铣刀（八）模具铣刀

一、模具铣刀的特点和应用

现代模具的成形制造中，随着机械电子、汽车、家电等行业新产品美观度及功能要求的提高，越来越复杂的零件使模具的型面日趋复杂，自由曲面所占比例不断增加，这对模具加工技术提出了更高要求。由于模具结构复杂、精度要求高，不同部位的型面特征及材料有较大的差别，所使用的模具铣刀也不同，图4-82为模具加工中常用的几种铣刀。

（一）不同加工方式的模具铣刀选用

1.选择模具数控铣削用刀具 在模具数控加工中，铣削零件内外轮廓及铣削平面常用平底立铣刀，对于一些立体型面和变斜角轮廓外形的加工，常用球形铣刀、环形铣刀、鼓形铣刀、锥形铣刀和盘铣刀。

模具铣刀用于加工模具型腔成形表面，型腔部分的加工主要是依靠各种立铣刀。模具铣刀是由立铣刀演变而成的，按工作部分外形可分为圆锥形平头、圆柱形球头、圆锥形球头三种。按材料分为硬质合金模具铣刀、高速钢模具铣刀等。硬质合金模具铣刀用途非常广泛，除可铣削各种模具型腔外，还可代替手用锉刀和砂轮磨头进行清理铸、锻、焊工件的飞边，以及对某些成形表面进行光整加工等。表4-17所示为不同加工方式的模具铣刀选用。

2.模具铣刀选择 合理的刀具寿命一般分最高生产率刀具寿命和最低成本刀具寿命两种，前者根据单件工时最少的目标确定，后者根据工序成本最低的目标确定。

与普通机床加工方法相比，数控加工对刀具提出了更高的要求，不仅需要刚性好、精度高，而且要求尺寸稳定，刀具寿命高，同时要求安装调整方便，以满足数控机床高效率的要求。数控机床上所选用的刀具常采用适应高速切削的刀具材料，并使用可转位刀片。对于装刀、换刀和调刀比较复杂的多刀机床、组合机床，刀具寿命制订标准应选得高些，还应保证刀具可靠性。当车间内某一工序的生产率限制了整个车间的生产率的提高时，或某工序单位时间内所分担到的全厂开支较大时，刀具寿命也应选得低些。

制订刀具寿命时可考虑刀具制造、磨刀成本和复杂程度等因素。对于换刀时间短的机夹可位刀具，为了提高生产效率，充分发挥其切削性能，刀具寿命可选得低些。复杂和精度高的刀具的寿命应选得比单刃刀具高些。大件精加工时，为保证至少完成一次走刀，避免切削时中途换刀，刀具寿命应按零件精度和表面粗糙度来确定。

（二）不同模具型面加工模具铣刀结构选用

模具加工中不同加工阶段选用的刀具结构也不同，模具粗加工和精加工可选用刀具的结构如图4-83所示。

中小型毛坯的加工可采用先进的刀具进行加工，从而提高了加工质量和生产效率。大型模具应根据模具尺寸大小不同，粗精加工要求不同，加工部位不同，选择使用相应立铣刀。小型模具如手机模具加工（见图4-84a），多用整体立铣刀加工，大型模具加工如保险杠注射型腔（见图4-84b），因考虑经济性及提高加工效率，多使用带可转位刀片的机夹式立铣刀，而精加工一般多用整体立铣刀。

表4-18总结了适用于不同模具型面的不同结构的模具铣刀。根据不同的模具型面特点，正确和合理的选择可大大提高模具铣削加工效率并减少刀具的浪费，降低生产成本。

模具粗加工的主要目标是追求单位时间内的金属去除率，并为半精加工准备工件的几何轮廓。模具半精加工的主要目标是使工件轮廓形状平整，表面精加工余量均匀。在模具粗加工、半精加工中主要进行大进给高效经济加工，可使用可转位刀片铣刀及大进给高速铣刀等。其中大进给高速铣刀可以在非常高的切削参数下进行切削，其工作台进给非常高，但切削厚度小，属于大进给但小背吃刀量，切削力主要产生在轴向上，可降低振动趋势并获得很高的金属去除率。

（1）粗加工、半精加工不同型面加工时铣刀选用要点

1）粗加工较大的型面（平面，斜面等），应选用可转位刀片立铣刀、面铣刀、大进给高速铣刀。

2）粗加工、半精加工较小型面，应选用带圆刀片立铣刀，圆形刀片的圆弧半径大，刀片强度大。

3）粗加工、半精加工更小的型面，应选用可转位刀片球头立铣刀，刀片形状可选用柳叶形，切削力小，加工效率高。

曲面精加工时采用球头铣刀，球头铣刀的球半径应尽可能选得大一些，以增加刀具刚度，增加散热性，降低表面粗糙度值。一般情况下，精加工曲面的曲率半径应大于刀具半径的1.5倍，以避免进给方向的突然转变。但加工凹圆弧时的铣刀球头半径必须小于被加工曲面的最小曲率半径，球头铣刀进行曲面半精铣和精铣；小直径球头铣刀可以精铣陡峭面/直壁的小倒角。

但是，采用球头铣刀通过加大背吃刀量来提高加工效率时，加工后工件上会留下明显的切削残留部分，这将增加后续精加工刀具的加工负荷。虽然粗加工效率很高，但会降低后续工序的加工效率。

