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高速加工的刀具选取

时间：2022-08-21 07:59:17 其他范文收藏本文下载本文

高速加工的刀具选取（共5篇）由网友“Yayaya”投稿提供，下面是小编为大家整理后的高速加工的刀具选取，供大家参考借鉴，希望可以帮助您。

高速加工的刀具选取

篇1：高速加工的刀具选取

刀具技术特别是刀具材料的进步对高速切削加工的发展起了很大的作用，在高速切削领域，当前主要使用金属陶瓷、陶瓷、涂层和超硬材料四类刀具，它们各有其特性和应用范围并相互补充。其中涂层刀具发展最快而且在高速切削领域有巨大应用潜力，目前在全部刀具中已占有50%以上的比重。

超硬材料刀具在高速切削领域独占优势，其实际应用与日俱增。在这类刀具中PCD(聚晶金刚石)刀具是高速切削铝合金和非金属材料的最佳选择，而金刚石涂层刀具则不仅已经实用化且增长势头很猛;PCBN(立方氮化硼聚晶产品)刀具适于以更高速度切削铸铁、淬硬钢等材料，CBN(立方氮化硼)涂层刀具也有望在近期取得重大技术突破。

为了使高速切削刀具有足够的使用寿命和低的切削力，应根据不同的工件材料选择最佳的刀具几何角度。与普通切削相比，高速切削刀具前角一般要小一些甚至是负前角，后角要稍大一点，且常采用修圆或倒角刀尖来增大刀前角，以防止刀尖处的热磨损。由于进行高速切削的旋转刀具要在很高的转速下工作，离心力问题非常突出，故要求其刀体结构和刀片夹紧结构应十分可靠，同时需要在动平衡仪上经过严格的动平衡，最好能进一步安装在机床上与主轴组件一起进行动平衡。

在普通转速下刀具与主轴间广泛采用的7：24锥联结，当高速旋转时，由于实心锥柄不能像主轴孔那样受离心力作用发生“胀大”，两者之间出现间隙会导致刀具在锥孔内摆动，从而引起刀具的轴向定位误差和破坏结构的动平衡。为了克服这种联结高速性能差的缺点，相继开发出了一些适合高速切削的联结方式，如：HSK 工具系统和Capto工具系统。

下面详细介绍刀具、刀柄及切削用量的选取。

1 刀具材料

要实现高速切削，刀具材料是关键。高速切削材料主要有硬质合金、涂层刀具、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼和金刚石刀具。它们各有优点，适合不同的工件材料和不同的切削速度范围。必须注意的是刀具材料和工件材料副之间有一个适配性问题，即一种刀具材料与工件材料时性能良好，但加工另一种工件材料时却不理想，换句话说，不存在一种万能刀具材料可适用于所有工件材料的高速加工。

高速切削刀具材料必须根据所加工的工件材料和加工性质来选择。一般而言，陶瓷刀具、涂层刀具及CBN刀具适合于加工钢铁等黑色金属的高速加工;PCD刀具适合于对铝、镁、铜等有色金属高速加工。表中列出了上述刀具材料所适合加工的一些工件材料。

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。

金刚石刀具适合于加工非金属材料、有色金属及其合金。由于金刚石的热稳定性差，切削温度达到800℃时，就会失去其硬度。因为金刚石和铁有很强的化学亲和力，在高温下铁原子容易与碳原子相互作用使其转化为石墨结构，刀具极容易损坏，因此金刚石刀具不适合于加工钢铁类材料，在切削有色金属时，PCD刀具的寿命是硬质合金刀具的几十甚至几百倍。

立方碳化硼刀具既能胜任淬硬钢、轴承钢、高速钢、冷硬铸铁的粗、精车，又能胜任高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其他难加工材料的高速切削。CBN刀具是实现以车代磨的最佳刀具之一。

2 刀具

以下介绍在加工中心上加工壳体常用刀具。

1、铣刀

在面铣时，由于铣刀和工件之间的关系，尺寸和位置是重要的因素。在选择刀具时，工件的宽度决定铣刀的直径。对于加工小件而言，一般刀具直径比工件大30%是比较理想的，但是机床功率和稳定性在许多情况下起决定作用。面铣常常需要几次走刀才能完成。

