在传统的模具切削加工生产中，以粗加工为主，随着新型模具工业的迅速崛起、材料热处理及切削技术的进步，被加工件量、质都发生了很大的变化，由粗加工扩大至半精加工、精加工，促进了模具工业的进一步发展。
近年来，由于干切削、硬切削、高速切削等快速的进入到模具加工领域，使模具制造进入一个全新的发展期，与老式的成型表面电火花工艺相比，由CNC机床的柔性、耐磨刀具材料和表面涂层、新型刀具结构所构成的高速切削系统，免去了电极的准备程序，可提高生产率30%~50%，并减少手工抛光工作量60%~100%，从而把整个模具的生产周期缩短了2/3[1]，提高了企业在市场中的竞争力。
针对模具加工高效、单件、小批量和材料硬度高、加工难度大、形状复杂和切削余量大的特点，工具制造厂开发出大量适应模具生产需要的专用非标铣刀，并在刀具行业的产品中形成了独树一帜的《模具铣刀》（JB/T7966·1～10-95）系列标准。
时代在发展，技术在进步，《模具铣刀技术条件》（JB/T7966·10-95），规定用W18Cr4V或同等性能的高速钢制造，硬度63～66HRC。从目前的市场调查分析，W18Cr4V、M2、9341等通用型高速钢（HSS）在模具铣刀板块中已失去了竞争力，而代之以粉末高速钢、高性能高速钢、硬质合金及超硬刀具材料。
1 高性能高速钢和粉末高速钢
到目前为止，高速钢牌号近百种，但在市场上流通的不超过20种。人们习惯上将高速钢分为四大类：通用高速钢（HSS）、高性能高速钢（HSS-E）、粉末高速钢（HSS-PM）和低合金高速钢（DH）。HSS、DH材料很难胜任铣刀的加工要求，HSS-E、HSS-PM还能占据一席之地。
1.1 高性能的高速钢
HSS-E 是指在HSS成分基础上适当提高C、V量，有些牌号再加入Co、Al等合金元素，以提高耐热性、耐磨性的钢种。这类钢的红硬性比较高，经625°×４h加热后仍保持60HRC以上的高硬度，刀具的耐用度通常为HSS钢刀具的1.5～3倍。HSS-E热处理工艺及硬度见表1
表1 常用高性能高速钢热处理工艺
牌 号
代 号
淬火温度
(℃)
回火温度
(℃)
回火后硬度
(HRC)
W10Mo4Cr4V3Al
5F6
1220～1250
540～560
66～69
W12Mo3Cr4V3Co5Si
Co5Si
1200～1240
550～570
67～70
W12Mo3Cr4V3Co3N
Co3N
1200～1230
540～560
66～69
W6Mo5Cr4V5SiNbAl
B201
1210～1240
520～540
66～68
W6Mo5Cr4V2Al
501
1190～1215
540～560
67～69
W6Mo5Cr4V2Co5
M35
1195～1220
530～550
67～69
W2Mo9Cr4VCo8
M42
1170～1190
530～550
67～70
W12Cr4V5Co5
V5Co5
1230～1250
540～560
66～68
W12Mo3Cr4VCo3N
V3N
1230～1250
540～560
67～69
1.2粉末高速钢
HSS-PM 是用细小的高速钢粉末在高温高压下直接压制而成的高速钢品种。在国外应用相当普及，而国内只有少数厂家使用。
HSS-PM完全避免了冶炼高速钢碳化物不均匀的毛病，不论其截面多大，碳化物都细小均匀，所以它较冶炼高速钢强度和韧性都高的多。HSS-PM热处理工艺及硬度见表2
表2 常用粉末高速钢热处理工艺
代 号
淬火温度(℃)
回火温度(℃)
回火后硬度(HRC)
备注
GF2
1210～1240
530～550
≥65
中国
FT15
1240～1260
540～560
≤66
S390PM
1190～1230
540～560
67～68.5
瑞典
S690PM
1170～1190
530～550
≥66
ASP2030
1175～1210
540～560
67～68.5
法国
ASP2023
1180～1220
540～560
67～68
ASP2053
1160～1190
550～560
65～67
ASP2060
1170～1200
550～560
67～70
HAP10
1165～1185
530～550
≥67
美国
HAP20
1175～1195
550～580
≥65
日本
HAP40
1175～1200
550～580
67～68
HAP50
1175～1210
560～580
65～68
HAP70
1185～1220
560～580
66～69
CPM42
1185～1205
560～580
69～72
1.3 高速钢模具铣刀热处理要点
由于模具加工的特殊性对刀具的要求非常严格，刀具热处理要掌握如下要点：
1.3.1 HSS刀具淬火晶粒度控制在10号左右，硬度65～66.5HRC,过热程度视具体刀型而定,但过热不得超过2级(小型刀具不允许过热)。
1.3.2 HSS-E热处理后虽可以达到67～70HRC，但实际使用不允许有如此高的硬度，65～67HRC的硬度深受青睐。
