高效加工刀具技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
2016-12-6 來(lái)源：上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 作者：賀旭東 明偉偉 景璐璐 安慶龍 陳明
摘要：近年來(lái)，隨著研究的不斷深入，高效加工技術(shù)高效、高質(zhì)量、低能耗的特點(diǎn)逐漸受到重視，并在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。高效加工技術(shù)包括加工機(jī)床、加工刀具和加工工藝等方面，主要從加工刀具的材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和涂層技術(shù)3個(gè)方面進(jìn)行了相應(yīng)的探討，并結(jié)合綠色環(huán)保、高效智能的要求對(duì)刀具的未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞：高效加工；刀具材料；刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；涂層技術(shù)；綠色環(huán)保
高效加工(High PerformanceMachining，HPM)是在保證零件精度和質(zhì)量的前提下，通過(guò)對(duì)加工過(guò)程的優(yōu)化和提高單位時(shí)間材料切除量來(lái)提高加工效率和設(shè)備利用率、降低生產(chǎn)成本的一種高性能加工技術(shù)。在某些程度上，可以認(rèn)為高效加工涵蓋了高速加工。在高效加工系統(tǒng)中，刀具是完成切削加工的工具，直接接觸工件并從工件上切去一部分材料，使工件得到符合技術(shù)要求的形狀、尺寸精度和表面質(zhì)量。在整個(gè)加工過(guò)程中，刀具直接與工件接觸，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的刀具磨損現(xiàn)象，因而刀具也是加工過(guò)程中的一大消耗品。刀具技術(shù)的內(nèi)涵包括刀具材料技術(shù)、刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和成形技術(shù)、刀具表面涂層技術(shù)等，也包含了上述單項(xiàng)技術(shù)綜合交叉形成的高速刀具技術(shù)、刀具可靠性技術(shù)、綠色刀具技術(shù)、智能刀具技術(shù)等。刀具作為機(jī)械制造工藝裝備中重要的一類基礎(chǔ)部件，其技術(shù)發(fā)展又形成智能制造、精密與微納制造、仿生制造等基礎(chǔ)機(jī)械制造技術(shù)，以及液密氣密、齒輪、軸承、模具等基礎(chǔ)部件技術(shù)的支撐技術(shù)。
刀具在切削過(guò)程中承受繁重的負(fù)荷，包括高的機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力、沖擊和振動(dòng)等，如此惡劣的工作條件對(duì)刀具性能提出了高要求。在現(xiàn)代切削加工中，高效率的追求以及大量難加工材料的出現(xiàn)，對(duì)刀具性能提出了進(jìn)一步的挑戰(zhàn)。因此，選擇刀具材料、設(shè)計(jì)刀具結(jié)構(gòu)、發(fā)展刀具涂層和高性能刀具技術(shù)成為提高切削加工水平的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文從刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)和涂層技術(shù)3個(gè)方面對(duì)刀具進(jìn)行了詳細(xì)的討論，并指出了刀具未來(lái)的發(fā)展方向，同時(shí)結(jié)合了環(huán)保理念，以促進(jìn)先進(jìn)刀具的開(kāi)發(fā)，為提高制造技術(shù)水平發(fā)揮應(yīng)有的作用。
高效加工刀具
1.刀具材料
刀具材料對(duì)刀具壽命、加工效率和加工質(zhì)量等有著重要影響。目前，刀具材料主要有高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷和超硬材料等。不同材料刀具的切削性能各異，應(yīng)用范圍也不一樣。
速鋼(HSS)是一種具有高硬度、高耐磨性和高耐熱性的工具鋼，其熱處理工藝較為復(fù)雜，必須經(jīng)過(guò)淬火、回火等一系列過(guò)程。高速鋼合金1刀具材料刀具材料對(duì)刀具壽命、加工效率和加工質(zhì)量等有著重要影響。目前，刀具材料主要有高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷和超硬材料等。不同材料刀具的切削性能各異，應(yīng)用范圍也不一
