高速切削加工中的刀具发展

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　　现代机械加工技术追求高速度、高效率、高精度。高速切削加工是切削加工的发展方向，是近年来发展起来的集高效、优质和低耗为一身的先进制造技术。它借助于自身独特的加工机理和技术特点，具有极高的加工效率和加工质量、低的加工成本以及拓宽的应用范围等一系列的优越性，使切削技术发生了彻底的改革性进步，将逐步成为切削加工的主流。
6 x( }( l& M3 z　　1.高速切削加工特点
, T" d- c2 U  o　　高速切削加工不仅可大幅度缩短加工时间，提高加工效率，降低加工成本，而且可以使零件的表面加工质量和加工精度达到更高的水平。高速切削加工具有以下主要特点：
　　（1）工件热变形减少 在高速切削加工中，由于切屑在极短时间内被切除，切削热绝大部分被切屑带走，因而工件温度并不高，不仅受热变形的可能性减小，而且可避免热应力、热裂纹等表面缺陷。
1 j) A( Y( U; G9 z& N　　（2）有利于保证零件的尺寸、形位精度 在高速切削加工中，单位切削力由于切削层材料软化而减少，从而减少零件加工的变形，这对于加工薄壁类刚性差的零件特别有利。
　　（3）可获得较好的加工表面质量 高速切削加工可减小表面硬化层深度，减小表面层残余应力及表面层微观组织的热损伤，从而减少零件表面层材质的机械、物理及化学性质产生变化的可能性，保证已加工表面的内在质量，确保零件的使用性。
　　（4）工艺系统振动减小 在超高速切削加工中，由于机床主轴转速很高，激振频率远离机床固有频率，因而使工艺系统振动减小，提高了加工质量。
　　（5）显着提高材料切除率 在提高切削速度的同时可提高进给速度，从而显着提高材料切除率。例如超高速铣削，当保持切削厚度不变 （ 每齿进给量和切深不变 ） 时，进给速度比常规铣削可提高 5 ~ 10 倍，从而达到很高的材料切除率。
7 U* M: S) R* `. o% z& ^　　高速铣削已广泛用于汽车工业、航空航天工业和模具制造业，加工铝、镁等轻金属合金、钢材及铸铁。
& i# h- y  e& Q8 ^* l- Q　　例如汽车发动机缸体、缸盖、减速器壳体，飞机的整体铝合金薄壁零件，淬硬模具钢以及镍基合金、钛合金等难加工材料。提高材料切除率的策略已由强力而缓慢转向快速而轻便，机床由强力型 （ 提高力学特性参数 ）转向高速型 （ 提高速度特性参数 ） .
　　2.高速加工对刀具的要求
" U; R6 I* g3 @　　（1）刀具材料 高速切削时，随着切削速度的提高，切削力减小，切削温度上升很高，达到一定值后上升逐渐趋缓。造成刀具损坏最主要的原因是切削力和切削温度作用下的机械摩擦、粘结、化学磨损、崩刃、破碎以及塑性变形等磨损和破损，因此高速切削刀具材料最主要的要求是高温时的力学性能、热物理性能、抗粘结性能、化学稳定性（氧化性、扩散性、溶解度等）和抗热振性能以及抗涂层破裂性能等。
/ N: R- n$ t% m( d/ h; c. b0 v　　高速和超高速加工正是基于这一重要前提，对刀具材料既要求硬度高、耐磨性好、耐热性 （ 热硬性 ）好，又要求韧性好、耐冲击。近 30 年来，刀具材料所取得的突破，使得这一难题得到了很好的解决：①随着增强陶瓷刀具和涂层技术的应用，大大提高了刀具的硬度，并使刀具兼有高硬度的刃部和高韧性的基体。
$ Z( ?# h5 a( a" q7 N　　②聚晶立方氮化硼刀片（PCBN），硬度达 3 500 ~4 500HV ,已成为高速切削淬硬钢的首选刀具。③同样用聚晶方法得到的聚晶金刚石（PCD）刀片，硬度可达6 000 ~ 10 000HV ,已应用于车刀、铣刀、钻头等，进入了高速切削有色金属领域，有时也应用于切削钢铁材料。
( m& ~0 \. l5 o9 V6 Z　　高速加工用的刀具材料，必须根据工件材料和加工性质来选择。一般而言，陶瓷、金属陶瓷及 PCBN刀具等，适用于对钢铁材料的高速加工； PVD 和 CVD等刀具材料，适用于对铝、镁、铜等有色金属的高速加工。
2 K5 N, ^! M" J! I, p$ J2 J/ Y2 b  a　　（2）刀具的结构 采用物美价廉的硬质合金、金属陶瓷、涂层材料制造的可转位刀片和整体刀具，并用集成平衡装置和相应结构克服离心力，使刀具产生的高应力。
　　切削刃形状： 刀具切削刃形状对加工质量也有很大影响。例如金刚石刀具切削刃有适当结晶方向时，能极大地改善刀具寿命和加工表面的粗糙度等。刀具的切削刃正向着高刚性、复合化、多刃化和表面超精加工方向发展。随着新型刀具材料和超硬磨料磨具的实用化以及机床技术的进步，切削加工的高参数化是永无止境的。目前及今后一段时间，高速化仍将具有明显优势。
　　3.高速切削加工对机床系统的要求
