切削加工与刀具技术现状和发展

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.    高速切削的主要内容包括高速软切削、高速硬切削、高速干切削、大进给切削等。高速切削是一个相对概念，对其切削速度范围的界定目前国内外专家尚未达成共识。通常认为高速加工时的切削速度比常规切削速度高5～10倍以上。 . q5 P' R) [: @3 x$ ^& f 20世纪90年代以来，激烈的市场竞争推动以机械制造技术为先导的先进制造技术以前所未有的速度和广度向前发展。高生产率和高质量是先进制造技术追求的两大目标。高速切削、精密和超精密切削是当前切削技术的重要发展方向，已成为切削加工的主流技术。 高速切削技术 4 R6 I/ Y$ _: c6 ?/ Y; A2 v% I2 k      中国工程院院士艾兴教授在所作“高速切削刀具材料的发展及其合理应用”主题报告中指出，在高速切削时，随着切削速度的提高，切削力减小，切削温度的增加渐趋缓慢，生产效率和加工质量提高，从而可降低制造成本，缩短产品开发周期。高速切削大致可使切削力减小15%～30%，表面质量提高1～2级，切削速度和进给速度提高15%～20%，制造成本降低10%～15%。高速切削现已广泛应用于航空、航天、汽车、摩托车、模具、机床等工业中对钢、铸铁、有色金属及其合金、高温耐热合金、碳纤维增强塑料等复合材料的加工中，其中以铝合金和铸铁的高速加工最为普遍。目前高速加工各种材料的切削速度：普通钢和铸铁为500～2000m/min(钻、铰削100～400m/min，攻丝100m/min，滚齿300～600m/min)，淬硬钢(35～65HRC)为100～400m/min，结构铝合金为3000～4000m/min，高硅铝合金为500～1500m/min，镍基、钴基、铁基和钛合金等超级合金为90～500m/min。高速加工追求的切削速度目标为：铣削加工：铝及其合金为10000m/min，铸铁为5000m/min，普通钢为2500m/min；钻削加工(机床主轴转速)：铝及其合金为30000r/min，铸铁为20000r/min，普通钢为10000r/min。大进给目标：进给速度Vf=20～50m/min，每齿进给量fz=1.0～1.5mm/z。 高速切削技术不只是切削速度的提高，它的发展主要取决于刀具技术(包括刀具材料、涂层刀具结构、刀柄和装夹系统、刃磨和动平衡、检测和监控系统等)和高速机床技术(包括电主轴、直线电机进给系统、数控与伺服系统、轴承及润滑、刀库等)的进步，而正确选用刀具与机床经常起着决定性作用。德国Darmstadt工业大学H.Schulz教授在“高速切削机床”一文中详尽介绍了选用高速机床时应注意的问题，给与会代表很大启发。 " R1 b# l. u* I4 D随着环境保护法律法规的严格实施，作为绿色制造工艺的干切削日益受到人们的高度重视。据国外企业统计，在集中冷却加工系统中，切削液占加工总成本的14%～16%，刀具成本仅占2%～4%。据测算，如果20%的切削加工采用干式加工，制造总成本可降低1.6%。因此，干切削是未来切削加工的发展方向。目前倡导的干切削并不是简单地去掉原有工艺中的切削液，也不是消极地通过降低切削参数来保证刀具使用寿命，而需要采用耐热性更好的新型刀具材料及涂层，设计合理的刀具结构与几何参数，选择最佳切削速度，形成新的工艺条件。干切削是实现清洁高效加工的新工艺，是制造技术向高速切削发展总趋势的组成部分，也是随着人类社会进步和生产力发展而出现的新型切削方式，它的推广应用推动着刀具材料、涂层技术、机床结构、加工条件和刀具结构技术的不断发展。目前，干切削技术在车削、镗削和铣削上的应用日益广泛，在钻削、拉削和滚齿方面也有重大突破。上海大众汽车有限公司、上海交通大学、哈尔滨理工大学、哈尔滨工业大学等单位在“干切削及其应用”等有关论文中详细介绍了干切削的机理和实施该工艺的途径，以及采用激光辅助加工干切削、使用最少量润滑液(MQL)的准干切削(Near Dry Cutting)、用压缩空气冷风切削以及采用氮气进行干切削等加工方法。 