樣。
高速鋼(HSS)是一種具有高硬度、高耐磨性和高耐熱性的工具鋼，其熱處理工藝較為復(fù)雜，必須經(jīng)過(guò)淬火、回火等一系列過(guò)程。高速鋼合金
圖1輪檀銑刀
硬質(zhì)合金是以高硬度難熔金屬的碳化物(WC、TiC)微米級(jí)粉末為主要成分，以鈷(Co)或鎳(Ni)、鉬(Mo)為粘結(jié)劑，在真空爐或氫氣還原爐中燒結(jié)而成的粉末冶金制品。硬質(zhì)合金硬度高、耐磨、強(qiáng)度和韌性較好、耐熱、耐腐蝕，可用于切削鑄鐵、有色金屬、塑料、化纖、石墨、玻璃、石材和普通鋼材，也可以用來(lái)切削耐熱鋼、不銹鋼、高錳鋼、工具鋼等難加工的材料。在硬質(zhì)合金中加入稀土元素，可優(yōu)化其切削性能。例如，添加鈷元素，可使硬質(zhì)合金的韌性提高，抗彎強(qiáng)度提高到4．3GPa，超過(guò)了普通高速鋼的抗彎強(qiáng)度【91；添加鈮、鉭等稀土元素，可細(xì)化硬質(zhì)合金晶粒，提高其硬度和耐磨性等。細(xì)晶粒硬質(zhì)合金刀具刃口鋒利，尤其適合于高速切削粘而韌的材料。圖2所示是本單位設(shè)計(jì)的一款鋁合金專用銑刀，它采用超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金材料，相對(duì)于傳統(tǒng)的高速鋼立銑刀，具有良好的剛性、高強(qiáng)度與耐磨性；刀具基體材料中鈷的含量呈梯度分布，可提高刀具韌性；刃口鋒利，比較適合高速切削鋁合金這類粘而韌的材料，可大幅度提高鋁合金薄壁件的生產(chǎn)加工效率。
圖2加工鋁合金的專用銑刀
陶瓷材料主要是離子鍵和共價(jià)鍵結(jié)合，其結(jié)合力是比較強(qiáng)的正負(fù)離子間的靜電引力或共用電子對(duì)，所以熔點(diǎn)高、硬度高，具有優(yōu)異的絕緣性和化學(xué)穩(wěn)定性。按化學(xué)成分，陶瓷刀具材料可分為氧化物基陶瓷、碳化物基陶瓷、碳氮化物基陶瓷和硼化物基陶瓷。由于具有高的硬度、強(qiáng)度與耐磨性，陶瓷刀具可用來(lái)加工淬火鋼、高強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)鋼、不銹鋼以及各種合金鋼和碳鋼，還可以加工各種高硬度的合金鑄鐵。但是陶瓷刀具具有一個(gè)共性，就是易崩刃，故而應(yīng)用范圍比較局限。
聚晶金剛石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PcBN)、立方氮化硼(CBN)、單晶金剛石等超硬材料具有極高的硬度和耐磨性、低摩擦系數(shù)、高彈性模量、高熱導(dǎo)、低熱膨脹系數(shù)，以及與非鐵金屬親和力小等優(yōu)點(diǎn)，已迅速應(yīng)用于高硬度、高強(qiáng)度、難加工有色金屬(合金)及有色金屬一非金屬?gòu)?fù)合材料零部件的高速、高效、干(濕)式機(jī)械切削加工行業(yè)中。天然金剛石作為超精密加工刀具不可替代的材料，應(yīng)用于各種精密儀器透鏡、反射鏡、計(jì)算機(jī)磁盤等工件的精細(xì)(超精、納米級(jí))車削加工；PCD刀具與天然金剛石刀具性能接近，具有優(yōu)異的耐磨性，可用來(lái)加工有色金屬和非金屬材料，還可用來(lái)精加工難加工材料，如硬質(zhì)合金和硅鋁合金。立方氮化硼(CBN)是硬度僅次于金剛石的超硬材料。它不但具有金剛石的許多優(yōu)良特性，而且有更高的熱穩(wěn)定性和對(duì)鐵族金屬及其合金的化學(xué)惰性，可用于加工金剛石刀具不能加工的黑色金屬及其合金材料。圖3所示刀具是本單位給某汽車發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的一款PCD螺紋銑刀，有效解決了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體零件加工過(guò)程中容易出現(xiàn)崩邊和振動(dòng)的問(wèn)題，同時(shí)提高了生產(chǎn)效率和表面質(zhì)量。相比于硬質(zhì)合金螺紋銑刀，它具有更好的表面加工質(zhì)量和加工精度。
圖3 PCD螺紋銑刀
