Як вибрати твердосплавні ріжучі інструменти для виготовлення прес-форм

Виробництво прес-форм запитує ріжучі інструменти для виконання п’яти різних завдань на одній заготовці: видалення об’ємної заготівлі на стадії чорнової обробки, контрольована підготовка заготовки під час напівчистової обробки, створення контурів поверхні при фінішній обробці 3D-порожнини, різання з обмеженим доступом у глибоких ребрах і кишенях, а також робота з субміліметровими деталями на лініях розділення та геометрії воріт. Кожна робота має власні контрольні змінні, і інструмент, який добре працює на одному етапі, зазвичай не підходить для наступного.

Цей посібник відображає кожен етап обробки на сімействі твердосплавних інструментів, які його обробляють, а потім охоплює три наскрізні рішення, які визначають остаточні специфікації: твердість сталі форми, покриття та параметри геометрії (кількість канавок, діаметр, жорсткість верстата). Структура відповідає послідовності обробки прес-форми від першого проходу чорнової обробки до секції кінцевого продукту, тому вона функціонує як орієнтир для вибору для інженерів і постачальників, які працюють із будь-якою поширеною маркою сталі для прес-форм.

Послідовність обробки форми та її сімейства інструментів

Перш ніж вибрати будь-який конкретний інструмент, знайдіть поточну операцію в послідовності обробки. Більшість форм для лиття під тиском, прес-форм для лиття під тиском і точних штампів проходять один і той самий робочий процес із п’яти етапів:

Два правила керують майже кожним вибором інструменту в цій послідовності. По-перше, використовуйте найбільший діаметр, який все ще відповідає функції. Більші діаметри збільшують жорсткість серцевини, підвищують здатність подачі на зуб і зменшують кількість необхідних проходів. По-друге, тримайте звис настільки коротким, наскільки це дозволяє геометрія порожнини. З кожним подвоєнням виходу інструменту за межі тримача, прогин збільшується приблизно у вісім разів за однакового навантаження різання. Обидва правила стають все більш важливими, оскільки твердість сталевої форми зростає.

Чорнова обробка: торцева фреза

Стадія чорнової обробки видаляє основну частину сталі. Тривалість циклу та об’єм стружки тут є керуючими змінними; обробка поверхні не є. Стандартним інструментом для чорнової обробки сталі є твердосплавна торцева фреза з 4 канавками зі стружколомом або високоспіральною геометрією, що підходить для сталевих матеріалів з короткою стружкою.

Стратегія розкрою та запаси

Для попередньо загартованих формованих сталей у діапазоні HRC 30–55 трохоїдальні (динамічні) шляхи фрезерування з радіальним зачепленням (ae) на 10–15% діаметра інструменту та більшою осьовою глибиною за прохід захищають ріжучу кромку краще, ніж звичайне фрезерування пазів. Підхід постійного дугового контакту запобігає раптовим стрибкам навантаження, які спричиняють відколи країв у кутах кишень у більш твердих класах.

Згідно з інструкціями Sandvik Coromant у виготовленні прес-форм, припуск після чорнової обробки має становити 0,5–1,0 мм на стінках порожнини для стандартних сталей форм і 0,8–1,5 мм при обробці з HRC 55 і вище, де напівчистова обробка потребує більше матеріалу для стабілізації геометрії порожнини перед початком чистових проходів.

Параметри вибору торцевої фрези

Діаметр: відповідайте найбільшій площі кишені або порожнини, а потім змінюйте розмір, який дозволяє функція. Для загальної чорнової обробки прес-форми діаметром 8–20 мм задовольняють більшість застосувань. Інструмент більшого діаметру має більший крутний момент і поперечний переріз сердечника, що обмежує прогин під високим навантаженням на стружку.

Кількість канавок: 4 рифлення є стандартними для прес-форми. Сталь утворює коротку стружку, тому додаткова кількість канавок підтримує більшу подачу на зуб без ущільнення стружки. Варіанти чорнової обробки з 6 канавками застосовуються, коли метою є проходи напівчорнової обробки з меншим навантаженням на стружку.