1.3.3 HSS-PM具有优良的力学性能，淬火晶粒度控制在10.5号，视不同产品上下浮动半级。但千万不可盲目追求高硬度，大量的事实表明，高硬度并非高寿命。将硬度控制在66～67.5HRC不会出现质量问题（小刀具可以低1HRC）。
2 硬质合金铣刀
硬质合金刀具是数控机床的主导产品，欧洲有些国家90%以上的车刀，55%以上的铣刀都用硬质合金制造，且增长势头正旺，以惊人的速度渗透到数控刀具的各个领域。展望未来，数控刀具无疑是硬质合金的天下，模具铣刀首选材料应是硬质合金。
2.1硬质合金刀具的主要特点
2.1.1 硬度
硬质合金主要由硬质碳化物组成，所以它的硬度比高速钢高得多，一般为89～93HRA，540℃时的热硬性需要82～87HRA。常用硬质合金铣刀牌号及力学性能见表3 。
表3 模具铣刀常用硬质合金牌号、成分及力学性能
牌 号
主要化学成分(%)
力学性能
推荐使用范围
WC
Tic
TaC
NbC
Co
密度
g/cm3
硬度
HRA
抗弯
强度
MPa
YT15
79
15
6
11~12
≥91
≥1130
连续断面半精铣、精铣
YT14
78
14
8
11.2~12.0
≥90.5
≥1200
连续断面粗铣
YG8
92
8
14.5~14.9
≥89
≥1150
不平整面的粗铣
YG6
94
6
14.6~15.0
≥89.5
≥1420
连续断面半精铣、精铣
YG6X
93.5
＜0.5
6
14.8~15.1
≥91
≥1420
精加工用铣刀
YW3
余量
14~16
6~8
12.7~13.3
≥92
≥1300
铸铁模具的粗精铣加工
YH3
余量
8
6
13.9~14.2
≥92.5
≥1600
铸铁模具的铣加工等
YD15
90
4
14.9~15.15
≥91
≥1900
有色金属及难加工材料粗铣
YS25
余量
15~18
8~9
12.8~13.2
≥90.5
≥1650
粗铣
YS30
66~68
9
14
9~11
12.45
≥91
≥1800
中速大进给铣削
2.1.2 抗弯强度及韧性
硬质合金的抗弯强度比较弱，只有高速钢的1/3～1/2，常用硬质合金的抗弯强度为1100～1500Ｍpa。硬质合金属脆性材料，常温下的冲击韧度仅为高速钢的1/30～1/8。
2.1.3导热性
硬质合金的导热性高于高速钢，导热率是高速钢的2～3倍。
2.1.4热膨胀系数
硬质合金的热膨胀系数比高速钢小得多，焊接时应考虑防裂措施。
2.2硬质合金铣刀的热处理
硬质合金刀具的热处理主要是涂层，目前，国外硬质合金可转位刀片的涂层比例在70％以上，并具有很强的针对性和个性，进一步扩大硬质合金铣刀的应用范围。
2.3硬质合金模具铣刀的应用实例
2.3.1 直径2~20mm的球头铣刀，一般用整体硬质合金制造，用于加工小型模具的模腔或雕刻成型表面。若再施以涂层处理，可以达到很高的切削速度。法国Fraisa公司的立铣刀,铣削硬度52～56HRC的淬硬钢，切削速度可达300m/min，进给速度为1000～4000mm/min[1]，新一代的整体硬质合金铣刀，在加工63HRC的淬硬钢时切削速度能达150m/min以上，在加工一般模具钢时能达400～500m/min[2]。
2.3.2 十分适合应用在数控铣床和转速在20000r/min以上的先进铣床上铣削。
2.3.3株洲钻石切削刀具股份有限公司开发的黑金刚刀片系列,是专门为加工铸铁而开发的硬质合金刀片，用于中速或高速铣削的YBD152牌号比原有的牌号提高切削速度30%~40%,使用寿命提高近50%[3]。
2.3.4由于模具加工的工作量很大，为了提高加工效率，不希望多换刀，工具厂开发了可转位的面铣刀，包括铣平面、铣斜面等多功能可转位面铣刀。
2.3.5大型模具型腔的精加工，金属切除量大，刀具悬伸又长，如果用传统的铣削加工，效率很低，现在改用小切深大进给量的方式，实现了高效加工。
3 立方氮化硼(CNB)铣刀
CNB是继人造金刚石之后出现的第二种无机超硬材料，开拓了高速切削的新纪元。
3.1 CNB的主要特点
3.1.1高的硬度和耐磨性:显微硬度可达8000~9000HV，聚晶立方氮化硼（PCBN）烧结体的硬度达到3000~5000HV，在切削耐磨材料时耐磨性为硬质合金的50倍，为陶瓷刀具的25倍。PCBN尤其适用于以前只能磨削的高硬度材料，实现“以车代磨”。
3.1.2化学稳定性好：CBN的化学惰性大，在还原性气体介质中对酸和碱都是稳定的，在大气和水蒸气中无任何变化，与铁系金属在1200～1300℃也不起化学作用。
3.1.3良好的导热性：其导热率大大高于高速钢和硬质合金，但低于金刚石。
3.1.4较低的摩擦系数：CBN与不同材料间的摩擦系数约为0.1～0.3，比硬质合金低得多。
3.2 CBN铣刀的实际应用
3.2.1从2006年6月“第八届中国国际机床工具商品展览交易会”上获悉，日本三菱综合材料株式会社近期推出的加工铸铁用的MBS140整体式CBN刀片，铣削220～250HB FC250铸铁，切削速度500m/min，进给量0.25mm/r,切深0.1mm,干切削7.5min,后刀面的磨损量才0.3mm.