刀具材料性能對(duì)刀具壽命、加工效率和加工質(zhì)量等有著重要影響。粉末冶金高速鋼將向高致密、高均勻化、純凈化和大尺寸方向發(fā)展【9l。未來(lái)10年，硬質(zhì)合金在小于O．5仙m的超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金的應(yīng)用范圍將大大提高，并最終向著納米晶粒水平的硬質(zhì)合金發(fā)展。陶瓷、金屬陶瓷材料的增韌技術(shù)，CBN、PCD的粒度控制技術(shù)，都將成為此類刀具產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的核心技術(shù)。切削技術(shù)的發(fā)展對(duì)刀具材料的高溫力學(xué)性能、熱物理性能、抗粘結(jié)性能、化學(xué)穩(wěn)定性(氧化性、擴(kuò)散性、溶解度等)和抗熱振性能以及抗涂層破裂性能等提出了更高的綜合要求，超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金，高強(qiáng)度的陶瓷、金屬陶瓷以及高品質(zhì)的超硬材料代表了未來(lái)的發(fā)展目標(biāo)。
2.刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
刀具結(jié)構(gòu)包括刀具自身及各功能部件外部形狀、裝夾方式、切削刃區(qū)幾何角度和截形”1。121。目前刀具設(shè)計(jì)仍以面向刀具切削性能的主導(dǎo)設(shè)計(jì)思路為主，從幾何設(shè)計(jì)和物理設(shè)計(jì)兩大方面追求刀具切削效率、刀具使用壽命以及最終工件加工質(zhì)量的最優(yōu)化組合。
刀具幾何設(shè)計(jì)主要針對(duì)刀刃強(qiáng)度，刀具的容屑、斷屑，刀具可靠性、安全性等基本刀具幾何性能，也是刀具設(shè)計(jì)的主要突破方向。未來(lái)發(fā)展中，在結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)了針對(duì)難加工材料的變螺旋角設(shè)計(jì)、變齒距設(shè)計(jì)以及可降低切削振動(dòng)的消振棱設(shè)計(jì)技術(shù)，而刃口鈍化處理技術(shù)和負(fù)倒棱設(shè)計(jì)技術(shù)可顯著提高刀刃強(qiáng)度，且隨著微納制造研究領(lǐng)域的突破逐步形成產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。高速鋼立銑刀采用波刃設(shè)計(jì)，切削刃具有可變的前角、后角和螺旋角，具有優(yōu)異的斷屑、排屑性能，特別適合加工塑性好、斷屑困難的材料，如鈦合金。
刀具物理設(shè)計(jì)方面目前以刀具材料性能的改善為主，并逐步開(kāi)始朝著針對(duì)特定加工條件、工件材料進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)刀具物理性能的方向發(fā)展。圖4所示是本單位給企業(yè)設(shè)計(jì)的一款復(fù)合臺(tái)階鉆，該企業(yè)生產(chǎn)線以前采用的工藝是先鉆再擴(kuò)，需要兩支鉆頭，采用復(fù)合臺(tái)階鉆后既可一次加工成形，大幅減少換刀時(shí)間和加工時(shí)間，同時(shí)也避免了換刀造成的加工誤差。另外，也可以開(kāi)發(fā)更高強(qiáng)度和可靠性的多功能銑刀盤，通過(guò)更換銑刀片即可滿足不同工況的需求，以適應(yīng)智能化、自動(dòng)化的發(fā)展需求。
現(xiàn)代刀具技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)同時(shí)滿足刀具性能和綠色、低耗的要求，刀具幾何設(shè)計(jì)和物理設(shè)計(jì)都趨于精細(xì)化、專用化、智能化、柔性化。在保證刀具性能的前提下，有利于實(shí)現(xiàn)刀具回收再利用的設(shè)計(jì)與成形技術(shù)將受到重視。此外，針對(duì)航空航天、發(fā)電設(shè)備、模具等高端制造行業(yè)需求，開(kāi)發(fā)自主創(chuàng)新的多功能面銑刀、各種球頭銑刀、模塊式立銑刀系統(tǒng)、插銑刀、大進(jìn)給銑刀等結(jié)構(gòu)技術(shù)也具戰(zhàn)略意義。
圖4復(fù)合臺(tái)階鉆
3.刀具涂層
刀具表面涂層以增效和延壽為目的，是將耐高溫、耐磨損的材料涂覆在刀具基體材料表面。涂層作為一個(gè)化學(xué)屏障和熱屏障，減少了刀具與工件間的擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)，從而減少了刀具的月牙槽磨損。涂層刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐熱耐氧化、摩擦因數(shù)小和熱導(dǎo)率低等特性”41。目前，常用的刀具涂層方法有化學(xué)氣相沉積法(CVD)、物理氣相沉積法(PVD)、等離子體化學(xué)氣相沉積法(PCvD)、熱噴涂法和離子束輔助沉積法(IBAD)，其中以PVD和CVD應(yīng)用最為廣泛。