Покриття: покриття класу AlTiN або TiAlN є стандартними для чорнової обробки сталі. Обидва зберігають стійкість до окислення вище 800 °C і витримують термічні цикли переривчастих розрізів через кути кишень.

Hiboo Tools' Квадратні торцеві фрези охоплюють марки від HRC50 до HRC65 зі стандартною геометрією та геометрією OEM, придатною для традиційної та трохоїдальної чорнової стратегії обробки звичайних формованих сталей.

Напівчистова обробка: кінцева фреза з кутовим радіусом

Напівчистова обробка доводить стінки порожнин до контрольованого припуску 0,1–0,4 мм і формує 3D-поверхні для фінішної обробки. Кінцева фреза з кутовим радіусом (бичачий нос) є стандартним інструментом для цього етапу. Радіус розподіляє ріжуче навантаження вздовж скруглення, а не зосереджує його в гострому куті, що значно знижує швидкість зношування кромок у загартованих сталях порівняно з квадратною торцевою фрезою, що працює на еквівалентній швидкості подачі.

Чому кутовий радіус перевершує квадрат на цьому етапі

Геометрія кутового радіуса залишає профіль гребінця, який акуратно видаляє фінішний проход із кульковим носом. Квадратна торцева фреза на тому ж етапі залишає пласку сходинку на переході між стіною та підлогою, яку кульовий нос не може усунути без додаткового проходу CAM. Кутовий радіус також краще справляється з механікою стружки при переривчастому різанні твердої сталі. Філе розподіляє удар на вході по більшій дузі контакту.

У H13 при HRC 44–50 дані про польове застосування, опубліковані в MoldMaking Technology, вказують на те, що інструменти з кутовим радіусом подовжують термін служби інструменту приблизно на 30–50% порівняно з квадратними торцевими фрезами при тій самій подачі на зуб на переривчастих стінках порожнин форми.

Змінні відбору напівфабрикату

Радіус кута проти твердості: більші радіуси міцніші у твердіших сталей. Для H13 при HRC 44–50 типові радіуси R0,5–R2,0 мм. Для P20 при HRC 30–36 мінімальний внутрішній радіус елемента порожнини зазвичай обмежує вибір перед міцністю краю.

Зміцнення: нержавіюча сталь для форм (S136, 420 еквівалентів) може зміцнюватися під час переривчастого різання та повторного входу інструменту. Покриття AlCrN справляються з цими сталями краще, ніж стандартний TiAlN, оскільки AlCrN зберігає свою твердість за вищих температур і окислюється приблизно при 1100°C порівняно з приблизно 800°C для TiAlN, згідно з посібником Kennametal щодо марок і покриттів для твердосплавних кінцевих фрез.

Дисципліна контролю запасів: метою напівфабрикату є рівномірний запас. Залишення 0,2 мм в одній зоні та 0,5 мм в іншій змушує фінішний прохід із кульковим носом працювати зі змінним навантаженням на стружку, що погіршує обробку поверхні та прискорює нерівномірне зношування бокової частини. Перед різанням перевірте однорідність заготовки в симуляції CAM.

Hiboo Tools' Кінцеві фрези з кутовим радіусом HRC63 призначені для напівчистової та чистової обробки загартованої інструментальної сталі в діапазоні HRC 58–65 з нанопокриттям для низького тертя та низької адгезії, що потік стружки на полірувальній сталі.

Порожнина та 3D фінішна обробка поверхні: кулькова торцева фреза

Кульова торцева фреза є основним інструментом для фінішної обробки вигнутих порожнин форми, роздільних поверхонь і тривимірних профілів. Його напівсферичний наконечник відстежує рельєфні поверхні з рівномірним зачепленням стружки по всій дузі різання, за умови чіткого контролю кроку та глибини.

Основи обробки поверхні: висота гребінця та крок

Обробка поверхні при 3D-фрезеруванні залежить більше від висоти гребінця, ніж від швидкості різання. Висота гребінця (хребти, що залишаються між сусідніми проходами) є функцією радіуса носа кулі та радіального кроку. Менший крок дає менший Ra за рахунок збільшення траєкторії інструменту та довшого часу циклу.

