高速切削加工技术及刀具选择
2014-9-23 来源：数控机床市场网 作者：陕西汉江机床有限公司王新成
摘要：高速切削加工机床与刀具系统的设计及制造是高速切削加工的基础，高速加工刀具的结构设计与材料选用是高速切削加工的保证。 本文论述了高速切削加工技术的特点，及高速切削加工技术中高速切削刀具系统选择和刀具材料选用方法。
关键词：高速切削加工 刀具系统 刀具材料
1 引言
随着现代科学技术的飞速发展，非金属材料和复合材料的加工越来越广泛，新型陶瓷材料及难加工材料的切削加工不断涌现，要求机械制造过程的切削技术应满足高速、高精密、高可靠性、清洁、安全的生产加工模式。 高速切削是指用于高速度进行高效加工的一种先进制造技术，也是一项综合的高新技术。在高速切削加工技术的形成与发展过程中，工件材料与刀具材料交替发展，相互促成，成为切削技术不断向前发展的历史规律。高速切削加工技术正是由于刀具和机床技术的不断发展进步而逐渐发展成熟起来的， 其中刀具材料起主导作用。 近年来随着我国航空航天、汽车制造、模具工业的发展，引进了大量国外先进的数控加工装备及相关配套加工工艺，使我国制造业设备的数控化率越来越高。 在高速切削加工技术中，高速切削加工机床与刀具系统的设计及制造是基础，高速加工刀具的结构设计与材料选用是保证。因此，加强高速切削加工技术及刀具选择的研究具有重要的实际意义。
1 高速切削加工的技术特点
一是，高速切削加工过程中，切削速度提高，单位时间内材料切除率提高，切削加工时间变短，大幅度提高加工效率，降低加工成本。 二是，切削加工速度提高，切削力随之减小，有利于高速切削加工刚度较差的薄壁零件。三是，高速切削加工过程中切屑以很高的速度排出，带走大量的切削热，有利于减小加工零件的内应力，减小零件的热变形，提高加工精度。 四是，高速切削加工过程中的刀具主要是以超硬刀具的应用为主，有利于实施高速干切削加工技术。 高速干切削就是在切削加工过程中不使用任何切削液的工艺方法，是对传统切削方式的一种技术创新。 它相对于湿切削而言，是一种从源头上控制污染的绿色切削和清洁制造工艺，它消除了切削液的使用对外部系统造成的环境负面影响。 目前，能实现高速干切削的工件材料有铸铁、铝合金、滚动轴承钢等材料零件的加工。
2 高速切削加工技术的刀具选择
刀具技术是实现高速切削的重要保证。 正确选择刀具材料，合理设计刀具系统对于提高加工质量、延长刀具寿命和降低加工成本起着重要作用。实际生产中，高速切削加工时既要保证加工精度，又要保证高的生产率，还要保证安全可靠，因此，高速切削刀具系统必须满足很高的几何精度和装夹重复精度、很高的装夹刚度和高速运转时安全可靠。 高速切削要求刀具材料具有高硬度、高强度和高耐磨性；高韧度、良好的耐热冲击性；高热硬性、良好的化学稳定性。超硬刀具材料应用于高速切削是保证高的生产率的前提，因为，超硬刀具高速切削技术的应用不仅可以提高产品的切削速度和加工效率，而且可以确保产品的高精度和一致性，提高产品的加工质量以及加工产品的高科技含量和高附加值。同时还将大大减少传统高速钢、硬质合金工具对钴、钨、钽、铌等贵金属的资源消耗，并可降低单位产品加工能耗。
目前，高速切削加工技术的刀具选择主要是刀具材料的优化和制备技术。一是，金刚石和类金刚石涂层的刀具的制备及应用。金刚石是目前自然界中最硬的物质，它的硬度和弹性模量极高，而摩擦系数很小，具有很好的耐磨性，因此对于超硬材料的高速切削加工，金刚石车刀和具有金刚石涂层的高速钢和硬质合金刀具是唯一切削刀具。金刚石涂层不仅能够提高刀具使用寿命几十倍，而且能够满足高精度机械零件的加工要求。在小直径的钻头上沉积金刚石涂层可使其切削性能增强并延长钻头使用寿命 10 倍以上， 可以很好应用到难加工材料切削的机械制造领域。 类金刚石 PCD 涂层具有高硬度，而且具有低的摩擦系数，是非常理想的耐磨涂层材料，因而特别适合作为机械加工刀具和其它工具的涂层。二是，立方氮化硼涂层刀具的制备及应用。立方氮化硼(CBN)晶体维氏硬度仅次于金刚石，是一种超硬涂层材料。 立方氮化硼涂层具有一系列与金刚石涂层相似的优良特性， 如极高的硬度，极佳的导热性能，它在机械、电子、光学等领域具有广阔的应用前景。 CBN 可广泛应用于钢铁制品的精密加工及超精密加工，CBN 作为切削刀具材料比金刚石更为优越，不仅提高产品的加工精度，改善产品质量，而且极大地提高了刀具的使用寿命。 CBN 涂层除具有优良的耐磨损性能外，耐热性也极为优良，在相当高的切削温度下也能切削耐热钢、钛合金及淬火钢等，并能切削高硬度的冷硬轧辊、渗碳淬火材料以及对刀具磨损非常严重的 Si-Al 合金。 三是，以 PCD 和 PCBN 刀具为代表的超硬刀具材料的应用。PCD 和 PCBN 超硬刀具具有比硬质合金、陶瓷刀具更高的硬度和更优良的耐磨性能，能适应更高的切削速度，更明显体现了现代先进切削技术的高效、精密和柔性的基本特征，因此它们是目前较理想的高速切削刀具，代表了现代高效高速切削刀具的发展方向。四是，纳米多层结构涂层刀具的制备及应用。纳米多层结构涂层一般是由两种厚度在纳米尺度上的不同材料或结构层交替排列而成的非均质涂层体系，具有适应高速切削环境的特点[6]。利用这种层结构涂层机制可以制备出力学性能好，耐高温抗氧化性的刀具涂层，能满足现代高速切削加工技术的需要。五是，超细高强度硬质合金的制备技术。因为在高速切削加工过程中，刀具在高速旋转时，会承受很大的离心力，其大小远远超过切削力，成为刀具的主要载荷，足以导致刀体破碎，造成重大事故。 所以完善超细高强度硬质合金的制备技术有利于提高高速切削加工过程的安全性。
3 结束语
高速切削加工技术是一项全新的、正在发展中的先进制造实用技术。非金属材料和复合材料的高速切削是实现高精度、高效率、高稳定性和低表面粗糙度切削加工的重要技术途径。高速切削加工技术主要用于轻金属及其合金， 新型陶瓷材料及难加工材料的高速切削加工，以及用于精密、超精密及光学元件的高精加工。 随着高速切削技术的深入研究，目前国外航空、航天、汽车、模具制造业已广泛应用高速切削加工技术，并取得很好的经济效益。随着国家科技重大专项的实施，我国的高速切削技术正在发生突破性和跨越式的发展。 同时，国内超硬材料及工具制造企业正在抓住我国制造业结构转型的大好发展机遇，针对高速切削超硬刀具技术开展产业化开发，特别是具有自主知识产权的高速切削超硬刀具技术的开发，努力加大自身企业的技术开发投入力度，以促进我国高速切削技术的快速推广应用。
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