刀具的涂層技術(shù)目前已經(jīng)成為提高刀具性能的關(guān)鍵技術(shù)。在涂層工藝方面，CVD仍然是可轉(zhuǎn)位刀片的主要涂層工藝，開(kāi)發(fā)了中溫CVD、厚膜Al：O，等新工藝，在基體材料改善的基礎(chǔ)上，使CVD涂層刀具的耐磨性和韌性都得到提高。CvD涂層技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向是高性能cVD刀具涂層工藝技術(shù)及裝備制造技術(shù)，包括制備厚膜d—A120，的關(guān)鍵工藝技術(shù)、微粒光滑的A120，膜的制備技術(shù)；防腐真空獲得系統(tǒng)及氣體輸入系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)；潔凈反應(yīng)源的研究及廢棄(氣)物后處理技術(shù)。PvD同樣取得了重大進(jìn)展，開(kāi)發(fā)了適應(yīng)高速切削、干切削、硬切削的耐熱性更好的涂層，如納米、多層結(jié)構(gòu)等，從最早的TiN涂層到TiCN、TiAlN、A1203、CrN、ZrN、CrAlN、TiSiN、TiAlsiN、AlCrSiN等硬涂層及超硬涂層材料。PVD涂層技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向是類金剛石涂層、CBN涂層、大面積等離子涂層技術(shù)。等離子體化學(xué)氣相沉積法(PcVD)是將高頻微波導(dǎo)人含碳化物氣體產(chǎn)生高頻高能等離子，或者通過(guò)電極放電產(chǎn)生高能電子使氣體電離成為等離子體，由氣體中的活性碳原子或含碳基團(tuán)在合金的表面沉積的一種涂層制備方法。等離子體對(duì)化學(xué)反應(yīng)有促進(jìn)作用，使等離子體化學(xué)氣相沉積法可以把沉積溫度降至600℃以下。在該溫度下，刀具基體與涂層材料之間不會(huì)發(fā)生擴(kuò)散、交換反應(yīng)或相變，刀具基體可以保持原有的強(qiáng)韌性。
刀具涂層技術(shù)向物理涂層附加大功率等離子體方向發(fā)展；功能薄膜向著多元、多層膜的方向發(fā)展；并研究集硬度、化學(xué)穩(wěn)定性、抗氧化性于一體且具有低內(nèi)應(yīng)力和高附著力的薄膜制備技術(shù)。圖5(a)為多層涂層，其內(nèi)層的TiCN與基體有較強(qiáng)的結(jié)合力和強(qiáng)度，中間的A120，作為一種有效的熱屏障可允許有更高的切削速度，外層的TiCN保證抗前刀面和后刀面磨損能力，最外一薄層金黃色的TiN使得容易辨別刀片的磨損狀態(tài)；圖5(b)中納米涂層與傳統(tǒng)涂層相比，具有超硬度、超模量和高紅硬性效應(yīng)，而且顯微硬度可超過(guò)40GPa；圖5(c)納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層(nc—Til《AkN)／(Ⅸ一si，N。)在強(qiáng)等離子體作用下，納米TiAlN晶體被鑲
圖5刀具的涂層技術(shù)
嵌在非晶態(tài)的si，N。體內(nèi)，當(dāng)TiAlN晶體尺寸小于10nm時(shí)，位錯(cuò)增殖源難于啟動(dòng)，而非晶態(tài)相又可阻止晶體位錯(cuò)的遷移，即使在較高的應(yīng)力下，位錯(cuò)也不能穿越非晶態(tài)晶界。這種結(jié)構(gòu)薄膜的硬度可以達(dá)到50GPa以上，并可保持相當(dāng)優(yōu)異的韌性，且當(dāng)溫度達(dá)到900—1100℃時(shí)，其顯微硬度仍可保持在30GPa以上。
CVD和PVD涂層工藝技術(shù)和裝備水平將得到進(jìn)一步提升和產(chǎn)業(yè)化。復(fù)合、梯度、多層、納米多層、納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層及薄膜多元化、個(gè)性化、涂層晶粒大小可控化等性能可定制的涂層(如高速干切削復(fù)合涂層技術(shù))將逐步產(chǎn)業(yè)化。另一方面，針對(duì)廢舊刀具回收利用的退涂技術(shù)Il71、重涂技術(shù)也將由于綠色環(huán)保逐步得到重視。此外，刀具軟涂層方向的自潤(rùn)滑刀具作為能夠?qū)崿F(xiàn)干切削、準(zhǔn)干式切削(MQL)的技術(shù)途徑之一已經(jīng)受到重視。
刀具技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
1.面向綠色切削的刀具技術(shù)