Як задокументовано в посібнику із застосування інструментів для прес-форм від Robb Jack Corporation, найкращий підхід до фінішної обробки порожнини носа кулі – це спочатку чорнова обробка за постійні проходи Z, а потім застосування фінішних траєкторій на основі гребінця (еквідистантних). Для більшості порожнин лиття під тиском, націлених на Ra 0,4–0,8 мкм, практичним є радіальний крок 2–5% діаметра кульки. Для дзеркально-полірованих форм, націлених на Ra менше 0,2 мкм, використовуються кроки 1–2% з подальшим ручним поліруванням.

Стратегія траєкторії за нахилом поверхні

Оздоблення на рівні Z (з постійним Z) краще працює на крутих стінах із нахилом понад 45°. Контури на основі гребінців краще працюють на неглибоких кривих і радіусах основи, де контури рівня Z залишають більш грубі гребінці через геометрію суміжних проходів. Для порожнин із крутими та неглибокими зонами стандартний підхід CAM поєднує Z-рівень на стінах із гребінцями на підлозі та радіусами переходу.

Кінцеві фрези зі змінною спіралью зменшують тріскотіння на довгих виступах, які часто зустрічаються в глибоких порожнинах форми. Нерівний відстань між канавками розриває періодичні сили різання, які викликають резонанс на тонких стінках або розширених інструментах.

Вибір носа кулі за твердістю форми

Для твердого фрезерування понад HRC 55 стандартними є 2-зубчасті кулькові інструменти з наддрібнозернистого твердого сплаву. Геометрія з двома канавками відкриває простір для стружки та зменшує накопичення тепла у вузьких гребінцях, критично важливих, коли швидкість шпинделя висока, а радіальне зачеплення невелике. При HRC 63–65 нанопокриття (багатошарове PVD) забезпечують кращу зносостійкість, ніж одношаровий AlTiN, оскільки вони зменшують тертя на контакті інструмента з деталлю під час легких, високошвидкісних чистових проходів.

Hiboo Tools' кулькові торцеві фрези охоплюють класи від HRC48 до HRC65, з 2-х і 4-х канавками діаметром від R0,5 мм до R6,0 мм для обробки порожнин і обробки 3D-контуру.

Обробка глибокої порожнини: кінцева фреза з довгою шийкою

Глибокі ребра, вузькі прорізи та кишені під проділом вимагають інструменту з достатнім досяжністю, щоб отримати доступ до елемента без зіткнення хвостовика зі стінками заготовки. Кінцева фреза з подовженою шийкою (кінцева фреза зі зменшеним хвостовиком або з великою довжиною) забезпечує такий радіус дії, зберігаючи більший діаметр хвостовика на тримачі для жорсткості.

Проблема відхилення при збільшеному досягненні

У міру збільшення звису прогин збільшується в кубі відношення довжини до діаметра. Інструмент у 4×D відхиляється приблизно в 8 разів більше, ніж той самий інструмент у 2×D за того самого навантаження різання. Згідно з даними про фрезерування профілю Sandvik Coromant, окрім 4×D виступу, вібрації, слідів від стукоту на стінках порожнини та передчасного зносу країв стають домінуючими видами руйнування, а не знос покриття чи твердість матеріалу.

Для кишень, глибше ніж 3×D, перехід на кінцеву фрезу з довгою шийкою або зменшеним хвостовиком є ​​стандартним порогом у більшості посібників із застосування прес-форм, включаючи посібник користувача ISCAR Die and Mold.

Правила вибору геометрії з довгою шиєю

Конічна шийка проти прямої шийки: конічна шийка (звужується від хвостовика до ріжучого кінця) має на 30–50% більшу жорсткість на вигин, ніж прямий інструмент з великим витягом при еквівалентному виступі, тому що більший поперечний переріз біля тримача справляється згинальним моментом там, де він найбільший. Для звисів у діапазоні 10–20×D конструкція з конусною шийкою є практичним вибором, якщо це дозволяє жорсткість машини, згідно з даними про застосування, опублікованими JYC Carbide у їх посібнику із застосування кінцевих фрез з великим вильотом.