在优化铣削效果时，铣刀的刀片是另一个重要因素。在任何一次铣削时如果同时参加切削的刀片数多于一个是优点，但同时参加切削的刀片数太多就是缺点。在切削时每一个切削刃不可能同时切削，所要求的功率和参加切削的切削刃多少有关。就切屑形成过程，切削刃负载以及加工结果来说，铣刀相对于工件的位置起到了重要作用。在面铣时，用一把比切削宽度大约大30%的铣刀并且将铣刀位置在接近于工件的中心，那么切屑厚度变化不大。在切入切出的切屑厚度比在中心切削时的切削厚度稍稍薄一些。

为了确保使用足够高的平均切屑厚度/每齿进给量，必须正确地确定适合于该工序的铣刀刀齿数。铣刀的齿距是有效切削刃之间的距离。可根据这个值将铣刀分为3个类型——密齿铣刀、疏齿铣刀、特密齿铣刀。

和铣削的切屑厚度有关的还有面铣刀的主偏角。主偏角是刀片主切削刃和工件表面之间的夹角，主要有45度、90度角和圆形刀片。切削力的方向变化随着主偏角的不同将发生很大的变化：主偏角为90度的铣刀主要产生径向力，作用在进给方向，这意味着被加工表面将不承受过多的压力，对于铣削结构较弱的工件是比较可靠。

主偏角为45度的铣刀其径向切削力和轴向大致是相等的，所以产生的压力比较均衡，对机床功率的要求也比较低，特别适合于铣削产生崩碎切屑的短屑材料工件。

圆形刀片的铣刀意味着主偏角从0度到90度连续变化，这主要取决于切削深度。这种刀片切削刃强度非常高，由于沿长切削刃方向产生的切屑比较薄，所以适合大的进给量。沿刀片径向切削力的方向在不断改变，而且在加工过程中所产生的压力将取决于切削深度。现代刀片几何槽形的研制使圆形刀片具有平稳的切削效应、对机床功率需求较低、稳定性好等优点。今天，它已不再是一种有效的粗铣刀，在面铣和立铣中都有广泛的应用。

相对于工件的进给方向和铣刀的旋转方向有两种方式。第一种是顺铣，铣刀的旋转方向和切削的进给方向是相同的，在开始切削时铣刀就咬住工件并切下最后的切屑。第二种是逆铣，铣刀的旋转方向和切削的进给方向是相反的，铣刀在开始切削之前必须在工件上滑移一段，以切削厚度为零开始，到切削结束时切削厚度达到最大，

在三面刃铣刀、某些立铣或面铣时，切削力有不同方向。面铣时，铣刀正好在工件的外侧，切削力的方向更应特别注意。顺铣时，切削力将工件压向工作台，逆铣时切削力使工件离开工作台。

由于顺铣的切削效果最好，通常首选顺铣，只有当机床存在螺纹间隙问题或者有顺铣解决不了的问题时，才考虑逆铣。

在理想状况下，铣刀直径应比工件宽度大，铣刀轴心线应该始终和工件中心线稍微离开一些距离。当刀具正对切削中心放置时，极易产生毛刺。切削刃进入切削和退出切削时径向切削力的方向将不断变化。机床主轴就可能振动并损坏，刀片可能碎裂而加工表面将十分粗糙。铣刀稍微偏离中心，切削力方向将不再波动—— 铣刀将会获得一种预载荷。我们可以把中心铣削比做在马路中心开车。

铣刀刀片每一次进入切削时，切削刃都要承受冲击载荷，载荷大小取决于切屑的横截面、工件材料和切削类型。切入切出时，切削刃和工件之间是否能正确咬合是一个重要方向。

当铣刀轴心线完全位于工件宽度外侧时，在切入时的冲击力是由刀片最外侧的刀尖承受的，这将意味着最初的冲击载荷由刀具最敏感的部位承受。铣刀最后也是以刀尖离开工件，也就是说刀片从开始切削到离开，切削力一直作用在最外侧的刀尖上，直到冲击力卸荷为止。当铣刀的中心线正好位于工件边缘线上时，当切屑厚度达到最大时刀片脱离切削，在切入切出时冲击载荷达到最大。当铣刀轴心线位于工件宽度之内时，切入时的最初冲击载荷沿切削刃由距离最敏感刀尖较远的部位承受，而且在退刀时刀片比较平稳的退出切削。