精密和超精密切削 7 I3 n; q: W. y5 N8 d3 ^# m; F发展尖端技术、国防工业和微电子工业都离不开通过精密和超精密加工制造的精密零件和产品。通常将加工精度在0.1～1μm，加工表面粗糙度在Ra0.02～0.1μm的加工称为精密加工；而将加工精度高于0.1μm，加工表面粗糙度小于Ra0.01μm的加工称为超精密加工。超精密加工可达到纳米(nm)级水平。该领域主要包含三个分支：①精密和超精密切削加工；②精密和超精密磨削加工；③精密电子束和离子束等特种加工。 用金刚石刀具实施超精密切削已由过去只能加工铜、铝及其合金等有色金属，扩展到加工塑料、陶瓷和复合材料。为了切除极薄切屑，要求金刚石刀具切削刃的刃口半径p极小，经精密研磨的单晶天然金刚石刀具的刃口半径p<0.05～0.1μm，研磨质量高的甚至可达几个nm，可实现纳米级切削。   {, f4 _  _! p3 d $ x8 i& l" S4 A. \  Q

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超精密切削技术是一项系统工程，其实施不仅需要超精密机床设备和刀具，还要求超稳定的工作环境、超精密测量、用计算机技术进行实时检测和误差补偿、以及掌握熟练的操作技能等。河北工业大学提出了“基于流体力学的超精密切削机理分析模型”，考虑了刀具几何形状(包括刀刃的刃口半径)及后刀面处工件弹性恢复的影响，研究了切削力的传递机理。北京天地东方超硬材料公司在“超精密金刚石刀具研磨技术的研究”论文中探讨了金刚石的晶体定向和晶面选择，并对影响研磨效率和研磨质量的几个主要工艺因素进行了试验研究。香港理工大学介绍了利用超精密测量技术及在加工中进行误差补偿而获得的具有亚微米级形状精度及纳米级表面粗糙度的非球面光学产品。该校拥有亚洲地区最先进的超精密加工中心，可为香港及大陆地区的精密模具制造商、光学产品制造商及计算机制造商提供加工服务及技术支持。黑色金属和钛合金材料的超精密切削难度较大，但近年来该技术也有较大进展。
2.刀具材料的发展
8 @4 ~. H$ f: i, y+ Z1 Y刀具材料的开发与应用是本次会议的重点议题。近十年来，随着高强度钢、高温合金、喷涂材料等难加工金属材料以及非金属材料与复合材料的应用日趋增多，现代刀具已不再局限于目前广泛使用的高速钢刀具和硬质合金刀具，陶瓷刀具、金刚石与立方氮化硼等超硬材料刀具、涂层刀具、复合材料刀具已成为今后的发展趋势，新型刀具材料的应用预示着切削效率将提高到一个新水平。
虽然目前可供使用的刀具材料品种较多，但由于高速钢(HSS)在强度、韧性、热硬性、工艺性等方面具有优良的综合性能，因此在切削某些难加工材料以及在复杂刀具(尤其是切齿刀具、拉刀和立铣刀等)制造中仍占有较大比重。由于HSS中的主要元素钨、钴等资源紧缺，所以HSS的发展方向为：①发展各种少钨的通用型高速钢；②扩大使用各种无钴、少钴的高性能高速钢，如W6Mo5Cr4V2Al(501)、W12Mo3Cr4VCo3N(Co3N)等钢种；③推广使用粉末冶金高速钢(PM HSS)和涂层高速钢。例如，用ERASTEEL公司生产的ASP2030 PM HSS钢加TiN涂层制造的插齿刀插削12Cr2Ni钢制齿轮时，刀具寿命比普通熔炼高速钢W6Mo5Cr4V2(M2)提高3～4倍。高速钢是铁磁性材料，具有较高的剩磁感应和较大的矫顽磁力，而正常的切削温度不超过650℃，因此高速钢刀具可进行磁化切削。浙江大学提交的“磁化切削研究”论文中，详细介绍了磁化原理与方法，分析比较了磁化切削与普通切削在切削力、切削功率、切削热、加工精度等方面的差别。结果表明，磁化切削可显著改善高速钢的切削性能，延长刀具使用寿命，提高加工质量。