3.2.2铣削58HRC Cr12模具钢，CBN铣刀比其他超硬材料铣刀效率高，寿命长；精铣和半精40～60HRC模具，工件表面粗糙度可达Ra0.1µm;用锋刃CBN端铣刀铣削62～64HRC CrWMn钢平面时，表面粗糙度达0.2～0.4µm。
3.2.3 直径10mmCBN立铣刀在60HRC CrWMn钢模具上铣削宽度为10mm深度为2mm槽时,16min铣长1.2m,后刀面磨损0.06mm。
3.2.4 在模具制造业中,广泛使用各种立铣刀,尤其是球头铣刀来高速加工型腔等复杂曲面,被加工模具材料几乎包括能硬化的所有模具钢系列,不仅工效高,而且质量好。
4 陶瓷铣刀
陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性好、耐热性和化学稳定性优良等优点，且不与切屑粘接。世界各国都非常注重开发和应用陶瓷刀具。近20年来，陶瓷刀具已成为高速切削和加工难加工材料的主要刀具之一。目前，由于控制了原料的纯度和晶粒尺寸，添加了各种碳化物、氮化物和晶须等，采用多种增韧补强，使得陶瓷刀具的抗弯强度、断裂韧度和抗冲击性能都有大幅度提高，开发了一系列的新型陶瓷刀具材料。如纳米复合陶瓷刀具、晶须增韧陶瓷刀具、梯形功能陶瓷刀具、粉末涂层陶瓷刀具、自润滑陶瓷刀具等。应用范围日益广泛，社会效益和经济效益十分明显，请看实例：
4.1 Al2O3/TiB2刀具加工4Cr5MoVSi热模钢时，刀具抗边界磨损能力为Al2O3/TiC 的2 倍[4]。
4.2 用SG4陶瓷制成的三面刃铣刀，可一次走刀铣完5.2×16×710mm淬硬钢键槽的精加工，键侧面的表面粗糙度可稳定地达到Ra1.6～0.8 µm，可省去原来的粗铣、精磨、镶键等工序 [5]。
4.3陶瓷刀具不能用于加工铝，而对于灰铸铁、球墨铸铁、淬火钢和未淬硬的耐热合金等难加工材料特别适合。在德国70%加工铸铁的工序是由陶瓷刀具完成的，而日本陶瓷刀具的年消耗量已占刀具总量的8%～10%[6]。
5 结论
纵观全球，横看同行，模具铣刀用材发生了三个明显的变化：
5.1由通用型高速钢向高性能高速钢、粉末高速钢转化；
5.2硬质合金模具铣刀有逐步取代高速钢铣刀的趋势；
5.3超硬材料在模具铣刀中份额不断增长。
由于材料科学、机床行业的进步，模具工业正以惊人的速度向前发展，模具材料日新月异，模具形状千姿百态，刀具结构千差万别，因为用于加工模具的铣刀不能定格在通用高速钢一种材料上，应该根据加工对象、模具服役状态、机床、工夹具等多种因素综合考虑，选定合适的模具材料，设计优质的模具铣刀，并在实践中不断改革创新，力求优质、高效、环保。
参考文献
[1]赵炳桢.先进切削技术与模具工业的发展.现代制造，2004（9）：42.
[2]卢伟.刀具是提高模具加工效率和质量的重要因素，现代制造，2000（7）：36.
[3]王瑚.数控加工刀具的现状及其趋势.工具技术，2006（3）：35
[4]邓建新，赵军编著.数控刀具材料选用手册.机械工业出版社，2005（4）：99.
[5]肖诗纲.刀具材料及其合理选择.机械工业出版社，1999（6）：354
[6]胡景姝等.干切削和准干切削技术及其刀具材料.机械工程师，2006（2）：77.
作者：浙江金华工具厂 赵步青 孙艳娜 黄芳