5 t" U; r0 P# G  F) h. R: i　　高速切削机床是实现高速切削的必要条件之一。高速切削对机床的主要要求如下：
, Y* @- g2 \8 [6 z$ c. U　　（1）要有一个适应于超高速运转的主轴部件 主轴的变速范围完全由变频调速交流主轴电动机来实现，并使电动机和机床主轴合二为一，构成所谓的电主轴。由于电主轴结构紧凑、重量轻、惯性小、响应特性好，并且避免振动与噪声，因而是高速主轴单元的理想结构。
　　高速主轴单元的核心是高速精密轴承。高速主轴可采用的轴承包括空气轴承、静压轴承、动压轴承、滚动轴承和磁浮轴承。目前已研究开发成功了两种适宜超高速运转的新型轴承--陶瓷滚动轴承和磁浮轴承，在高速主轴上得到广泛应用。
　　采用氯化硅陶瓷材料的滚珠做成的陶瓷轴承具有高速、高刚度、低温升、长寿命的优点，是使用广泛而经济的高速轴承。目前在高速机床主轴上主要采用混合陶瓷球轴承 （氯化硅滚珠与钢制轨道） ,滚道可进行涂层或其他表面处理。
! N) a3 N  J) D! O" _　　磁浮轴承是用电磁力将主轴无机械接触悬浮起来的新型智能化轴承，高速性能好、精度高、易实现实时诊断和在线控制，是高速加工机床主轴理想的支撑元件，相继被许多国家用于高速加工机床上。
5 ?& n4 T+ W' m　　（2）要有一个快速反应的数控伺服系统和进给部件 高速机床是精密的数控机床。在进行超高速切削时，为了保持刀具每刃进给量基本不变，随着主轴转速的提高，进给速度也必须大幅度提高。目前，高速加工中心和 NC 铣床工作台的进给速度已达到 20 ~30m/min ,快速空程速度高达 40 ~ 60m/min ,加速度达 25m/s2 ,因而对进给部件的动态特性提出了非常高的要求。
　　（3）大流量喷射冷却系统 在超高速切削时，单位时间内将产生大量的热切屑，必须把它迅速从工作台清除，以免妨碍高速切削的正常进行，避免产生机床、刀具和工件的热变形。
! q2 Z0 @. t( C. m+ h" B; w7 J' j　　（4）要有一个“三刚”（ 静刚度、动刚度、热刚度 ） 特性都很好的机床支撑元件 如用聚合物混凝土，即所谓的“人造花岗岩”制成的超高速机床的床身或立柱，其阻尼特性比铸铁高 7 ~ 10 倍，而密度只有铸铁的 1/3 .
  n: A1 E, W6 }3 j　　4.制约国产刀具发展的瓶颈
　　与欧、美、日等先进国家与地区相比，我国刀具行业一直处于落后地位，几十年如一日地生产标准化、通用化的刀具，已无法满足现代制造业对高速、高效刀具的需求。虽然有相当一部分企业也在努力追求技术进步，使自己的产品、技术和服务，尽量赶上现代制造技术发展的需要。但是这种努力受到了整个行业粗放式经营和低价竞销方式的严重制约，致使近几年来国产高速、高效刀具的市场占有率始终在低位徘徊，没有质的突破。
　　制约我国高速、高效刀具发展的因素有：刀具新材料应用、刀具新工艺采用、高精设备的使用等方面。
　　由于我国基础材料工业水平还不高，特别是钢铁工业技术还未达到高质量标准。原材料难以满足高质量刀具的要求，导致刀具产品高性能材料要依赖国外进口原材料，方能达到高质量刀具的要求。
/ W/ C: j5 H7 f0 m+ ?4 q. G; O　　国内刀具制造业工艺技术普遍存在内外交困的情形，长期以来，国内的刀具企业对工艺技术没有像重视产品研发-样给予高度重视，尤其是铸造、锻造、压型、焊接、机械加工、装配等工艺技术都很落后，而“工艺”这个概念在一些企业也被忽视为附属技术，长期以来很少形成自己的原创性成果，对引进技术的消化吸收缺乏二次开发能力，而国外的工艺技术发展之快，我们追之不及。特别是工艺高技能人才严重短缺，已经成为制约刀具企业发展的一个瓶颈，工艺的缺位也直接导致了开发成本的增加和开发周期的延长。
　　近些年，一方面国内刀具企业技术改造投入不足，设备更新改造不够，设备趋于老化；另一方面因国内机床装备在技术、性能、可靠性、效率等诸方面落后，国内刀具企业在关键工序上，不得不依赖进口，即高价从国外进口少量设备。同时由于工艺的缺位，大量的工序、工位上还是以国产机床装备为主，以至于许多零部件很难达到高质量机械产品的要求。
( r4 D. h8 y9 a3 B# ?　　现代机床制造业正在向“高速、高精、复合、智能和环保”的方向发展，而高精、高速、高效加工在其中扮演着重要角色。在发达国家，围绕高速、高效切削，不仅在技术开发方面投入了大量精力，而且在应用推广方面取得了前所未有的进展。可以说，高精、高速、高效加工已成为国际制造技术发展的一个趋势。相比之下，我国的机床相对较为落后，这说明我国机床制造业总体上还没有赶上当今世界发展的潮流。
　　以拉削刀具为例，限于拉削刀具结构特点，适合于低速加工。传统的拉削加工速度一般为3~6m/min .
