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类别: B.硕士 日期:
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浅谈高速切削刀具技术
浅谈高速切削刀具技术
摘要：高速切削技术是现代先进制造技术的一个重要发展方向，是集高效、优质、低耗于一体的先进制造技术。高速切削在具备传统切削所不具备的大量优势的同时，对于刀具材料及刀具结构、刀柄结构和刀具动平衡性有着更高的要求。本文从高速切削刀具的材料和刀具系统两个方面，对高速切削刀具技术的现状进行了阐述。
关键词：高速切削；刀具材料，刀具系统
Abstract：High-speed cutting technology is an important development direction of modern advanced manufacturing technology.Itis an advanced manufacturing technology with high efficiency, high quality and low consumption. High-speed cutting with traditional cutting do not have a large number of advantages at the same time, for the tool material and tool structure, handle structure and tool balancing have a higher demand. In this paper, high-speed cutting tool materials and tool systems in two areas, the status of high-speed cutting tool technology are described. Key words: high speed cutting;tool materials;tool system
1前言
1.1 高速切削理论概述
高速切削理论及图1的萨洛蒙曲线是由德国物理学家萨洛蒙( Carl·J·Salomon)于1931年提出的，该理论的核心思想是任何一种材料均对应一个临界切削速度，在常规切削速度范围内，即在达到临界切削速度前，切削速度和刀具的磨损均随切削速度的增大而增大，但在切削速度超过临界切削速度后，若继续提高切削速度，切削温度反而降低，而且刀具的磨损也减小。如下图所示，当切削速度在v1—v2之间时，由于切削的温度过高，最高温度超过刀具材料能承受的最高温度，所以任何刀具都不能用来切削，切削工作无法完成[1]，即图中的B区域，被萨洛蒙称为死区。当切削速度足够高，超出“死区”范围后，则切削温度会随着切削速度的上升而下降，此时的切削温度与常规切削的切削温度大体一致，却能够节约切削工时，提高切削效率。
图1 萨洛蒙曲线
1.2 高速切削定义
目前国际上对高速切削还未形成统一的定义，一般地将采用超硬耐磨耐热材料的刀具，以较高的切削速度、进给速度和较小的切削用量进行切削加工，获得较高加工精度和表面质量的制造技术看作是高速切削。目前对于高速切削速度的范围也没有确切的界定，通常认为高速切削的切削速度英高于常规切削速度的
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5~10倍以上，进给速度一般为2~25m/min，有的可高达60~80m/min。几乎每一种金属材料都有临界切削速度，只是不同材料的速度值不同而已，而且高速切削速度范围与加工材料和加工方法有很大关系。下表1中给出几种常见材料的高速
[2]
切削时的速度范围。
表1 常见材料的高速切削范围
铸铁 铝合金 900~1000~
高速切削速度m/min
3000 7000
材料
钛合金 100~ 1000 镍基合金 钢 30~ 300~ 110 2000 黄铜
2000~ 5000
1.3研究背景与意义
科学技术的快速发展促进了以高切削速度和高加工精度为主要特征的高速切削技术的快速发展，并逐步成为现代先进制造技术的一个重要发展方向[2]。高速切削技术在实现高速切削加工、缩短切削工时、提高加工效率的同时，还能获得较高的加工精度和加工表面质量，并能满足某些特殊材料的切削加工要求。近年来，随着大功率高速主轴单元、高性能的伺服控制系统和超硬耐磨耐热刀具材料等关键技术的突破性进展，高速切削技术已在德国、美国、日本等工业发达国家得到迅速发展，并已广泛应用于装备制造工业、航空航天工业、模具工业等主要工业部门[3]。当前高速切削技术作为一种先进的切削加工理念，已成为国内外先进制造领域中重要的研究内容之一，在高速切削加工技术中，高速切削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[4]。高速切削加工是机械制造业发展的必然趋势，高速切削刀具材料的应用对切削技术具有决定性的作用[5]。高速切削刀具是实现高速切削的重要保证，因此选择合理的刀具材料及刀具系统对提高零件加工质量，延长刀具使用寿命，降低加工成本，提高加工效率均具有重要的意义。