硬质合金刀具材料的发展主要体现在两个方面：①细晶粒(1～0.5μm)和超细晶粒(<0.5μm)硬质合金材料及整体硬质合金刀具的开发，使硬质合金的抗弯强度大大提高，可替代高速钢用于制造小规格钻头、立铣刀、丝锥等量大面广的通用刀具，其切削速度和刀具寿命远超过高速钢。整体硬质合金刀具的使用可使原来采用高速钢刀具的大部分应用领域的切削效率显著提高。过去细晶粒多应用于K类(WC+Co)硬质合金，近年来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。为提高硬质合金的韧性，通常采取增加Co含量的方法，由此引起的硬度降低现在可通过细化晶粒得到补偿，并可使硬质合金的抗弯强度提高到4.3GPa，已达到并超过了普通HSS钢的抗弯强度，从而改变了过去普遍认为P类硬质合金适于切削钢，而K类硬质合金只适于加工铸铁和铝等有色金属的刀具选材格局。细晶粒硬质合金的另一优点是刀具刃口锋利，尤其适于高速切削粘而韧的材料。②涂层技术的发展从过去只能涂覆单一的TiC、TiN涂层，已进入开发厚膜、复合和多元涂层的新阶段。新开发的TiCN、TiAlN多元、超薄、超多层涂层与TiC、TiN、Al2O3等涂层的复合，加上新型抗塑性变形基体的应用，在改善涂层韧性、涂层与基体结合强度、涂层耐磨性方面已有重大进展，全面提高了硬质合金刀具材料的切削性能。目前，在硬质合金可转位刀片表面涂覆金刚石的技术已获得突破，从而使硬质合金刀具不仅在加工黑色金属领域而且在加工有色金属领域的切削效率全面提高。
此外，陶瓷、金刚石和立方氮化硼等超硬刀具材料也得到了迅速发展，其脆性有了重大改进，韧性明显提高，使用可靠性大大改善，已可作为常规刀具材料应用于实际生产。作者及北京理工大学提交的“超硬刀具材料的新进展”等论文，阐述了超硬刀具材料的发展、性能及应用场合，重点介绍了近年来出现的几种超硬刀具材料新品种及其实验研究数据，对超硬刀具的推广应用具有现实意义。
近年来，我国在刀具材料开发方面已有长足进步，开发出了包括CVD金刚石薄膜在内的涂层刀具和厚膜金刚石刀片、Ti(C，N)基硬质合金(金属陶瓷)、梯度结构硬质合金、Al2O3基复合陶瓷和Si3N4基陶瓷、聚晶人造金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)和超细晶粒硬质合金等各种新型刀具材料，并可实际应用于高速切削和干切削等加工场合。武汉大学研制出一种C3N4/TiN薄膜，膜的硬度接近超硬材料，将其涂覆在高速钢钻头上可使钻头寿命大大提高。一些国产的SiC晶须增强陶瓷刀片和复合氮化硅陶瓷刀片的性能已超过国外同类刀片的性能。如获国家发明二等奖的新型复合氮化硅刀片FD02和FD03，切削对比试验表明其切削寿命为Al2O3-TiC(AT6)复合陶瓷刀具的6.38倍，为进口Al2O3-ZrO2增强陶瓷刀具的8.2倍，为K10(YG6)硬质合金刀具的78.3倍。
3.新型刀具的开发与传统刀具的改进
当前刀具结构的变革正朝着可转位、多功能、专用复合刀具和模块式工具系统的方向发展，各种精密、高效、优质的可转位刀具已应用于车削、铣削、钻削等领域，成为刀具结构发展的主流。上海大众汽车有限公司、长春一汽集团公司和东风汽车集团公司已在生产中广泛使用各种新型刀具和数控机床模块式工具系统，如各种机夹可转位刀具、陶瓷刀具、PCD和PCBN等超硬刀具、金刚石和CBN铰刀、硬质合金球头铣刀和筒式拉刀等，对提高工效、保证产品质量起到了重要作用。SecoTools(上海)公司在“PCBN刀具材料的新进展及其在铣削中的应用”论文中介绍了他们开发的SECOMAX 新品种———CBN300，它是在CBN30基础上采用粗颗粒(22μm)粉末和新的烧结工艺研制出的新牌号，具有很高的抗冲击性能，它的应用使PCBN刀具从传统的车削淬硬钢(>45HRC)和冷硬铸铁等硬材料、以车代磨等加工领域跨入到铣削加工领域。该刀具已在上海通用汽车公司(SGM)新建的发动机柔性生产线上使用，取得了良好效果。该刀具铣削发动机缸体平面时，切削速度高达2000m/min，刀具寿命为普通PCBN刀具的4倍。Seco Tools公司还推出了结构新颖、具有冷却通道、可更换硬质合金头部的钻头，其头部有三种不同几何形状，P型硬质合金刀头适用于切削钢，K型硬质合金刀头适于切削铸铁，而刀刃锐利的M型刀头适于钻削高强度钢和耐腐蚀钢。

