刀具在零余量加工中的重要性

图1 图中为一块经过硬化处理的H-13
金属（硬度为54HRC）已被加工出精
细的型腔，CAD模型的精度为微米级

想要成功的实现零件的零余量加工，其关键在于立铣刀的选择是否合适。

零余量加工（ZSM）（也称近净成形或负余量加工）是指模具在加工时无需留出额外的余量。当ZSM被有效的应用时，可以使模具制造商得到很大的利益，费时的EDM加工、手工操作、抛光、装配、校准和修整等都可以被省略，组装和整体制模的时间也可以大幅缩短。实现ZSM加工需要的几个要素（机床、编程和刀具），所有这些协调运用即可达到预期的效果。

合适的机床能够提供高精度、高主轴转速（18000+r/min）、高进给速度（500 +ipm），以及良好的稳定性和刚性。高效的编程软件将提供更准确的高度优化的刀具路径，缩短了加工时间。在5轴加工中，编程软件将刀具定位在工件的最佳加工角度上，如果其中某个要素选择或使用不当，加工将毫无效率。

立铣刀的作用

高效模具制造方法的一个要素就是立铣刀。通常情况下，刀具的重要性会被低估或忽略，但是当刀具从机床、编程和成品零件中被提出来单独考虑时，它的重要程度就变得十分清晰。

需要特别指出的是ZSM不是铣削技术，相反它是将已经确定的铣削技术（HSC和硬铣削）与整体模具制造方法结合应用。ZSM的建立来自于一种突破传统的方法，这需要如同改变思维一样来改变技术，这种变化来源于对刀具重要性的认识。这里我们所要讨论的内容包括冷却/润滑和涂层技术，这些是影响刀具性能必不可少的因素。

有效的高速切削

从刀具的角度来看，高速切削是ZSM的基础。HSC是金属材料被高速切削的加工方法（比传统的机械加工速度快5~10倍），并且是具有高加速度和高精确的快速运动。HSC利用主轴转速，在加速进给时采用相对较浅的切削深度能有效地去除金属材料。也可以这样定义：在切削加工时采用足以产生一定摩擦（释放热量）的高速度，使切削下来的金属碎屑熔化。

碳化物的耐热性结合最优化的排屑槽几何尺寸，便于微小碎屑快速排出，并使切削区周围迅速冷却。

由于高转速主轴要实现高速切削(HSC)，刀具本身必须具有良好的平衡性。 如刀具应采用直柄，在进行精加工操作时，刀具应该有偶数的排屑槽，这样可以使切削加工更加流畅和均匀。最重要的是立铣刀的刀柄和切削直径要达到微米级的公差，以便减少振动，从而延长刀具寿命（图1）。nextpage

成功的硬铣削

当使用硬质模具钢的做法变得更加普遍时，去除材料的有效方法要仔细审核。在硬度超过52HRC时，采用传统的高速钢铣刀就无法进行有效地金属材料硬铣削加工。

实现有效的硬铣削需要用使更坚硬的材料制造的刀具，如硬质合金、金属陶瓷和立方氮化硼（CBN）等材料。硬质合金由于具有更佳的耐久性和成本效益成为首选材料。

以下是一些成功实现硬铣削和HSC加工所采用的刀具的重要特点：刀具由微米级颗粒或亚微米级颗粒构成的硬质合金材料组成；高性能的TiAIN涂层可以为刀具提供最佳的性能，并延长刀具的使用寿命；尤其是在特殊几何形状加工时的应用。通常情况下，工件越坚硬则负倾角越大（0~3），而螺旋角则越小（30~0）。

1.干式加工

干式加工更适合于淬火钢的加工。更为节省，节省的不仅是冷却液的成本，而且还包括冷却液的处理成本（处理成本通常大于冷却液自身的成本）。从生态学角度来看，这是一个更好的选择，它将有利于生态环境的保护，由于冷却液会危害人体的健康，引起过敏反应、呼吸道炎症和中毒等反应。