对于每一个刀片来说，当要退出切削时切削刃离开工件的方式是重要的。接近退刀时剩余的材料可能使刀片间隙多少有所减少。当切屑脱离工件时沿刀片前刀面将产生一个瞬时拉伸力并且在工件上常常产生毛刺。这个拉伸力在危险情况下危及切屑刃安全。

当铣刀轴心线和工件边缘线重合或接近工件的边缘线时，情况将很严重。达到较好铣削的总结

①检查机床的功率和刚度，以保证所需要的铣刀直径能够在机床上使用。

②主轴上刀具的悬伸量尽可能达到最短，减小铣刀轴线与工件位置对冲击载荷的影响。

③采用适合于该工序的正确的铣刀齿距，以确保在切削时没有太多的刀片同时和工件啮合而引起振动，另一方面，在铣削狭窄工件或铣削型腔时要确保有足够的刀片和工件啮合。

④确保采用每刀片的进给量，以便在切屑足够厚时能获得正确的切削效果，从而减小刀具磨损。采用正前角槽形的可转位刀片，从而获得平稳的切削效果以及最低的功率。

⑤选用适合于工件宽度的铣刀直径。

⑥选用正确的主偏角。

⑦正确的放置铣刀。

⑧仅仅在必要时使用切削液。

⑨遵循刀具保养及维修的规则，并且监控刀具磨损。

(2)钻头

钻头是孔加工刀具中应用最广的刀具，尤其是钻削ф30mm以下的孔时，钻头从结构上分为整体式和可转位刀片钻头，由于汽车工业追求高的生产效率，台肩和倒角复合钻的应用也越来越广泛。

许多工件上都需要钻削一个孔或数个孔，而且如今这些孔大多数都是在数控机床和加工中心上加工。从原理上讲，有许多不同类型的孔，在这些孔之间最普遍的差异是配合间隙。这些孔包括螺纹孔、有极好配合要求的孔、管道孔以及为去除重量而加工出的孔等。这些孔是通孔或者是盲孔，对切削刀具和方法有不同的要求。

在钻削过程中，为了以有效的方法达到满意的效果，需要考虑4个主要因素。

①直径和孔深的比值;

②被加工孔需要的精度和表面粗糙度;

③工件材料类型、质量和硬度;

④机床，尤其是加工条件和主轴转速;

这些因素将影响钻头类型的选择和应用。在所有的加工过程中，工件、机床和工艺系统的稳定性是最重要的。在考虑什么类型的钻头适用于加工工序时，钻削工艺起着某些制约作用。最小的可转位刀片直径为12.7mm。

(3)镗刀

镗刀按结构分为整体式、装夹式和可调式，可调式又分为微调式和差动式。在汽车变速器壳体加工中常用的主要是单刃微调式镗刀和双刃粗镗刀。

粗镗刀利用轴向调节机构，使两刃高度完全一致，取得理想的平衡状态，防止振动。进给螺纹是精镗头的命脉，在一些厂家采用配对生产法，将螺丝与螺母间的齿隙限制在最小，获得最高的可靠性。在镗背面的孔时，往往需要将工件反装，或回转工作台，这样不仅浪费时间，而且很难保证同轴度，日本BIG公司生产的 EWN精镗头只需将刀片反装即可进行反镗加工，即保证精度有提高生产效率。对于有高精度要求的孔要求刀杆有高的动平衡效果，在BIG公司生产的高速小孔精镗头移动平衡环，内藏的平衡块既会移动，根据说明书中的相关数据，将平衡环转到相应的位置既可使镗头处于平衡状态。