（2）精加工不同型面时铣刀选用要点

1）精加工较大的型面可选用可转位刀片式球头精加工立铣刀，实现高精度加工；精加工较小的型面可选用整体球头立铣刀实现高精加工。

2）微小圆弧R部的精加工，可选用高精度球头铣刀（见图4-85），实现高精加工。

3）微小尺寸宽度的深沟槽及边角部位，在每一个工件的清根、清角加工时，可选用小直径的整体硬质合金刀具（见图4-86）。

（三）模具加工中仿形加工刀具的选用

当模具型腔为复杂的立体曲面，而又难以分解成若干简单型面来加工时，宜采用仿形铣削加工，仿形铣削加工效率较高，特别适用于型腔的粗加工。仿形铣涵盖二维和三维凸面和凹面形状的多轴铣削。零件越大和待加工形状越复杂，工艺规划就变得越重要。典型的仿形铣削如图4-87所示。

仿形铣削主要指对凸形凹腔和曲面的铣削，常用于模具制造轮廓的加工。仿形铣刀多采用圆弧刃，与普通铣相比，在相同进给条件下可获得较小的加工残余面积，从而提高表面加工质量。

1.仿形铣刀特点

仿形铣刀是配备带有圆切削刃的可转位刀片的刀具。该铣刀全部带有圆切削刃（用于圆环面铣刀或球头铣刀的可转位刀片）或部分带有圆切削刃，仿形铣刀分类中包括套式铣刀、带螺旋刀柄的铣刀、模块化（螺旋）铣刀等。

仿形铣刀使用圆形刀片，使得仿形铣刀具备多种优点，可实现小背吃刀量、大进给，这是高速加工发展趋势下的一个补充，仿形铣刀具有如下优点：

1）进刀能力强。一些仿形铣刀可以象钻头那样，直接进刀，切入工件。

2）螺旋插补。综合运用仿形铣刀和螺旋插补可以容易、快速地加工大直径孔。

3）切削刃强度。由于没有尖角，圆形刀片能承受更大的刀具偏转和振动，允许加工中提高转速、增大进给，同时减少崩刃的危险。

4）切削刃数目。圆形刀片拥有更多可用的切削刃。根据刀片的尺寸以及背吃刀量，圆形刀片可以有4〜8次有效的转位，材料去除量至少是普通菱形和方形刀片的两倍。这种优势可以减少操作者换刀片的次数，效率高，经济性好。

5）高效切削。使用圆形刀片不需要很高的机床功率即可拥有很高的金属切削率。因为圆形刀片的强度高，所以可以选用比直角铣刀更大的进给量进行加工，甚至可以在轻型机床上进行较大负载的粗加工。

6）粗加工后工件表面精度较高。采用圆形刀片铣削后的表面不像直角刀具粗加工表面后残留了明显的凸凹不平，而表面残留高度较低。采用圆形刀片粗加工后的工件表面精度较高，可以直接进行半精加工，甚至可直接进行精加工。

2.仿形铣刀选用

1）仿形铣刀刀片的分类及选择。仿形铣刀主要有圆刀片的铣刀和球头铣刀。装圆刀片的铣刀如图4-88所示。球头型铣刀及刀片如图4-89所示。

2）刀体、刀片的选择。仿形铣刀刀体的选择可根据应用场合工况决定刀体选择（见表4-19）。

注：资料来源于《山高铣削手册》。

3）加工阶段的选择。粗加工一般用圆刀片刀具，精加工使用整体硬质合金球头立铣刀，带可互换整体式硬质合金切削头的立铣刀（见图4-90）。

4）在仿形铣削中，常用的刀具有圆刀片的铣刀、球头铣刀、可换铣削头式球头铣刀及整体硬质合金球头立铣刀4种。表4-20在考虑切削加工稳定性、加工成本和生产率等几个方面，对这4种常用的仿形铣刀进行了比较。

5）切削速度的计算（示意图见图4-91、图4-92）。当计算球头铣刀或圆刀片刀具的切削速度时，实际切削速度vc将更低（如果ap较小时），工作台进给和生产效率将受到严重限制。

图4-91 球头铣刀

图4-92 圆刀片

根据实际或有效切削直径有：

对于球头铣刀有效切削直径的计算：

式中 n——转速，单位为r/min；

vc——切削速度，单位为m/min；

Dcap——有效刀具直径，单位为mm；

Dc——刀具公称直径，单位为mm；

ap——轴向背吃刀量，单位为mm。

圆刀片刀具的有效直径的计算：

（四）模具铣刀实际应用问题及对策

模具制造中所使用的刀具刀片主要的故障情况是热裂，然后是裂缝周围的磨损、积屑瘤，最后是刃口崩损。模具铣削加工过程中，由于刀具选择不当或者参数设定不合适，会出现各种各样的加工问题。模具加工中刀具出现问题分析归纳如表4-21所示。模具加工过程中可能会出现以上各种问题，其中包括模具铣刀问题以及其他别的原因，而针对问题特点，及时准确判定问题的原因，做出合理规范的修正，可避免生产事故，以达到降低生产成本、提高生产效率的目的。

式中 Dc——刀具公称直径，单位为mm；

i c——刀片公称直径，单位为mm；

ap——轴向背吃刀量，单位为mm。