Діаметр шийки: виберіть найвужчу шийку, яка закриває стінки порожнини. Непотрібне зменшення шийки, що перевищує необхідний зазор, безпосередньо збільшує прогин.

Регулювання подачі: зменшіть подачу на зуб на 20–30%, коли звис перевищує 5×D. При 10×D і вище зменште на 40–50% і перевірте під час тестового різання, перш ніж приступати до виробничих параметрів.

Специфікація тримача: якщо звис перевищує 6×D, необхідні термоусадочні або гідравлічні тримачі з биттям менше 0,003 мм. Стандартні цанги ER створюють достатнє биття на цих подовженнях, щоб посилити стукіт у загартованій прес-формі.

Hiboo Tools' Кульові торцеві фрези з довгою шийкою використовують 2-х канавку для відводу стружки в глибоких вузьких порожнинах із подовженою шийкою, розмір якої відповідає критичним характеристикам прес-форми HRC58 і вище.

Тонка обробка деталей: мікрокінцева фреза

Для елементів діаметром різання менше 3 мм (радіуси роздільної лінії, геометрія воріт, кишені для виштовхувальних штифтів, вузькі ребра, гравіювання логотипу) потрібні мікрокінцеві фрези. Загальноприйнятим у галузі визначенням є будь-яка кінцева фреза з діаметром різання менше 3 мм (1/8 дюйма) з надтонкими інструментами розміром до 0,1 мм і менше для спеціалізованих робіт зі вставками прес-форм.

Що змінюється в мікромасштабі

При невеликих діаметрах биття переважає над руйнуванням. При діаметрі різання 1 мм биття 0,003 мм зміщує ефективне навантаження стружки на 0,6% діаметра інструмента на рифлення. Цього достатньо, щоб спричинити нерівномірне зношування бокової сторони та крихке руйнування протягом кількох хвилин, коли точність тримача недостатня. Цільове биття для виробничого мікрофрезерування зазвичай становить 0,003 мм або менше, загальне показання індикатора на різальній кромці відповідно до специфікацій, опублікованих NS Tool Co. для їх серії MicroEdge і підтверджених у посібниках з кваліфікації постачальників на платформі пошуку B2B Alibaba.

Вимоги до шпинделя та тримача: для мікрофрезерування потрібні високошвидкісні шпинделі (15 000–30 000 об/хв і більше для інструментів з діаметром різання менше 1 мм) і прецизійні тримачі. Бажано використовувати HSK або термоусадочні тримачі. Стандартні цанги ER можуть створювати достатнє биття для замикання інструментів менше 0,5 мм протягом першого циклу різання.

Подача на зуб: для кінцевої фрези діаметром 1 мм у формувальній сталі з твердістю HRC 48–55 подача на зуб зазвичай становить 0,003–0,008 мм залежно від геометрії інструменту та твердості заготовки відповідно до вказівок щодо подачі, опублікованих компанією Harvey Performance у своєму мініатюрному посібнику з обробки кінцевих фрез. Занадто низька подача спричиняє натирання, а не різання, виробляючи тепло без утворення стружки.

Кількість канавок: геометрія з 2 рифленнями є майже універсальною для мікрокінцевих фрез. При діаметрах менше 3 мм простір для стружки є обмежуючим фактором. Мікроінструменти з 4 канавками доступні для конкретних застосувань напівфінішної обробки, але мають підвищений ризик укладання стружки в глибокі щілини.

Професійна порада: при діаметрах менше 0,5 мм навіть незначне відхилення інструменту або надто крутий набір прискорення на початку шпинделя може спричинити поломку до завершення першого продуктивного різання. Використовуйте повільне нарощування шпинделя та перевіряйте колір стружки та звук на першому проході за зниженої подачі.