(4)攻丝

在加工中心上有两种攻螺纹方式，高精度自动倒转攻螺纹器，最高转速达6000r/min，不需任何补偿作用的刚性攻。这两种攻螺纹的方式各有优劣，因此依照加工要求而选择，在大量生产中，因追求高效率，自动倒转攻螺纹器将有利于生产，但它机构复杂、附件繁多、维修不易、价格昂贵。目前，随着CNC加工中心使用数量的增加，刚性攻丝将日渐普及。

使用刚性攻螺纹时，由于加工中心的数控系统控制轴向进给，故丝锥本身不需负担控制任务，刚性攻螺纹时，丝锥的旋转速度与机械主轴轴向进给为100%同步，丝锥可夹持在固定刀柄中，不需任何浮动功能。

篇2：高速切削加工中刀具材料的合理选择(二)

高速切削加工刀具材料的选用：

一、铝合金：

1、易切削铝合金

该材料在航空航天工业应用较多，适用的刀具有K10、K20、PCD，切削速度在～4000m/min，进给量在3～12m/min，刀具前角为12°～18°，后角为10°～18°，刃倾角可达25°，

2、铸铝合金

铸铝合金根据其Si含量的不同，选用的刀具也不同，对Si含量小于12%的铸铝合金可采用K10、Si3N4刀具，当Si含量大于12%时，可采用 PKD(人造金刚石)、PCD(聚晶金刚石)及CVD金刚石涂层刀具。对于Si含量达16%～18%的过硅铝合金，最好采用PCD或CVD金刚石涂层刀具，其切削速度可在1100m/min，进给量为0.125mm/r。

二、铸铁：

对铸件，切削速度大于350m/min时，称为高速加工，切削速度对刀具的选用有较大影响。当切削速度低于750m/min时，可选用涂层硬质合金、金属陶瓷;切削速度在510～2000m/min时，可选用Si3N4陶瓷刀具;切削速度在2000～4500m/min时，可使用CBN刀具。

铸件的金相组织对高速切削刀具的选用有一定影响，加工以珠光体为主的铸件在切削速度大于500m/min时，可使用CBN或Si3N4，当以铁素体为主时，由于扩散磨损的原因，使刀具磨损严重，不宜使用CBN，而应采用陶瓷刀具。如粘结相为金属Co，晶粒尺寸平均为3μm，CBN含量大于 90%～95%的BZN6000在V=700m/min时，宜加工高铁素体含量的灰铸铁。粘结相为陶瓷(AlN+AlB2)、晶粒尺寸平均为10μm、 CBN含量为90%～95%的Amborite刀片，在加工高珠光体含量的灰铸铁时，在切削速度小于1100m/min时，随切削速度的增加，刀具寿命也增加。

普通钢

切削速度对钢的表面质量有较大的影响，根据德国Darmstadt大学PTW所的研究，其最佳切削速度为500～800m/min。

目前，涂层硬质合金、金属陶瓷、非金属陶瓷、CBN刀具均可作为高速切削钢件的刀具材料。其中涂层硬质合金可用切削液。用PVD涂层方法生产的 TiN涂层刀具其耐磨性能比用CVD涂层法生产的涂层刀具要好，因为前者可很好地保持刃口形状，使加工零件获得较高的精度和表面质量。

金属陶瓷刀具占日本刀具市场的30%，以TiC-Ni-Mo为基体的金属陶瓷化学稳定性好，但抗弯强度及导热性差，适于切削速度在 400～800m/min的小进给量、小切深的精加工;Carboly公司用TiCN作为基体、结合剂中少钼多钨的金属陶瓷将强度和耐磨两者结合起来，Kyocera公司用TiN来增加金属陶瓷的韧性，其加工钢或铸铁的切深可达2～3mm，

CBN可用于铣削含有微量或不含铁素体组织的轴承钢或淬硬钢。

三、高硬度钢：

高硬度钢(HRC40～70)的高速切削刀具可用金属陶瓷、陶瓷、TiC涂层硬质合金、PCBN等。

金属陶瓷可用基本成分为TiC添加TiN的金属陶瓷，其硬度和断裂韧性与硬质合金大致相当，而导热系数不到硬质合金的1/10，并具有优异的耐氧化性、抗粘结性和耐磨性。另外其高温下机械性能好，与钢的亲和力小，适合于中高速(在200m/min左右)的模具钢SKD加工。金属陶瓷尤其适合于切槽加工。

