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现代切削工作对刀具的要求解析 【摘要】随着数控机床和加工中心等高效设备应用的日渐普及，在航空航天、汽车、高速列车、风电、电子、能源、模具等装备制造业的空前发展推动下，切削加工已迈入了一个以高速、高效和环保为标志的高速加工发展的新时期—现代切削技术阶段。 【关键词】 高速加工;新材料;涂层工艺;结构;多功能;刀具寿命 高速切削、干切削和硬切削作为当前切削技术的重要发展趋向，其重要地位和角色日益凸显。对这些先进切削技术的应用，不仅令加工效率成倍提高，亦着实推动了产品开发和工艺创新的进程。例如，精密模具硬质材料的型腔，采用高转速、小进给量和小吃深加工，既可获得很高的表面质量，又能够省却磨削、EDM和手工抛光或减少相应工序的时间，从而缩短生产工艺流程，提高生产率。 过去一些企业制作复杂模具时，基本上都需要3~4个月才能交付使用，而现在采用高速切削加工後，半个月便可完成。据调查，一般的工模具，有60%的机加工量可用高速加工工艺来实现。 高速加工时，不但要求刀具可靠性高、切削性能好、能稳定地断屑和卷屑、还要能达成高精度，并能实现快换或自动更换等。因此，对刀具材料、刀具结构、以及刀具的装夹都提出了更高要求。 对刀具材料的要求 高速加工刀具最突出的要求是，既要有高的硬度和高温硬度，又要有足够的断裂韧性。为此，须选用细晶粒硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷、聚晶金刚石(PCD)和聚晶立方氮化硼(PCBN)等刀具材料—它们各有特点，适应的工件材料和切削速度范围也都不同。例如，高速加工铝、镁、铜等有色金属件，主要采用PCD和CVD金刚石膜涂层刀具。高速加工铸件、淬硬钢(50~67HRC)和冷硬铸铁主要用陶瓷刀具和PCBN刀具。 1.硬质合金已迈入细晶粒超细晶粒阶段 涂层硬质合金刀具(如TiN、TiC、TiCN、TiAlN等)虽其加工工件材料范围广，但抗氧化温度一般不高，所以通常只宜在400-500m/min的切削速度范围内加工钢铁件。对於Inconel718高温镍基合金可使用陶瓷和PCBN刀具。据报道，加拿大学者用SiC晶须增韧陶瓷铣削Inconel718合金，推荐最佳的切削条件为：切削速度700m/min，吃深为1-2mm，每齿进给量为0.1-0.18mm/z。 目前，硬质合金已进入细晶粒(1-0.5μm)和超细晶粒(0.5μm)的发展阶段，过去细晶粒多用於K类(WC+Co)硬质合金，近几年来P类(WC+TiC+Co)和M类(WC+TiC+TaC或NbC+Co)硬质合金也向晶粒细化方向发展。 以往，为提高硬质合金的韧性，通常是增加钴(Co)的含量，由此带来的硬度降低如今可以通过细化晶粒得到补偿，并使硬质合金的抗弯强度提高到4.3GPa，已达到并超过普通高速钢(HSS)的抗弯强度，改变了人们普遍认为P类硬质合金适於切钢、而K类硬质合金只适於加工铸铁和铝等有色金属的选材格局。 采用WC基的超细晶粒K类硬质合金，同样可加工各种钢料。细晶粒硬质合金的另一个优点是刀具刃口锋利，尤其适於高速切削粘而韧的工件材料。以日本不二越公司开发的AQUA麻花钻为例，其用细晶粒硬质合金制造，并涂覆耐热、耐摩擦的润滑涂层，在高速湿式加工结构钢和合金钢(SCM)时，切削速度200m/min，进给速度1600mm/min，加工效率提高了2.5倍，刀具寿命提高2倍；干式钻孔时，切削速度150m/min，进给速度1200mm/min。 2.涂层提升到开发厚膜、复合和多元涂层的新阶段 现如今，涂层已进入到开发厚膜、复合和多元涂层的新阶段，新开发的TiCN、TiAlN多元超薄、超多层涂层(有的超薄膜涂层数可多达2000层，每层厚约1nm)与TiC、TiN、Al2O3等涂层的复合，加上新型抗塑性变形的基体，在改善涂层的韧性、涂层与基体的结合强度、提高涂层的耐磨性方面有了重大进展，全面提高了硬质合金的性能。 涂层刀具已成为现代切削刀具的标志，在刀具中的使用比例达到60%。涂层硬质合金刀具的产品现已呈现品牌化、多样化和通用化的趋向。例如，德国施耐尔(Schnell)公司用纳米技术推出的一种超长寿命LL涂层立铣刀，用其加工零件硬度超过70HRC淬硬模具钢材时，刀具寿命可延长2-3倍。 美国Kennametal公司推出的H7刀片系TiAlN涂层，专为高速铣削合金钢、高合金钢和不锈钢而设计。而德国Guhring公司推出的商品名为“Fire”的孔加工刀具涂层，则是一种通用性的复合涂层—融汇有TiN、TiCN和TiAlN三种涂层，兼具这三种涂层材料的优点，既适用於干切削和硬切削，也适合普通切削。其中，碳氮化钛（TiCN）材料通常作为刀具和可分度镶刀片的涂层。采用纳米技术，使其涂层具有一层针状的表面结构。其涂层的针状结