2高速切削刀具材料
2.1 高速切削刀具材料的类型
刀具切削性能的好坏，取决于构成刀具的材料、几何参数及其结构，其中刀具材料对刀具耐用度、加工效率和加工质量等的影响最大。由于高速切削所采用的速度比常规切削速度高几倍甚至十几倍，切削温度很高。因此，高速切削对刀具材料提出了更高的要求。
高速切削刀具的失效主要是由于刀具材料的热性能(包括熔点、耐热性、抗氧化性、高温力学性能、抗热冲击性能等)不足所引起的[6]。因此，高速切削除了要求刀具材料具备普通刀具材料的一些基本性能之外，还突出要求刀具材料具备高的耐热性、抗热冲击性、良好的高温力学性能及高的可靠性。近30年来，世界各工业发达国家都在大力发展与高速切削条件相匹配的先进切削刀具材料。目前国内外用于高速切削的刀具材料主要有:TiC(N)基硬质合金(也称为金属陶瓷)、硬质合金涂层刀具、陶瓷刀具、聚晶金刚石(PCD)和立方氮化硼(CBN)等。
2.2 高速切削刀具的性能及应用
不同材料的高速切削刀具在性能上具有各自的优点，能够适应不同的工件材料。
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⑴TiC(N)基硬质合金TiC(N)基硬质合金是以TiC为主要成分的合金，其性能介于陶瓷和硬质合金之间。由于TiC(N)基硬质合金有接近陶瓷的硬度和耐热性，加工时与钢的摩擦系数小，耐磨性好，且抗弯强度和断裂韧性比陶瓷高。因此，TiC(N)基硬质合金可作为高速切削加工刀具材料，用于精车时，切削速度可比普通硬质合金提高20%—50%。
⑵硬质合金涂层刀具对刀具进行涂层处理是提高刀具性能的重要途径之一。涂层刀具是在韧性较好刀体上，涂覆一层或多层耐磨性好的难熔化合物，使刀具既有较高的韧性，又具有很高的硬度和耐磨性，涂层刀具的寿命比未涂层的刀具要高2—5倍。涂层化合物种类、组合方式及涂层结构的不同会使得涂层刀具的性能有所区别。常见的单涂层及多涂层组合方式有：TiC、TiN、TiCN、TiAiN、TiC/TiN、TiC/TiCN/TiN、TiC/A12O3/TiN等，而目前运用较多的涂层结构有：单涂层、多涂层、金刚石薄膜涂层、纳米涂层等。不同的涂层刀具适用的材料不同，如：金刚石薄膜涂层刀具适合加工有色金属及纤维材料，纳米涂层刀具适合于钢铁等黑色金属的高速加工，可用于高速干切削。
⑶陶瓷刀具 陶瓷刀具具有很高的硬度、耐磨性能及良好的高温性能，与金属的亲合力小，并且化学稳定性好。因此，陶瓷刀具可以加工传统刀具难以加工的高硬材料，实现以车代磨，从而可以免除退火、简化工艺，大幅度地节省工时和电力；陶瓷刀具的最佳切削速度可比硬质合金刀具高3—10倍，而且寿命长，可大大提高切削效率；陶瓷刀具材料使用的主要原料氧化铝、氧化硅等是地壳中最丰富的元素，对节省贵重金属也具有十分重要的意义。陶瓷刀具已应用于加工各种铸铁、钢件、热喷涂喷焊材料、镍基高温合金等。
⑷金刚石刀具 金刚石是碳的同素异构体，它是自然界已经发现最硬的材料，其显微硬度达到10000HV。金刚石刀具有两种，即:天然金刚石刀具和人造金刚石刀具。天然金刚石的性质较脆，容易沿晶体的解理面破裂，导致大块崩刃，并且天然金刚石价格昂贵，因此很多场合下已经被人造金刚石所代替。人造聚晶金刚石(PCD)是20世纪60年代发展起来的，它是以石墨为原料，加入催化剂，经高温高压烧结而成。PCD刀片可分为整体人造聚晶金刚石刀片和聚晶金刚石复合刀片。目前，大多数使用的PCD都是与硬质合金基体烧结而成的复合刀片，便于焊接。金刚石刀具已广泛应用于汽车、航空航天、国防工业中关键零部件的高速精密加工。多用于加工有色金属及其合金和一些非金属材料，是目前超精密切削加工中最主要刀具。
⑸立方氮化棚刀具 立方氮化硼(CBN)具有超硬特性、高热稳定性和高化学稳定性，其结构与金刚石相似，不仅晶格常数相近，而且晶体中的键也基本相同，使得其拥有与金刚石相近的硬度，而在热稳定性及对铁族元素的高化学稳定性方面又优于金刚石。PCBN（聚晶CBN）是在高温高压下将微细的CBN材料通过结合相烧结在一起的多晶材料，由于其具有独特的结构和特性，近年广泛应用于黑色金属的切削加工。PCBN的性能受其中的CBN含量、CBN粒径和结合剂的影响，而且CBN含量越高，PCBN的硬度和耐磨性就越高。目前，PCBN刀具有3种结构形式，即:整体PCBN刀具、PCBN复合刀片及电镀立方氮化硼刀具。已有多个品种不同CBN含量的PCBN刀具已用于车刀、幢刀、铣刀等，主要用于高速加工淬硬钢和高硬铸铁以及某些难加工材料。PCBN刀具是实现以车代磨的最佳刀具之一。
根据上述内容，可以对各种刀具所适合的加工材料进行总结，如表2所示。