采用陶瓷刀具可切削硬度达HRC63的工件材料，如进行工件淬火后再切削，实现“以切代磨”。切削淬火硬度达HRC48～58的45钢时，切削速度可取150～180m/min，进给量在0.3～0.4min/r，切深可取2～4mm。粒度在1μm，TiC含量在20%～30%的Al2O3-TiC 陶瓷刀具，在切削速度为100m/min左右时，可用于加工具有较高抗剥落性能的高硬度钢。

当切削速度高于1000m/min时，PCBN是最佳刀具材料，CBN含量大于90%的PCBN刀具适合加工淬硬工具钢(如HRC55的H13工具钢)。

四、高温镍基合金：

Inconel718镍基合金是典型的难加工材料，具有较高的高温强度、动态剪切强度，热扩散系数较小，切削时易产生加工硬化，这将导致刀具切削区温度高、磨损速度加快。高速切削该合金时，主要使用陶瓷和CBN刀具。

碳化硅晶须增强氧化铝陶瓷在100～300m/min时可获得较长的刀具寿命，切削速度高于500m/min时，添加TiC氧化铝陶瓷刀具磨损较小，而在100～300m/min时其缺口磨损较大。氮化硅陶瓷(Si3N4)也可用于Inconel718合金的加工。

加拿大学者M.A.Elbestawi认为，SiC晶须增强陶瓷加工Inconel718的最佳切削条件为：切削速度700m/min，切深为1～2mm，进给量为0.1～0.18mm/z。

氮氧化硅铝(Sialon)陶瓷韧性很高，适合于切削过固溶处理的Inconel718(HRC45)合金，Al2O3-SiC晶须增强陶瓷适合于加工硬度低的镍基合金。

五、钛合金：(Ti6Al6V2Sn)

钛合金强度、冲击韧性大，硬度稍低于Inconel718，但其加工硬化非常严重，故在切削加工时出现温度高、刀具磨损严重的现象。日本学者 T.Kitagawa等经过大量实验得出，用直径?10mm的硬质合金K10两刃螺旋铣刀(螺旋角为30°)高速铣削钛合金，可达到满意的刀具寿命，切削速度可高达628m/min，每齿进给量可取0.06～0.12mm/z，连续高速车削钛合金的切削速度不宜超过200m/min。

六、复合材料：

航天用的先进复合材料(如Kevlar和石墨类复合材料)，以往用硬质合金和PCD，硬质合金的切削速度受到限制，而在900℃以上高温下PCD刀片与硬质合金或高速钢刀体焊接处熔化，用陶瓷刀具则可实现300m/min左右的高速切削。

篇3：高速切削加工中刀具材料的合理选择(一)

高速切削加工技术是近几十年来发展迅猛的一项先进制造技术，已经成为国内外研究的热点之一，刀具材料影响着高速切削加工技术的广泛应用。刀具材料经历了高速钢一硬质合金一陶瓷一超硬材料等不断发展的过程，切削速度和加工效率得以不断提高。本文分析了在高速切削加工中常用的刀具材料，并针对常用的被加工材料阐述了高速切削刀具材料的选择方法。

1高速切削对刀具材料的要求

由于高速切削加工的切削速度是常规切削的5～10倍，因此对刀具材料以及刀具结构、几何参数等都提出了新的更高的要求。刀具材料的选择对加工效率、加工质量、加工成本和刀具寿命等都有着重要的影响。高速切削加工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，还对刀具材料有更高的要求，主要包括：①高的硬度和耐磨性：高速切削加工刀具材料的硬度必须高于普通加工刀具材料的硬度，一般在60HRC以上。刀具材料的硬度愈高，其耐磨性愈好。②高的强度和韧性：刀具材料要有很高的强度和韧性，以便承受切削力、振动和冲击，防止刀具脆性断裂。③良好的热稳定性和热硬性：刀具材料要有很好的耐热性，要能承受高温，具备良好的抗氧化能力。④良好的高温力学性能：刀具材料要有很高的高温强度、高温硬度和高温韧性。⑤较小的化学亲和力：刀具材料与工件材料的化学亲和力要较小。