Hiboo Tools' Мікрокінцеві фрези HRC55 — це інструменти з двома канавками з покриттям TiAlN, яке покриває формувальну сталь, леговану сталь, мідь і нержавіючу сталь з діаметром різання менше 3 мм.

Вибір марки інструменту за твердістю сталі

Формова сталь має широкий діапазон твердості залежно від типу форми та стадії термічної обробки. Твердість під час механічної обробки визначає вимоги до міцності твердого сплаву та мінімальної температурної стійкості покриття.

HRC55: Вхід у жорстке фрезерування. Мікрозернисті тверді сплави з AlTiN або нанопокриттями є стандартними. Консервативне навантаження стружки на вході інструменту; трохоїдальні доріжки захищають край на перших проходах.

HRC60: вибір покриття стає визначальною характеристикою. Одношаровий TiAlN все ще функціонує для легкої фінішної обробки, але багатошарові нанопокриття подовжують термін служби інструменту, зменшуючи термічну втому на межі покриття-карбід під час швидкого термічного циклу твердого фрезерування.

HRC63: Більшість напівчистових і фінішних робіт із використанням дрібнозернистих інструментів із 2-х канавками. Жорсткість шпинделя та контроль биття настільки ж важливі, як і вибір покриття. Радіальне зачеплення (ae) зазвичай залишається нижче 5% діаметра, щоб обмежити тепло на поверхні канавки.

HRC65: верхня межа для твердосплавного фрезерування. Наддрібнозернистий твердий сплав з нанопокриттям або покриттям AlTiSiN і геометрією з низьким переднім нахилом для запобігання зносу клею. Глибина фінішного різання зазвичай становить 0,02–0,05×D по осі, з повітряним струменем або мінімальною кількістю мастила для видалення стружки.

Примітка щодо закупівлі: ступінь твердості та покриття є пов’язаними рішеннями. Запуск інструменту HRC65 з нанопокриттям із параметрами HRC55 не є проблемою, але замовлення інструменту HRC65 для стандартної чорнової обробки P20 витрачає маржу витрат. Зіставте специфікацію інструмента з фактичною твердістю заготовки під час різання.

Вибір покриття за матеріалом сталевої форми

Вибір покриття контролює три незалежні змінні на різальній кромці: термостійкість, тенденцію до адгезії матеріалу заготовки до поверхні канавки та твердість покриття при підвищеній температурі. Різні сталеві форми навантажують ці три змінні по-різному.

Термін служби покриття також залежить від методу входу. Гвинтовий або скошений вхід розподіляє навантаження при зачепленні інструменту. Занурювальний вхід створює пікове теплове навантаження на покриття наконечника коротким стрибком. Для інструментів із покриттям із загартованої сталевої форми спіральний вхід є стандартним; занурення в затверділий матеріал прискорює розшарування покриття на кінчику.

Кількість канавок, діаметр і жорсткість машини

Після вибору типу інструменту, ступеня твердості та покриття залишаються три параметри геометрії: кількість канавок, діаметр різу та максимальний виліт, який допускає машина та налаштування.

Відлік флейти за операцією

Для інструментів з діаметром різання менше 3 мм стандартними є 2 канавки. Простір для стружки в мікромасштабі обмежує кількість канавок, а мікроінструменти з 4 рифленнями несуть більший ризик ущільнення стружки та раптової поломки в глибоких пазах або кишенях.

Підбір діаметра

Зіставте діаметр різання з найменшою внутрішньою деталлю, що створюється, а потім збільште, наскільки дозволяє ця деталь. Правильною специфікацією є кульковий ніс на R3 мм у порожнині з мінімальним радіусом кореня R3 мм. Використання R2 мм в тій самій порожнині залишає невикористаними довговічність інструменту та стабільність процесу.

Для інструментів з довгою шийкою критичним є співвідношення між діаметром різу та діаметром шийки. Шийка має бути настільки тонкою, наскільки це необхідно для захисту від перешкод; непотрібне зменшення поза цим безпосередньо примножує відхилення.