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CAD/CAM技术的应用可保证刀具设计和制造的高效率和高质量，本次会议上也有不少这方面的论文。例如，焦作工学院在AutoCAD2000平台上开发了一种“成形车刀CAD”软件，对成形车刀的智能设计、参数化绘图具有重要意义。

7 u; T- `% m" F" n  u! X+ V   对传统刀具和高效刀具的设计、制造及使用。广东韶关学院设计的径向错位量较大(为每转进给量的2～3倍)的单组阶梯式可转位面铣刀、燕山大学研制的可加工硬度55HRC以上大内齿轮(模数m=12mm，齿数z=97)的负前角刮削硬质合金球形滚刀、西安交通大学设计的前角可控的等螺旋角锥形立铣刀、山西太原理工大学设计的齿向开槽的新型插齿刀等，在结构上都有一定特点与创新，用于生产中均取得了较好效果。
   电镀金刚石铰刀加工出的孔具有尺寸分散度小、几何形状精度高(可达2μm)、表面粗糙度值小(5 切削机理的研究与刀具CAD
! j- ~/ b3 O+ @7 X) }# \  Z' i南京航空航天大学对高温合金、钛合金、不锈钢等难加工材料的高速切削进行了系统试验研究，发现切削变形为集中剪切滑移，且滑移区很窄，形成锯齿状不连续切屑，其变形机理完全不同于连续性切屑。为此，作者根据最小能量原理，利用集中剪切滑移的临界条件，推导出集中剪切滑移条件下的切削方程式，为进一步发展高速切削工艺技术建立了理论基础。
   山东大学探讨了高速切削时工件材料与刀具材料的匹配、切削方式、刀具几何参数、切削参数、振动和切削液等因素对已加工表面粗糙度的影响，为高速切削加工时切削参数的选择和表面质量的控制提供了依据。
: n5 c: Q5 d8 k! ]+ A4 v    哈尔滨理工大学、哈尔滨工业大学等对PCBN刀具干切削不同硬度的GCr15轴承钢的切削力、切削温度、已加工表面完整性等进行了切削试验研究，发现存在区 分普通切削与硬态切削的临界硬度，并得出GCr15轴承钢的临界硬度为50HRC。在临界硬度附近进行切削时，刀具磨损严重，加工表面质量最差。
) j0 M3 q$ M! G" ~' B& M2 A* ^) y上海水产大学建立了“工程材料切削加工性的人工神经网络综合评判模型”，各评价指标的权值是从足够多的训练样本中提出的，避免了人为确定权值和隶属函数的主观性，使评价结果更具客观性和可比性。
    大连理工大学建立了球头铣刀铣削的计算机预报模型，并进行了数值仿真研究，对改进铣刀设计、优化切削用量和监控切削参数均有现实意义。
Jr.S.Prakash等学者在会上介绍的“微型硬质合金铣刀切削时刀具寿命的预报模型”，J.Wang等人介绍的“斜角切削时允许后刀面磨损的切削预报模型”等均与实验结果相吻合，为精密切削和微量切削提供了理论依据。
4.差距与建议
    虽然近十年来我国工具工业有了长足进步，切削技术迅速提高，但与国外先进水平相比仍有巨大差距。据专家分析，我国切削加工及刀具技术的水平与工业发达国家相比大致要落后15～20年。近年来国内轿车工业引进了几条具有国际20世纪90年代水平的生产线，但所用工具的国内供给率只能达到20%的低水平。为改变这种状况，我国工具行业需要加速进口刀具国产化的步伐，必须更新经营理念，从主要向用户“卖刀具”转到为用户“提供成套切削技术，解决具体加工问题”的经营方向上来。要根据自身产品的专业优势，精通相应的切削工艺，不断创新开发新产品。用户行业则应增大刀具费用的投入，充分利用刀具在提高效率、降低成本、缩短Intranet/Extranet，实现最大程度的资源(如切削数据库)共享。建议有关部门将产、学、研各部门的科研力量组织起来，集中优势，一方面积极引进国外先进刀具制造技术，提高刀具产品水平，加快刀具产品(尤其是数控刀具产品)的国产化步伐；另一方面应结合生产实际，系统地推广使用各种先进刀具和先进切削技术。我们相信，通过正确的政策引导和企业的有序竞争，完全有可能使我国的切削加工与刀具技术赶上国外先进水平，并做到有所发展与创新。