目前适用于高速切削的刀具主要有：涂层刀具、陶瓷刀具、金属陶瓷刀具、立方氮化硼(CBN)刀具、聚晶金刚石(PCD)刀具以及性能优异的高速钢和硬质合金刀具等。

2高速切削常用的刀具材料

2.1涂层刀具

涂层刀具是在韧性较好的刀体上，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。涂层刀具可分为两大类：一类是“硬”涂层刀具如TiC、TLN、Al2O3涂层刀具，硬涂层刀具的主要优点是硬度高、耐磨性能好。另一类是 “软”涂层刀具，这种涂层刀具也称为自润滑刀具，其表面摩擦因数低可以减少摩擦，降低切削力和切削温度，软涂层刀具的涂层材料主要有MoS2和WS2。应用较广泛的涂层工艺有化学气相沉积法和物理气相沉积法。涂层硬质合金一般采用化学气相沉积法(CVD)，沉积温度在100℃左右。涂层高速钢刀具一般采用物理气相沉积法(PVD)，沉积温度在500℃左右。

2.2陶瓷刀具

陶瓷刀具具有很高的硬度、耐磨性能和良好的高温力学性能，与金属的亲合力小，不易与金属产生粘结，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或根本不能加工的超硬材料，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以比硬质合金刀具高 3-10倍，而且刀具寿命长，可减少换刀次数，从而大大提高切削加工生产效率。近年来，由于控制了原料的纯度和晶粒尺寸，添加了各种碳化物、氮化物、硼化物、氧化物和晶须等，采用多种增韧机制进行增韧补强，使得陶瓷刀具材料的抗弯强度、断裂韧性和抗冲击性能都大幅度提高，应用范围日益广泛，可以用于高速切削、干切削和硬切削，切削效率大大提高。

2.3金属陶瓷刀具

金属陶瓷有较高室温硬度、高温硬度及良好的耐磨性、抗氧化能力强和化学稳定性好。金属陶瓷材料主要包括高耐磨性TiC基硬质合金(Tic Ni或No)、高韧性TiC基硬质合金(TiC TaC wc)、强韧TiN基硬质合金(以TiN为主体)、高强韧性TiCN基硬质合金(TicN NbC)等。金属陶瓷刀具可在300—500m/min的切削速度范围内高速加工钢和合金钢，精加工铸铁。此外金属陶瓷还可制成钻头、铣刀和滚刀。

2.4立方氮化硼(CBN)刀具

立方氮化硼具有超硬特性、高热稳定性和高化学稳定性。立方氮化硼刀具是高速精加工或半精加工淬硬钢、冷硬铸铁和高温合金等的理想刀具材料。

2.5金刚石刀具

金刚石刀具有两种：天然金刚石刀具和人造金刚石刀具。天然金刚石的价格昂贵，目前已经被人造金刚石所代替。人造聚晶金刚石(PCD)是以石墨为原料，加入催化剂经高温高压烧结而成。在烧结过程中由于添加剂的加入，使金刚石晶体间形成以TiC、SiC、Fe、Co和Ni等为主要成分的结合桥，金刚石以共价键的结合形式牢固地嵌于结合桥构成坚固的骨架中，使PCD的强度和韧性都有了很大提高。

由于PCD结合桥具有导电性使得PCD便于切割成形，且成本低于天然金刚石PCD刀片可分为整体聚晶金刚石刀片和聚晶金刚石复合刀片。

2.6性能优异的高速钢和硬质合金复杂刀具

高性能钴高速钢、粉末冶金高速钢和整体硬质合金材料已成为制造滚刀、剃齿刀、插齿刀等齿轮刀具的主流刀具材料，可用于齿轮的高速切削。用硬质合金粉末和高速钢粉末配制成的新型粉末冶金材料制成的齿轮滚刀，滚切速度可达到150—180m/min。再对其进行TiAIN涂层处理后，可用于高速干切齿轮。

