高速切削加工技術及刀具選擇
2014-9-23 來源：數控機床市場網 作者：陜西漢江機床有限公司王新成
摘要：高速切削加工機床與刀具系統的設計及制造是高速切削加工的基礎，高速加工刀具的結構設計與材料選用是高速切削加工的保證。 本文論述了高速切削加工技術的特點，及高速切削加工技術中高速切削刀具系統選擇和刀具材料選用方法。
關鍵詞：高速切削加工 刀具系統 刀具材料
1 引言
隨著現代科學技術的飛速發展，非金屬材料和復合材料的加工越來越廣泛，新型陶瓷材料及難加工材料的切削加工不斷涌現，要求機械制造過程的切削技術應滿足高速、高精密、高可靠性、清潔、安全的生產加工模式。 高速切削是指用于高速度進行高效加工的一種先進制造技術，也是一項綜合的高新技術。在高速切削加工技術的形成與發展過程中，工件材料與刀具材料交替發展，相互促成，成為切削技術不斷向前發展的歷史規律。高速切削加工技術正是由于刀具和機床技術的不斷發展進步而逐漸發展成熟起來的， 其中刀具材料起主導作用。 近年來隨著我國航空航天、汽車制造、模具工業的發展，引進了大量國外先進的數控加工裝備及相關配套加工工藝，使我國制造業設備的數控化率越來越高。 在高速切削加工技術中，高速切削加工機床與刀具系統的設計及制造是基礎，高速加工刀具的結構設計與材料選用是保證。因此，加強高速切削加工技術及刀具選擇的研究具有重要的實際意義。
1 高速切削加工的技術特點
一是，高速切削加工過程中，切削速度提高，單位時間內材料切除率提高，切削加工時間變短，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，切削力隨之減小，有利于高速切削加工剛度較差的薄壁零件。三是，高速切削加工過程中切屑以很高的速度排出，帶走大量的切削熱，有利于減小加工零件的內應力，減小零件的熱變形，提高加工精度。 四是，高速切削加工過程中的刀具主要是以超硬刀具的應用為主，有利于實施高速干切削加工技術。 高速干切削就是在切削加工過程中不使用任何切削液的工藝方法，是對傳統切削方式的一種技術創新。 它相對于濕切削而言，是一種從源頭上控制污染的綠色切削和清潔制造工藝，它消除了切削液的使用對外部系統造成的環境負面影響。 目前，能實現高速干切削的工件材料有鑄鐵、鋁合金、滾動軸承鋼等材料零件的加工。
2 高速切削加工技術的刀具選擇
刀具技術是實現高速切削的重要保證。 正確選擇刀具材料，合理設計刀具系統對于提高加工質量、延長刀具壽命和降低加工成本起著重要作用。實際生產中，高速切削加工時既要保證加工精度，又要保證高的生產率，還要保證安全可靠，因此，高速切削刀具系統必須滿足很高的幾何精度和裝夾重復精度、很高的裝夾剛度和高速運轉時安全可靠。 高速切削要求刀具材料具有高硬度、高強度和高耐磨性；高韌度、良好的耐熱沖擊性；高熱硬性、良好的化學穩定性。超硬刀具材料應用于高速切削是保證高的生產率的前提，因為，超硬刀具高速切削技術的應用不僅可以提高產品的切削速度和加工效率，而且可以確保產品的高精度和一致性，提高產品的加工質量以及加工產品的高科技含量和高附加值。同時還將大大減少傳統高速鋼、硬質合金工具對鈷、鎢、鉭、鈮等貴金屬的資源消耗，并可降低單位產品加工能耗。
目前，高速切削加工技術的刀具選擇主要是刀具材料的優化和制備技術。一是，金剛石和類金剛石涂層的刀具的制備及應用。金剛石是目前自然界中最硬的物質，它的硬度和彈性模量極高，而摩擦系數很小，具有很好的耐磨性，因此對于超硬材料的高速切削加工，金剛石車刀和具有金剛石涂層的高速鋼和硬質合金刀具是唯一切削刀具。金剛石涂層不僅能夠提高刀具使用壽命幾十倍，而且能夠滿足高精度機械零件的加工要求。在小直徑的鉆頭上沉積金剛石涂層可使其切削性能增強并延長鉆頭使用壽命 10 倍以上， 可以很好應用到難加工材料切削的機械制造領域。 類金剛石 PCD 涂層具有高硬度，而且具有低的摩擦系數，是非常理想的耐磨涂層材料，因而特別適合作為機械加工刀具和其它工具的涂層。二是，立方氮化硼涂層刀具的制備及應用。立方氮化硼(CBN)晶體維氏硬度僅次于金剛石，是一種超硬涂層材料。 立方氮化硼涂層具有一系列與金剛石涂層相似的優良特性， 如極高的硬度，極佳的導熱性能，它在機械、電子、光學等領域具有廣闊的應用前景。 CBN 可廣泛應用于鋼鐵制品的精密加工及超精密加工，CBN 作為切削刀具材料比金剛石更為優越，不僅提高產品的加工精度，改善產品質量，而且極大地提高了刀具的使用壽命。 CBN 涂層除具有優良的耐磨損性能外，耐熱性也極為優良，在相當高的切削溫度下也能切削耐熱鋼、鈦合金及淬火鋼等，并能切削高硬度的冷硬軋輥、滲碳淬火材料以及對刀具磨損非常嚴重的 Si-Al 合金。 三是，以 PCD 和 PCBN 刀具為代表的超硬刀具材料的應用。PCD 和 PCBN 超硬刀具具有比硬質合金、陶瓷刀具更高的硬度和更優良的耐磨性能，能適應更高的切削速度，更明顯體現了現代先進切削技術的高效、精密和柔性的基本特征，因此它們是目前較理想的高速切削刀具，代表了現代高效高速切削刀具的發展方向。四是，納米多層結構涂層刀具的制備及應用。納米多層結構涂層一般是由兩種厚度在納米尺度上的不同材料或結構層交替排列而成的非均質涂層體系，具有適應高速切削環境的特點[6]。利用這種層結構涂層機制可以制備出力學性能好，耐高溫抗氧化性的刀具涂層，能滿足現代高速切削加工技術的需要。五是，超細高強度硬質合金的制備技術。因為在高速切削加工過程中，刀具在高速旋轉時，會承受很大的離心力，其大小遠遠超過切削力，成為刀具的主要載荷，足以導致刀體破碎，造成重大事故。 所以完善超細高強度硬質合金的制備技術有利于提高高速切削加工過程的安全性。
3 結束語
高速切削加工技術是一項全新的、正在發展中的先進制造實用技術。非金屬材料和復合材料的高速切削是實現高精度、高效率、高穩定性和低表面粗糙度切削加工的重要技術途徑。高速切削加工技術主要用于輕金屬及其合金， 新型陶瓷材料及難加工材料的高速切削加工，以及用于精密、超精密及光學元件的高精加工。 隨著高速切削技術的深入研究，目前國外航空、航天、汽車、模具制造業已廣泛應用高速切削加工技術，并取得很好的經濟效益。隨著國家科技重大專項的實施，我國的高速切削技術正在發生突破性和跨越式的發展。 同時，國內超硬材料及工具制造企業正在抓住我國制造業結構轉型的大好發展機遇，針對高速切削超硬刀具技術開展產業化開發，特別是具有自主知識產權的高速切削超硬刀具技術的開發，努力加大自身企業的技術開發投入力度，以促進我國高速切削技術的快速推廣應用。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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