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表2各种刀具所适合加工的工件材料
刀具
高硬度
耐热合金
钛合金
镍基高
铸铁
温合金
× ×
纯钢 ×
高硅铝合金 × ×
FRP复合材料
× ×
涂层硬质合金 TiC（N）基硬
× × ×
质合金刀具 陶瓷刀具 × PCBN PCD × × × 注： —优， —良， —尚可，×—不适合。
2.3 高速切削刀具材料的发展展望
高速切削是随着高速切削刀具材料的不断发展而逐渐成熟起来的。预计今后涂层刀具的应用范围将会进一步扩大；在资源、价格和性能等方面，陶瓷刀具具有很大的优势，尤其是其资源优势，因此，陶瓷刀具将会得到更大的发展；超硬刀具的应用将会越来越广泛。随着技术的发展，对工程材料提出了愈来愈高的要求，各种高强度、高硬度、耐腐蚀和耐高温的工程材料愈来愈多地被采用。因此，高速切削刀具材料的发展应能适应难加工材料和新型材料加工的需要。
3 高速切削刀具系统
传统的标准 7: 24 锥度刀柄因连接刚度低，动平衡性差，重复定位精度低而无法满足高速切削加工的要求[7-8]，因此为了满足高速切削的要求，提高刀具与机床主轴的连接刚度，需要对高速切削刀具系统刀具结构、刀具刀柄系统和刀具动平衡提出了新的要求[9]。
3.1 高速切削刀具结构
高速切削刀具刀刃的形状正向着高刚性、复合化、多刃化和表面超精加工方向发展。刀具切削刃形状对加工品质有很大影响。例如，金刚石刀具切削刃具有适应结晶方位时，能极大地改善刀具寿命和加工面的粗糙度等。高速切削不同材料时，刀具的几何参数对加工品质、刀具耐用度也有很大的影响。一般前角平均比传统加工方法小10°，后角约大5°~8°。切削刃边界的缺口破损和刀尖处的热磨损是高速切削刀具的主要特征之一。因此，主、副刀刃在刀尖处应逐渐过渡，如主、副切削刃连接处修圆刀尖或倒角刀尖，以增大刀尖角，加大刀尖附近刃区切削刃的长度和刀具材料体积，从而减小单位切削刃负荷及改善散热条件。同时，高速切削刀具的切削部分应尽量短，以提高刀具刚性和减少刀刃磨损的概率[10]。
3.2 高速切削刀具刀柄结构
刀柄是机床主轴与刀具的连接件。高速切削条件下刀具与机床的联接必须可靠，刀具系统应有足够的整体刚性。目前较为成功且应用较广的刀具系统主要有两大类: 一类是改进传统的 7: 24 锥度刀柄，这类刀柄如日本的 BIG-PLUS 系列、美国的WSU 系列等，此类刀柄同时与机床主轴的锥面及端面相接触，增加了接触刚度，且具有较高的重复精度和跳动精度。另一类是新设计的刀柄系统，此类刀柄如美国的 KM 系列、德国的 HSK 系列及日本的 NC5 系列等，此类
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刀柄具有刚度好、转动惯量小、重复定位精度高、夹紧可靠等优点[11]。表3给出了HSK和KM刀柄的结构特点[11]。
表3 HSK和KM刀柄的结构特点
刀柄类型 结合部位 夹紧力传递方式
刀具 基径/mm 柄部形式 牵引力/N 夹紧力/N
过盈量(理论值)/μm
锥度 HSK 锥面+端面 简夹 HSK-63B d38 空心柄 3.5 10.5 3~10 1∶10 KM 锥面+端面 钢球 KM6350 d40 空心柄 11.2 33.5 10~25 1∶10
3.3 高速切削刀具动平衡
高速切削刀具系统的动平衡非常重要。一般来说，对于小型刀具，平衡修正量只有百分之几克，对于紧密型刀具，采用静平衡即可，而对于悬伸长度较大的刀具则必须进行动平衡。因为高速切削时，由于主轴转速很高，如果加工系统中有不平衡质量存在，会引起非常大的惯性离心力，它会使抗弯强度和断裂韧性都较低的刀片发生断裂，除造成废品外，对操作者和机床都会带来危险。因此高速切削刀具体必须满足动平衡要求，刀片应开有与刀具体定位的键槽，并辅以上压式夹紧或由螺钉紧固，应对刀具、夹头、主轴各元件单独进行动平衡，然后还要对刀具与夹头组件进行动平衡，最后还应对刀具连同主轴一起进行动平衡。
平衡方法有两种[12]：⑴在刀柄轴上靠手工旋转一个本身不平衡的可调环套，可以在一定范围内调节不平衡量。⑵是在刀柄的径向安装可调螺钉，通过调节螺钉离中心线的远近来调节平衡。动平衡是在动平衡机上完成的，可以在动平衡机上得到不平衡的位置和不平衡量的大小，可以预测调节后是否在许可的不平衡量范围内。
刀具平衡技术的发展方向是将动平衡设备同切削刀具及机床集成在一起,从而能够使主轴和刀柄组件在从静止达到预定的高转速的过程中能够自动平衡。
4总结
高速切削技术是先进的制造技术，有着广阔的应用前景。推广应用高速切削技术可以大幅度提高机械加工的效率和品质，降低成本。在高速切削技术中，刀具技术是最重要的影响因素之一。因此，重视和加强与高速切削相适应的刀具材料、刀具结构及相关刀具技术的研究和开发对于提高提高我国机械制造业的切削加工效率和产品水平具有重要意义。
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