从技术角度来看，干式加工消除了热辐射的危险，这种热辐射是由于冷流体接触到热刀具而产生的。这种剧烈的温度变化会导致刀具龟裂或在刀具的刃口上产生细小的裂纹，从而直接导致刀具过早的损坏。干式加工可以加速冷气流的扩散，从而使切割区域降温，并有助于加速排屑。

2.硬质合金

硬质合金刀具是由相对较软的粘接剂、钴（CO）和碳化物（WC、TiC、TaC、Nbc）等用来提供硬度的复合材料构成的。通过烧结处理钴材料融化，而碳化物以更高的熔点在极高温的情况下依然呈现为固态。一旦冷却，其结果是钴粘接剂和脆性的碳化物粒子所形成一个坚实的混合物。

在ZSM加工时，立铣刀的构成是一个重要的考虑因素。碳化物可以在各种颗粒结构下应用，包括纳米、亚微米、微米，细、中、粗和特别粗糙的颗粒。现代加工首选的刀具是由微米或亚微米碳化物颗粒构成的。

各种成分形成的钴和碳化物的混合物，其中碳化物由不同尺寸的颗粒组成，可以得到一个具有多种硬度和韧性的刀具。因为随着硬度的增加，碳化物的脆性也会增加。如果在硬度和脆性之间取得适当的平衡，一定可以得到合适的硬质合金刀具。在硬铣削加工时，使用更坚硬的硬质合金刀具是一个非常明智的选择。低碳钢在HSC加工中应用时，如果不是非常坚硬的情况，有较强弹性的碳化物将能提供最佳的刀具寿命。nextpage

3.涂层

PVD（物理气相沉积）涂层技术被推荐应用于硬削铣、HSC，以及ZSM加工时所使用的刀具。在一个典型的物理气相沉积过程中，钛和铝以电极的形式被引入到真空腔中。使用电流撞击这些电极或ARC操作，这样电极蒸发并释放成为电子状态。氮气随后注入真空腔，在高温下各种形式的等离子气体的电子被吸引，并沉积到碳化物上形成坚硬的薄膜，如TiAlN。这些涂层可以是单层、多层，或使用不同的交替涂层，如TiAlN和TiN（图2）。

图2 多层TiAlN涂层

涂料对于生产率和刀具寿命有着重要的作用，并最终会对模具制造的成本效益产生影响。一般情况下，由于增加了抗摩擦及耐热性能，涂层使得刀具减少了的磨损。涂层润滑（摩擦系数作为衡量指标）有助于防止冷焊和减少切削力。反之，由于刀具寿命的延长，使切割速度得到提高，工件表面质量进一步改善，生产成本大幅降低。

而在某些情况下，涂层则被证明是有害的，如一个相对比较厚的涂层可能对切削刃的锋利程度和表面质量产生负面影响。另外，多涂层可以减少摩擦热或热冲击所造成的裂纹的延伸。在物理气相沉积（PVD）过程中，电子结合在一起时可能会在涂层上形成液滴，这些液滴增加了涂层的表面粗糙度，对切屑流产生负面影响。

为了解决这种问题，制造商将对优质立铣刀的排屑槽进行表面处理，类似于抛光工艺，这将大大改善涂层表面的粗糙度。nextpage

这样也有利于对刀刃以前形成的涂层进行预处理。切削刃的研磨，可以减少或消除制造加工时遗留的细微磨线。由此产生的平滑表面为提高涂层附着力，减少冷焊，以及为材料积聚在刀刃上提供了一个更好的基础。

模具制造商在使用ZSM方法时需要认真地对刀具进行评估，因为刀具是机床和编程的要素。但最重要的是需要评估不同的刀具（通常可以通过抽样测试）来确定最佳的刀具选择（图3）。

图3 偏摆对刀具寿命的影响

单纯凭价格是不能有效评估立铣刀的。随着刀具技术的发展，更多的功能和特征不断出现，如坡口加工、精密几何尺寸工件的加工、现代化的涂料和独特的碳化物技术等都将增加切割刀具的成本，但是这些成本都可以很容易地被增加的刀具寿命和性能价值所补偿。