篇4：高速切削刀具在数控加工中的应用论文

摘要:

随着科学技术水平的不断提高,作为先进制造技术的重要组成部分高速切削技术在模具加工制造中已得到越来越广泛的应用。本文结合高速切削技术的发展现状,阐述了高速切削技术的应用及其未来趋势。

关键词:

篇5：高速切削刀具在数控加工中的应用论文

一、高速切削技术和高速切削刀具

目前,切削加工仍是机械制造行业应用广泛的一种加工方法。其中,集高效、高精度和低成本于一身的高速切削加工技术已经成为机械制造领域的新秀和主要加工手段。

“高速切削”的概念首先是由德国的C.S~omom博士提出的,并于1931年4月发表了著名的切削速度与切削温度的理论。该理论的核心是:在常规的切削速度范围内,切削温度随着切削速度的增大而提高,当到达某一速度极限后,切削温度随着切削速度的提高反而降低。此后,高速切削技术的发展经历了以下4个阶段:高速切削的设想与理论探索阶段(193l—l971年),高速切削的应用探索阶段(1972-1978年),高速切削实用阶段(1979--1984年),高速切削成熟阶段(20世纪90年代至今)。高速切削加工与常规的切削加工相比具有以下优点:第一,生产效率提高3～1O倍。第二,切削力降低30%以上,尤其是径向切削分力大幅度减少,特别有利于提高薄壁件、细长件等刚性差的零件的加工精度。第三,切削热95%被切屑带走,特别适合加工容易热变形的零件。第四,高速切削时,机床的激振频率远离工艺系统的固有频率,工作平稳,振动较小,适合加工精密零件。

高速切削刀具是实现高速加工技术的关键。刀具技术是实现高速切削加工的关键技术之一,不合适的刀具会使复杂、昂贵的机床或加工系统形同虚设,完全不起作用。由于高速切削的切削速度快,而高速加工线速度主要受刀具限制,因为在目前机床所能达到的高速范围内,速度越高,刀具的磨损越快。因此,高速切削对刀具材料提出了更高的要求,除了具备普通刀具材料的一些基本性能之外,还应突出要求高速切削刀具具备高的耐热性、抗热冲击性、良好的高温力学性能及高的可靠性。高速切削技术的发展在很大程度上得益于超硬刀具材料的出现及发展。目前常用的高速切削刀具材料有:聚晶金刚石(PCD)、立方氮化硼(CBN)、陶瓷、Ti(C,N)基金属陶瓷、涂层刀具fCVD)~超细晶粒硬质合金等刀具材料。

二、高速切削刀具的发展情况

金刚石刀具材料。金刚石刀具具有硬度高、抗压强度高、导热性及耐磨性好等特性,可在高速切削中获得很高的加工精度和加工效率。金刚石刀具分为天然金刚石和人造金刚石刀具。然而,由于天然金刚石价格昂贵,加工焊接非常困难,除少数特殊用途外,很少作为切削工具应用在工业中。近年来开发了多种化学机理研磨金刚石刀具的方法和保护气钎焊金刚石技术,使天然金刚石刀具的制造过程变得比较简单,因此在超精密镜面切削的高技术应用领域,天然金刚石起到了重要作用。

立方氮化硼刀具材料。立方氮化硼(CBN)是纯人工合成的材料,是20世纪50年代末用制造金刚石相似的方法合成的第二种超材料——CBN 微粉。立方氮化硼(CBN)是硬度仅次于金刚石的超硬材料。虽然CBN的硬度低于金刚石,但其氧化温度高达1360℃ ,且与铁磁类材料具有较低的亲和性。因此,虽然目前CBN还是以烧结体形式进行制备,但仍是适合钢类材料切削,具有高耐磨性的.优良刀具材料。CBN具有高硬度、高热稳定性、高化学稳定性等优异性能,因此特别适合加工高硬度、高韧性的难加工金属材料。PCBN刀具是能够满足先进切削要求的主要刀具材料,也是国内外公认的用于硬态切削,高速切削以及干式切削加工的理想刀具材料。PCBN刀具主要用于加工淬硬钢、铸铁、高温合金以及表面喷涂材料等。国外的汽车制造业大量使用PCBN刀具切削铸铁材料。PCBN刀具已为国外主要汽车制造厂家各条生产线上使用的新一代刀具。