　　经过多年研究，欧美及日本等先进国家，通过应用新材料，采用新工艺，使用高精密、高速、高效加工设备，目前已将拉削速度提高至18~22m/min,高于传统的拉削加工速度4~5倍。
　　首先，在拉削刀具材料方面，先进国家采用最新研制的粉末冶金高速钢材料，碳化物偏析可达到1级，含钴粉末冶金高速钢的热处理硬度可达69~71HRC,刀具材料既符合硬度高、耐磨性好、耐热性（热硬性）好的要求，又符合韧性好、耐冲击要求。
# d0 N. h" @9 N  r/ a  t( f　　其次，先进国家拉削刀具加工应用高精密数控设备，全封闭油冷却，多轴联动，采用新工艺，实现铲磨刀具切削刃侧后角，减少摩擦力，提高工件表面质量。
0 u- O/ h4 S, H* c' _9 u2 \# f　　刀具刃磨应用高精密数控刃磨机床，自动测量拉刀齿距，进行微量有效磨削，既可达到刃磨要求，又能保证拉刀使用寿命，同时保证高速切削顺利完成。
( O) e- o# G7 f# D4 c　　第三，金属切削刀具寿命与热处理有相当大的关系。目前国内普遍采用盐熔炉进行刀具热处理，在温度控制方面也无重大改进，热处理往往不过关，淬火后非软即硬，严重影响刀具高速、高效性能的发挥。特别是在刀具表面处理方面，包括涂层技术，远远落后发达国家，致使高速、高效刀具发展停滞不前。发达国家热处理利用先进的计算机温度控制设备，采用真空淬火技术，并在先进的复合涂层设备上进行表面处理，使刀具寿命大大延长，刀具高速、高效性能得以保障。
9 ]) u2 d; ?( o! h% `' E　　5.对高速加工中刀具的发展趋势展望
　　（1）当我们进入21世纪的时候，从世界范围观察，我们正处在先进制造技术空前快速发展的时期。由于数控机床（CNC）的问世，发展一系列数控加工技术，如加工中心（MC）、柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS），甚至出现了与传统机床完全不同的虚拟轴机床（又称六条腿机床），和与机床同时相辅相成发展起来的高速加工新技术、新刀具、新工艺的紧密结合，使机械加工中的劳动强度大大降低，辅助时间大大缩短，产品质量和生产效率大大提高，为制造业乃至全球经济的发展起到巨大的推动作用。以美国为例，制造业在美国被誉为产出最多的经济部门，在20世纪90年代对美国国内生产总值（GDP）增长的贡献达到29%.
6 E0 y0 l# J- s; i9 \2 h　　（2）现今，大力发展数控加工技术及装备，已成为世界各国政府的战略决策，用数控装备武装现代工业和改造传统工业，也成为世界各国制造业发展方向。在20世纪90年代后期，如德、日、美、意四国的机床产值数控化率已达到51.75%以上。数控机床已成为当今制造技术的主要装备，数控加工技术成为先进制造技术的主流，开创着整个现代制造业的新时代。党的十六大明确指出：“大力振兴装备制造业”.新中国的装备制造业经过几代人的前仆后继，尤其是30多年的改革开放和现代化建设，已经建立起比较完整、独立的工业体系，具有了一定的物质技术基础，总体生产规模已居世界第四位。许多经济学家预测，中国将成为继英国、美国、日本后的又一个“世界工厂”和“制造大国”.
　　（3）应当清醒地看到，我们虽然有了举世公认的飞速发展，但与日新月异的世界制造业发展相比，无论在市场竞争力、产品水平和发展后劲上仍存在较大差距。仅就我国目前切削加工整体水平与先进工业国家相比相差20年，相当一部分生产企业还较普遍采用焊接式刀具，或几十年一贯制的老工艺方法，这些都亟待解决。为了促进生产力的发展，增强企业竞争力，我们只有抓住机遇，迎接挑战，更新观念，引进创新，大力推广和采用新技术、新工艺、新材料，才能与时俱进，改变我们的落后面貌。

zamcompy

是呀这是刀具使用上的变革。主要取决于机床的水平！