉速在 4000～12000r/min范圍內的加工機床而設計的。
 　　這種切削形態的另一個重要優點是即使當刀具懸伸量加大或在毛坯加工余量較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，相當于在加工大型模具時節約了寶貴的時間和加工成本。模具制造商在使用主軸轉速低于15000r/min的機床加工時，再也不會局限于較低的金屬去除率了。
 　　（3）刀具幾何形狀設計新技術（例2：模架水線的加工）
 　　傳統工藝：模架水線的加工通常采用槍鉆或鑲硬質合金鉆尖的鉆頭。在使用高壓冷卻液的條件下，鉆頭以1～2″/min的低進給率鉆進，并需不斷地提鉆啄擊，以保證切屑的排出。采用這種傳統工藝，鉆削一個9″深的7/16″水線需要90秒鐘才能完成。
  　　新技術：專門為加工模具水線而設計的整體硬質合金內冷卻麻花鉆可在無需提鉆啄擊的情況下加工長徑比達30倍的深孔，進給率可高達18～30″ /min，從而可將加工時間由原來的數分鐘縮短到幾秒鐘。此外，刀具壽命延長，表面光潔度改善，加工精度可穩定保持在0.001″以內。
 　　這種新一代內冷卻硬質合金麻花鉆采用了特殊設計的槽型和減薄的鉆尖，以產生細碎的切屑并能順暢排出，從而可使從孔頂到孔底的鉆削扭矩始終保持恒定。
 　　（3）表面涂層處理新技術（加工硬度HRC50以上的淬硬模具鋼）
  　　傳統工藝：硬度HRC50以上的淬硬模具鋼通常采用TiAlN涂層硬質合金刀具加工。迄今為止，許多模具加工車間對于硬銑削刀具技術感到相當滿意，目前市場上最好的刀具一般能以高達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，進一步提高切削速度的限制總是來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℃，超過這一溫度涂層就會破損，刀具自然會隨之失效。
 　　新工藝：采用納米涂層技術開發的新型多層TiAlN涂層突破了傳統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TiAlN涂層的Hv2800提高到Hv3600。
 　　納米涂層技術的優勢就是在加工淬硬鋼時因為允許切削速度的提高而可以充分利用更高的主軸轉速。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%，從而可轉化為更快的加工循環而勿需犧牲刀具壽命。
 　　
 　　結語
 　　
 　　在美國，模具制造商之間的競爭非常激烈。雖然與三年前相比，模具企業的運營狀況已經有了明顯好轉，但事實證明，在美國模具制造業不斷發生變革的今天，只有那些始終站在技術研發前列的企業才會持續興旺發達。
 　　現在應該重新審視那些曾經認為已十分優化了的刀具策略，以確保其始終處于技術領先地位，認識到這一點非常重要。本文提及的先進刀具技術表明，在刀具新技術方面的最小投資能使生產率、刀具壽命以及最重要的——生產效益獲得巨大的增長。