Обмеження жорсткості машини

Жорсткість машини встановлює верхню межу навантаження на стружку, яку будь-який інструмент може нести без стукоту. Як практична довідка:

• 40-конічні VMC: максимальний практичний діаметр для агресивного твердого фрезерування на HRC55 становить приблизно 12–16 мм. Крутний момент і жорсткість шпинделя обмежують навантаження на стружку вище цього діапазону.

• 50-конічні VMC та HMC: можуть працювати з інструментами діаметром 16–25 мм із високим навантаженням на стружку у загартованій сталі.

• Високошвидкісні шпинделі (понад 24 000 обертів за хвилину): підходять для фінішних інструментів малого діаметра (2–4 мм з кульковим наконечником), а не для чорнової обробки. Легкий DOC і висока швидкість шпинделя; радіальне зачеплення залишається нижче 5% діаметра.

Виконайте оцінку можливостей верстата, перш ніж вказувати параметри нависання та навантаження на стружку. Добре розроблений інструмент із контрольованим вильотом на жорсткому верстаті стабільно перевершує інструмент преміум-класу при надмірному подовженні на невеликому шпинделі.

Ключовий принцип: машина, тримач і інструмент утворюють одну систему. Визначення інструменту окремо без знання конусності шпинделя, биття тримача та максимального безпечного подовження залишає найважливішу змінну неконтрольованою.

Рішення для твердосплавних ріжучих інструментів Hiboo Tools

Вибір правильного типу інструменту, марки та покриття необхідний, але недостатній. Послідовність розмірів від партії до партії та однорідність покриття від постачальника визначають, чи буде специфікація перетворюватися на передбачувану продуктивність у виробничих циклах.

Hiboo Tools виробляє суцільні твердосплавні кінцеві фрези марок від HRC48 до HRC65, що охоплюють квадрат, кутовий радіус, кульковий нос, довгу шийку та мікрогеометрію. Доступні покриття включають AlTiN, TiAlN, TiSiN, AlTiSiN, нано, TiN і DLC. Точність биття досягає 0–0,5 мкм на стандартних елементах каталогу, з підтримкою OEM-геометрії та індивідуальних специфікацій для нестандартних функцій форм і вимог до охоплення.

Для цехів, які використовують загартовану формувальну сталь із твердістю HRC 55–65, перевірте геометрію інструмента відповідно до конкретної стадії обробки та твердості заготовки перед замовленням кількості. Виконайте пробне різання на цільовій геометрії порожнини зі зниженим навантаженням на стружку, перевірте Ra та стан інструменту після фінішної обробки, а потім підтвердьте параметри на повних виробничих значеннях.

Перевірте каталог продукції Hiboo Tools щодо марки сталі для вашої прес-форми та операції обробки та запустіть контрольоване тестове різання, перш ніж приступати до повного виробництва.

Джерела

• Sandvik Coromant, Посібник із застосування профільного фрезерування — рекомендації щодо радіального зачеплення, вказівки щодо довжини інструменту, стратегія глибокої порожнини

• ISCAR, Посібник користувача з виготовлення штампів і прес-форм — вибір інструменту для чорнової та напівчистової обробки, поріжок з довгим шиєм на глибині 3×D кишені

• Робб Джек Корпорейшн, Вибір правильного ріжучого інструменту для виробництва прес-форм — методологія фінішної обробки кулястим носом, підхід до чорнової обробки з постійним Z

• Технологія MoldMaking, міркування щодо ріжучого інструменту зі збільшенням складності прес-форми (2025) — висота гребінця, діаметр порівняно з рекомендаціями DOC

• NS Tool Co., MicroEdge Vol. 2 — специфікації допуску на биття та діаметр канавки для мікрокінцевих фрез

• Harvey Performance Company, In the Loupe: оптимізована обробка за допомогою мініатюрних кінцевих фрез — визначення мікрокінцевих фрез і напрямок подачі на зуб

• Kennametal, Tech Tip: марки та покриття для твердосплавних кінцевих фрез — порівняння термостійкості покриття