航空发动机模具的高速铣削

（4）高速铣削也使得模具修复更加方便。叶片模具在使用一段时间后，在下模型线的分模面就会出现塌陷，导致产品质量下降，这时就需要修模，以保持产品的质量和延长模具的使用寿命。过去修模主要是通过把塌陷处补焊再电火花加工来完成，或补焊后手工打磨。补焊时，模具存在应力集中，易导致模具使用时开裂。因此，电火花加工后还须增加去应力退火，模具的修模时间较长。采用了高速加工后，只需降低模具的分型面，直接使用原来加工时的NC精加工程序，无需重新编程，提高了修模效率。并且可以提高模具型腔的表面粗糙度, 去除模具使用的过程中产生的龟裂等缺陷，使模具使用寿命延长。

综上所述，在叶片模具的高效、低成本制造中，高速铣销能发挥重要作用。

刀具及刀具材料

为了使高速铣销在模具加工中发挥高效、低成本的优势，必须合理选择刀具及刀具材料。

1 刀具材料

阻碍高速切削技术发展的一个重要障碍曾经是刀具材料的耐高温和耐磨损问题。刀具磨损机理研究表明，在高速切削时，刀尖温度将超过900℃，此时刀具的磨损不仅是机械摩擦磨损（以刀具后刀面磨损为主），还有粘接磨损、扩散磨损以及氧化磨损（以刀具刃口磨损和月牙洼磨损为主要形式）。高速切削刀具材料需要更高的硬度和耐热、耐磨性。新材料、新工艺的不断出现，使刀具材料由早期的高速钢、硬质合金发展到陶瓷、金刚石、CBN、PCBN（Polysrystallinecubic born nitride，聚晶立方氮化硼）和刀具涂层材料。PCBN刀具和硬质合金涂层刀具在叶片模具的高速铣削中应用最为广泛。

PCBN是在高温高压下将微细的CBN材料烧结结合在一起的多晶材料。由于受CBN制造技术的限制，目前直接用于切削刀具的大颗粒的CBN仍很困难，因而PCBN得到了较快发展。由于PCBN刀具具有与金刚石刀具相近的硬度，又具有高于金刚石的热稳定性和对铁族元素的高化学稳定性，因而在淬硬模具钢的高速切削中应用广泛。

PCBN刀具不宜在低速下进行切削，因为它是以负前角与高速切削时所产生的高热不断在切削区极微小范围内使工件材料软化进行切削加工的，而且也不宜切削软的铁族材料、未淬火钢和铝合金等，因为易产生积屑瘤，引起切削力波动，使被加工表面恶化，降低刀具寿命。

硬质合金刀具材料虽具有韧性好、抗冲击、通用性好等优点，但其高温硬度和耐磨性仍不能满足高速切削需要。刀具涂层技术是硬质合金刀具技术发展中的一个重要转折点。涂层硬质合金是用气相沉积方法，在韧性较好的硬质合金基体上，涂覆一层或多层高硬度、高耐磨性的材料，从而获得既有高韧性又有高耐磨性的刀具材料。涂层材料可分为2大类：一类是“硬”涂层材料，如TiC、TiN、Al2O3等，优点是硬度高、耐磨性好。另一类是“软”涂层材料，如MoS2WS2等，特点是表面摩擦因数低，切削力小，切削温度低。为了改善涂层刀具的切削性能，新型涂层材料及涂层方法层出不穷。

复合涂层与多层涂层材料，例如，TiAlN、TiCrAlN、TiSiN与TiAlSiN，在淬硬钢的高速切削中应用广泛[6]。复合涂层是由各种不同功能或特性的涂层薄膜组成的结构，其典型涂层为目前的硬涂层+ 软涂层，每层薄膜各具不同的特征，从而使涂层具有更好的综合性能。多层涂层是由多种性能各异的薄膜叠加而成，每层膜化学组成基本恒定[7]。其中，TiAlN涂层具有硬度高、氧化温度高、热硬性好、附着力强、摩擦因数小、导热率低等优良特性, 尤其适用于高速切削高合金钢、不锈钢、钛合金、镍合金等高硬材料。在要求高耐磨性的场合下，鉴于TiN涂层在高温性能方面所表现出的不足，TiAlN有望部分或完全替代TiN[8-9]。

实践证明，涂层硬质合金刀片比未涂层刀片的寿命提高几倍[10]。此外，涂层刀片通用性好，一种刀片可以代替多种未涂层刀片，大大简化了刀具管理和降低了刀具成本。

2 刀具类型与结构

在叶片模具高速铣削过程中，整体式立铣刀应用最为广泛。叶片模具高速铣削铣刀有3大类：平底立铣刀、球头立铣刀和可转位铣刀。平底铣刀的刀尖很容易破损、刀具易失效、曲面加工精度低。由于模具型腔为自由曲面，且精度和表面质量要求高，因而球头立铣刀应用最多，且球头铣刀刀尖不像平底铣刀刀尖那样薄弱，并且刀刃形状有利于切削刃上载荷的均匀分布。但球头铣刀的制造比平底铣刀困难，球心处的切削速度为零，使得加工表面质量降低。对于小尺寸的型腔，不宜采用可转位铣刀。

需要特别注意的是，在整体式硬质合金涂层立铣刀高速加工时，由于加工过程中往往是刀尖先接触工件，而铣刀刀尖处刚性差, 易发生刀尖破损。刀具破损后刀尖附近的涂层易被破坏而可能出现脱落。工件淬火后硬度大大提高，若淬火后工件材质不均、有裂纹，可加工性能大大降低，当加工到淬火后的局部硬质点位置时，切削力会突然变大，容易出现崩刃现象。

刀具结构、切削刃的几何参数以及刀具的断屑方式等对高速切削的效率、表面质量、刀具寿命以及切削热量的产生等都有很大影响。

在高速铣削时，合适的刀具后角和合理的进给速度，能产生足够大的切屑厚度，带走热量，避免切削硬化。刀刃前角是影响刀具切削载荷的重要参数，应合理选择；切削载荷与刀具每切刃的进给量有关。

一般来说，高速刀具的几何角度和传统的刀具大都有对应的关系。选择合适的刀具参数，除了使刀具保持切削刃锋利和足够的强度外，很重要的目的是能形成足够厚度的切屑，使切屑成为切削过程的散热片，带走尽可能多的热量。

铣削用量与铣削方式

对于模具加工，正确选择和优化切削参数，是保证高速切削能够达到顶期效果、避免机床颤振的重要环节。目前，高速加工还没有完整的工艺参数表和高速切削数据库，不能通过切削手册进行选择。对于每一种刀具也还没有特定的公式来确定最佳的切削参数组合。

高速铣削用量主要包括铣削速度、铣削深度（包括轴向铣削深度和侧面铣削深度）、进给速度或每齿进给量以及铣削刀具的悬伸长度等。影响高速铣削用量的因素非常多，其中最主要的是工件材料和铣刀材料的匹配关系。

实际生产中，可以根据工件材料、刀具材料、工序特征等，通过实验或仿真的方法来确定最佳的切削速度和进给量。目前有相当多的研究者在关注高速切削用量的选择问题。