綠色切削是現(xiàn)代切削加工中以環(huán)保低耗、節(jié)約資源為目標(biāo)的一項(xiàng)綜合刀具技術(shù)，以干切削和MQL切削的相關(guān)刀具技術(shù)為代表Il 91。綠色切削貫穿在刀具材料制備、刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與成形、刀具表面涂層、刀具應(yīng)用、廢舊刀具回收利用的整個(gè)刀具全壽命周期。綠色刀具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括綠色材料選擇技術(shù)、面向可拆卸設(shè)計(jì)技術(shù)、面向可回收設(shè)計(jì)技術(shù)¨91。例如，內(nèi)冷孔刀具利用高壓氣體(于冰、液氮)降溫，代替了傳統(tǒng)的切削液，實(shí)用環(huán)保；金剛石制備工藝復(fù)雜、成本高，切削過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生二氧化碳，而氮化碳的化學(xué)惰性和穩(wěn)定性高于金剛石，硬度與金剛石也非常接近，可研究開(kāi)發(fā)氮化碳薄膜替代金剛石。
2.面向高可靠性的刀具技術(shù)
高可靠性刀具技術(shù)是涉及刀具材料、刀具表面涂層、刀具結(jié)構(gòu)、刀具監(jiān)測(cè)、刀柄、刀具安全技術(shù)等各項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)的一項(xiàng)綜合技術(shù)。在追求高速、高效的制造業(yè)大背景下，刀具技術(shù)不斷獲得新突破，但如何能在高速、高效加工過(guò)程中實(shí)現(xiàn)高可靠性成為行業(yè)挑戰(zhàn)∞l。在高效加工過(guò)程中，材料去除率較大，要求刀具具有優(yōu)良的耐高溫、耐磨損和高強(qiáng)度、硬度等性能，即刀具需具備較高的耐用度。而耐用度與刀具的材料、結(jié)構(gòu)、切削參數(shù)和加工對(duì)象有關(guān)，故而需要設(shè)計(jì)專用刀具，實(shí)現(xiàn)針對(duì)不同的材料和場(chǎng)合采用不同型號(hào)的刀具。
3.面向新的工程材料的刀具技術(shù)
以復(fù)合材料為代表的新的工程材料的不斷涌現(xiàn)，對(duì)切削加工提出了新的挑戰(zhàn)。復(fù)合材料由于高的比強(qiáng)度、比剛度特征以及材料可設(shè)計(jì)性等優(yōu)良性能，已成為當(dāng)今大型飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料之一。例如，具有代表性的CFRP復(fù)合材料，加工時(shí)材料是剪切去除的，不同于金屬的擠壓去除原理，因而需要研發(fā)新的刀具技術(shù)來(lái)加
碳纖維復(fù)材。在CFRP制孔過(guò)程中，除傳統(tǒng)金屬材料制孔缺陷(孔的尺寸、圓度、位置、垂直度誤差等)外，還有復(fù)合材料結(jié)構(gòu)特有的缺陷，主要表現(xiàn)為：人口剝離分層、出口分層、層間分層、撕裂與毛邊、孔周表面纖維抽出等，其中分層現(xiàn)象是最主要的制孔缺陷。在未來(lái)20年，復(fù)合材料的孔加工、銑削加工都是必須解決的關(guān)鍵制造技術(shù)難題。此外，^y鈦合金、鋁鋰合金以及它們與復(fù)合材料形成的各種疊層材料，也對(duì)刀具技術(shù)提出了新的個(gè)性化要求口”。
結(jié)束語(yǔ)
刀具的切削性能是刀具材料、幾何結(jié)構(gòu)和涂層相互組合的結(jié)果，新材料、創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和涂層能夠促進(jìn)刀具性能的改善。當(dāng)下時(shí)期，我國(guó)正處于由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)過(guò)渡的轉(zhuǎn)型期，研發(fā)先進(jìn)切削刀具具有重要的戰(zhàn)略意義。只有不斷推出先進(jìn)的刀具設(shè)計(jì)、制造技術(shù)，發(fā)展高性能、高可靠性的切削刀具，才能滿足國(guó)家制造業(yè)的需求，促進(jìn)國(guó)家制造業(yè)的成功轉(zhuǎn)型。我國(guó)的刀具制造技術(shù)仍然與先進(jìn)國(guó)家存在很大的差距，研究刀具技術(shù)迫在眉睫，特別是基礎(chǔ)材料和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，需要突破傳統(tǒng)思維，大膽創(chuàng)新，尋求刀具技術(shù)的新出路。
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