陶瓷刀具。与硬质合金相比,陶瓷材料具有更高的硬度、红硬性和耐磨性。因此,加工钢材时,陶瓷刀具的耐用度为硬质合金刀具的10～20倍,其红硬性比硬质合金高2～6倍,且化学稳定性、抗氧化能力等均优于硬质合金。陶瓷刀具材料的强度低、韧性差,制约了它的应用推广,而超微粉技术的发展和纳米复合材料的研究为其发展增添了新的活力。陶瓷刀具是最有发展潜力的高速切削刀具,在生产中有美好的应用前景,目前已引起世界各国的重视。在德国约70%加工铸件的工序是用陶瓷刀具完成的,而日本陶瓷刀具的年消耗量已占刀具总量的8%～l0%。

涂层刀具。涂层材料的发展,已由最初的单一TiN涂层、TiC涂层,经历了TiC-112o3-TiN 复合涂层和TiCN、TiA1N等多元复合涂层的发展阶段,现在最新发展了TiN/NbN、TiN/CN,等多元复合薄膜材料,使刀具涂层的性能有了很大提高。硬质涂层材料中,工艺最成熟、应用最广泛的是TiN。(氮)化钛基硬质合金(金属陶瓷)金属陶瓷与由WC构成的硬质合金不同,主要由陶瓷颗粒、TiC和TiN、粘结剂Ni、Co、Mo等构成。金属陶瓷的硬度和红硬性高于硬质合金而低于陶瓷材料,横向断裂强度大于陶瓷材料而小于硬质合金,化学稳定性和抗氧化性好,耐剥离磨损,耐氧化和扩散,具有较低的粘结倾向和较高的刀刃强度。

三、高速切削刀具的具体应用情况

理想的刀具材料应具有较高的硬度和耐磨性,与工件有较小的化学亲和力,高的热传导系数,良好的机械性能和热稳定性能。理想的刀具使得高速硬切削能够作为代替磨削的最后成型工艺,达到工件表面粗糙度、表面完整性和工件精度的加工要求。硬质合金刀具具有良好的抗拉强度和断裂韧性,但由于较低的硬度和较差的高温稳定性,使其在高速硬切削中的应用受到一定限制。但细晶粒和超细晶粒的硬质合金由于晶粒细化后,硬质相尺寸变小,粘结相更均匀地分布在硬质相的周围,提高了硬质合金的硬度与耐磨性,在硬切削中获得较广泛应用。

陶瓷刀具和CBN刀具是在高速硬车削和端面铣削中最常用的刀具。它们所具有的高硬度和良好的高温稳定性,使其能够承受在硬切削过程中高的机械应力和热应力负荷。与陶瓷刀具相比,CBN刀具拥有更高的断裂韧性,因此更适合断续切削加工。为保证工件较高的尺寸精度和形状精度,高的热传导率和低的热膨胀系数也应是刀具材料所应具有的重要性质。因此,具有优良综合性能的CBN刀具是最适合用于高速硬切削的刀具。聚晶金刚石刀具的硬度虽然超过立方氮化硼刀具,但即使在低温下,其对黑色金属中铁的亲和力也很强,易引起化学反应,因此不能用于钢的硬切削。

一般而言,PCD刀具适合于对铝、镁、铜等有色金属材料及其合金和非金属材料的高速加工;而CBN、陶瓷刀具、涂层硬质合金刀具适合于钢铁等黑色金属的高速加工。故在模具加工中,特别是针对淬硬性模具钢等高硬度钢材的加工,CBN刀具性能最好,其次为陶瓷刀具和涂层硬质合金。

结论

高速切削技术的问世改变了人对传统切削加工的思维和方式,极大提高了加工效率和加工质量。而高速切削与模具加工的结合,改变了传统模具加工的工序流程。高速切削刀具作为高速切削技术的关键,随着技术的不断完善,将为模具制造带来一次全新的技术革新。

参考文献

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