高速數控切削加工中的刀具研究

黃曉波

摘要：高速數控切削加工已成為機械制造的主流發展方向。高速切削時，隨著切削速度的提高，切削力逐漸減小，切削溫升逐漸趨緩，加工表面質量提高，加工成本降低。為實現切削加工的高速化，必須研究及開發與高速切削相適應的刀具材料、刀具結構及刀具監控技術。

關鍵詞：高速切削；刀具；數控加工

中圖分類號：TG659文獻標識碼：A文章編號：1006-8937（2011）22-0096-01

高速切削刀具是實現高速數控加工技術的關鍵。刀具技術是實現高速數控切削加工的關鍵技術之一，不合適的刀具會使復雜、昂貴的機床或加工系統完全不起作用。由于高速切削的切削速度快，而高速加工線速度主要受刀具限制，因為在目前機床所能達到的高速范圍內，速度越高，刀具的磨損越快。因此，高速切削對刀具材料提出了更高的要求，除了具備普通刀具材料的一些基本性能之外，還應突出要求高速切削刀具具備高的耐熱性、抗熱沖擊性、良好的高溫力學性能及高的可靠性。目前常用的高速切削刀具材料有：聚晶金剛石（PCD）、立方氮化硼（CBN）、陶瓷、涂層刀具、超細晶粒硬質合金等刀具材料。

1高速切削刀具材料

金剛石刀具材料。金剛石刀具具有硬度高、抗壓強度高、導熱性及耐磨性好等特性，可在高速切削中獲得很高的加工精度和加工效率。金剛石刀具分為天然金剛石和人造金剛石刀具。天然金剛石價格昂貴，加工焊接非常困難，除少數特殊用途外，很少作為切削工具。近年來開發了多種化學機理研磨金剛石刀具的方法和保護氣釬焊金剛石技術，使天然金剛石刀具的制造過程變得比較簡單，因此在超精密鏡面切削的高技術應用領域，天然金剛石起到了重要作用。

立方氮化硼刀具材料。立方氮化硼（CBN）是硬度僅次于金剛石的超硬材料。雖然CBN的硬度低于金剛石，但其氧化溫度高達1360℃，且與鐵磁類材料具有較低的親和性。因此特別適合加工高硬度、高韌性的難加工金屬材料。PCBN刀具是能夠滿足先進切削要求的主要刀具材料，是用于硬態切削、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鋼、鑄鐵、高溫合金以及表面噴涂材料等。國外的汽車制造業大量使用PCBN刀具切削鑄鐵材料。

陶瓷刀具。與硬質合金相比，陶瓷材料具有更高的硬度、紅硬性和耐磨性。因此，加工鋼材時，陶瓷刀具的耐用度為硬質合金刀具的10～20倍，其紅硬性比硬質合金高2～6倍，且化學穩定性、抗氧化能力等均優于硬質合金。陶瓷刀具材料的強度低、韌性差，制約了它的應用推廣，而超微粉技術的發展和納米復合材料的研究為其發展增添了新的活力。陶瓷刀具是最有發展潛力的高速切削刀具，目前已引起世界各國的重視。在德國約70%加工鑄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總量的8%～l0%。

涂層刀具。涂層材料的發展，已由最初的單涂層，經歷了復合涂層和多元復合涂層的發展階段，現在最新發展了TiN/NbN、TiN/CN等多元復合薄膜材料，使刀具涂層的性能有了很大提高。硬質涂層材料中，工藝最成熟、應用最廣泛的是TiN。

硬質合金刀具材料。 細晶粒（1～0.5μm）和超細晶粒（<0.5μm）硬質合金材料及整體硬質合金刀具的開發，使硬質合金的抗彎強度大大提高，可替代高速鋼用于制造小規格鉆頭、立銑刀、絲錐等量大面廣的通用刀具，其切削速度和刀具壽命遠超過高速鋼。整體硬質合金刀具的使用可使原來采用高速鋼刀具的大部分應用領域的切削效率顯著提高。細晶粒硬質合金的另一優點是刀具刃口鋒利，尤其適于高速切削粘而韌的材料。

2高速切削旋轉刀具的刀柄系統

在高速切削中，刀體結構和刀片夾緊結構都受到很大的離心力作用為使刀具保持足夠的夾持力，刀具在結構設計上應充分考慮高速切削加工的特殊性，刀體材料重量要輕，要考慮刀具的動平衡性，刀具/刀片的夾緊應可靠。加工中心等NC 機床多年來一直采用7:24 實心錐柄工具系統，這種實心錐柄具有以下缺點：由于只靠錐面結合，刀柄與主軸的聯接剛性較低，尤其當主軸轉速超過10 000 r/min 時，聯接剛性的不足更為明顯；當采用ATC（ Automatic Tool Changing，自動換刀）方式安裝刀具時，重復定位精度較低，難以實現高精度加工；當主軸高速回轉時，主軸前端在離心力作用下會發生膨脹，易導致主軸與刀柄錐面脫離，使徑向跳動急劇增大（可達15 ?滋m），從而降低刀柄接觸剛度，且易發生安全事故。因此，傳統的長錐刀柄不適宜用于高速切削加工。為解決這一問題，開發了采用錐部和主軸端面同時定位的雙定位式刀柄（如德國的HSK空心刀柄、美國KM系列刀柄等）。此類刀柄通過錐部定心，并使機床主軸端面緊貼刀柄凸緣端面。這種刀柄安裝時重復定位精度較高（軸向重復定位精度可達0.001 mm），在高速轉動產生的離心力作用下，刀柄會牢固鎖緊，其徑向跳動不超過5 ?滋m，在整個轉速范圍內可保持較高的靜態和動態剛性。因此，此類刀柄特別適合高速切削加工。

3高速切削刀具監測技術

刀具監測技術對于高速切削加工的安全性十分重要。刀具監測技術主要包括通過監測切削力以控制刀具磨損；通過監測機床功率以間接獲得刀具磨損信息；監測刀具斷裂（破損）等。目前國內外對高速切削刀具監測技術的研究及開發應用還不夠充分。由于聲發射信號對刀具載荷比較敏感，因此MyeonyChang Kang等利用聲發射對高速切削中的刀具狀況和刀具磨損進行監測，并取得了較好的效果。另外Jean-Ha Kim等利用數碼照相機和專用夾具進行高速切削刀具磨損的研究。

4結語

隨著先進制造技術及材料技術和納米技術的發展，新的多元、復合、納米級的硬質涂層及CVD金剛石薄膜等功能材料、超硬刀具材料、陶瓷刀具、涂層刀具等將得到廣泛應用，高速切削刀具系統將日趨完善，成為推動高速數控切削加工的重要組成部分。

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