機(jī)械制造過程中金屬切削刀具的應(yīng)用

黃春蓮

（長(zhǎng)沙職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

金屬切削刀具是機(jī)械制造過程中必不可少的一類輔助設(shè)備，憑借刀具和工件的相互作用力來切除原材料上的多余金屬，將原材料切削加工為特定造型和尺寸的工件，金屬切削刀具應(yīng)用的合理與否，直接影響到工件加工精度與機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量，其重要性不言而喻。現(xiàn)階段，我國(guó)機(jī)械制造行業(yè)正處于轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)期，對(duì)金屬切削刀具的應(yīng)用效果進(jìn)行改進(jìn)，是進(jìn)一步提高工件加工精度和生產(chǎn)效率的必由之路，本文就此開展研究。

1 金屬切削刀具在機(jī)械制造過程中的應(yīng)用價(jià)值

1.1 提高機(jī)械加工水平

從國(guó)內(nèi)外機(jī)械制造行業(yè)的發(fā)展歷程來看，金屬切削刀具的應(yīng)用與創(chuàng)新，顯著推動(dòng)了整個(gè)行業(yè)的發(fā)展進(jìn)程，使得機(jī)械制造行業(yè)邁向了全新發(fā)展階段，行業(yè)發(fā)展與刀具應(yīng)用保持著極為緊密的內(nèi)在聯(lián)系。例如，在金剛石刀具的基礎(chǔ)上研發(fā)出了SPDT單點(diǎn)金剛石切削技術(shù)，選用納米單晶金剛石刀具作為切削刀具，把工件形狀精度以及表面粗糙度提升到納米級(jí)精度水準(zhǔn)，可使用這類刀具加工非球面大型零件、激光核聚變反射鏡等精密機(jī)械及光學(xué)部件，極大地提升了機(jī)械加工水平。

1.2 提高機(jī)械制造效率

在早期機(jī)械制造生產(chǎn)活動(dòng)中，由于受到工藝技術(shù)與工具的限制，普遍由通用機(jī)床采取鉆、磨等方法來初步加工零件，再由鉗工對(duì)零件開展修配作業(yè)，把大量造型簡(jiǎn)單的工件組裝形成機(jī)械設(shè)備整機(jī)或是單獨(dú)機(jī)構(gòu)，實(shí)際生產(chǎn)效率較低。而如果使用金屬切削刀具，就可以直接采取切削加工的方式，切除零件上的多余部分，在短時(shí)間內(nèi)加工成特定造型尺寸的工件，以此來簡(jiǎn)化鉗工修配等生產(chǎn)步驟。同時(shí)，得益于金屬切削刀具的更新迭代，使用快速切削刀具和精密切削刀具進(jìn)一步縮短了機(jī)械制造周期，可以一次性加工獲得造型輪廓復(fù)雜的工件。例如在生產(chǎn)航空部件時(shí)，可以借助金屬切削刀具直接把零件加工為鋁合金薄壁構(gòu)件，無需分別加工若干工件后再進(jìn)行鉚接組裝，對(duì)機(jī)械制造效率的提升有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1.3 適應(yīng)復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)境

在機(jī)械制造過程中，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境較為惡劣，所使用的加工刀具往往會(huì)受到相互作用力、高溫條件、腐蝕性流體侵蝕和高壓條件等諸多因素影響，時(shí)常出現(xiàn)刀具變形破裂等質(zhì)量問題，對(duì)機(jī)械制造的質(zhì)量、生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本造成顯著影響。例如，從生產(chǎn)效率的角度來看，如果加工刀具頻繁損壞，不但需要占用一定時(shí)間來更換全新刀具，還有可能引發(fā)工件破損、機(jī)床損壞等連鎖問題，干擾正常加工秩序，導(dǎo)致需要重新加工零件。而隨著新型金屬切削刀具的推出以及CVD化學(xué)氣相沉積和超硬涂層等刀具涂層技術(shù)的發(fā)展，極大地延長(zhǎng)了金屬切削刀具的實(shí)際使用壽命，使得刀具可以在復(fù)雜條件下長(zhǎng)時(shí)間維持穩(wěn)定結(jié)構(gòu)狀況和良好工況，不僅提高了加工質(zhì)量與生產(chǎn)效率，還減少了實(shí)際生產(chǎn)成本[1]。

2 機(jī)械制造過程中的金屬切削刀具應(yīng)用策略

2.1 合理選用刀具材質(zhì)

早期金屬切削刀具的材質(zhì)較為單一，以高碳工具鋼為主，在實(shí)際加工期間暴露出切削速度低、刀具頻繁斷裂、老化磨損速度過快等多項(xiàng)問題，一般情況下的切削速度不足5 m/min。為滿足機(jī)械制造需要，近年來市場(chǎng)上陸續(xù)推出硬質(zhì)合金、高速工具鋼、超硬刀具等多種材質(zhì)的金屬切削刀具，不同材質(zhì)刀具的實(shí)際表現(xiàn)和適用場(chǎng)景存在明顯差異，需要結(jié)合機(jī)械制造生產(chǎn)的需要來選擇恰當(dāng)材質(zhì)的金屬切削刀具，具體如下。

1）高速工具鋼。對(duì)高熱條件下的刀具硬度有著嚴(yán)格要求，或是對(duì)刀具形狀有著特殊要求時(shí)，優(yōu)先選用高速工具鋼材質(zhì)的金屬切削刀具。由釩、鎢、鉻、鈷等材料制成的高彈高合金萊氏體鋼，能夠在500℃～600 ℃的高溫條件下保持60 HRC及以上的硬度，預(yù)先進(jìn)行熱處理時(shí)的硬度超過63 HRC，這類材質(zhì)的刀具還有著十分優(yōu)異的可塑性與韌性，多用作麻花鉆、鉸刀、精車刀等的刀具。

2）硬質(zhì)合金。對(duì)刀具使用壽命與硬度有著嚴(yán)格要求時(shí)，推薦使用硬質(zhì)合金材質(zhì)的金屬切削刀具，這種刀具由硬質(zhì)碳化物添加適量金屬結(jié)合劑制成，在常溫下可保持69 HRC～81 HRC的硬度，在1 000℃左右的高溫條件下仍可保持60 HRC左右的硬度，且使用壽命較長(zhǎng)，在機(jī)械制造期間無需頻繁更換切削刀具[2]。

3）超硬刀具。在切削硬脆材料，并要求工件加工精度保持在1 μm的水準(zhǔn)時(shí)，則選用超硬材質(zhì)的金屬切削刀具，這種刀具由金剛石和立方氮化硼材料制成，并在刀具表面涂抹一層基體薄膜，多用于完成球面、平面反射鏡等表面高度光潔的工件。同時(shí)，由于超硬材質(zhì)切削刀具的韌性較差，在選用這類刀具時(shí)，必須準(zhǔn)確地計(jì)算其在機(jī)械制造過程中實(shí)際承受的沖擊力，并據(jù)此調(diào)整切削進(jìn)給量、切削速度等工藝參數(shù)，避免出現(xiàn)刀具斷裂等問題。

2.2 合理選用刀具種類

在我國(guó)機(jī)械制造行業(yè)發(fā)展歷程中，為滿足不同場(chǎng)景下的生產(chǎn)需要，制造企業(yè)持續(xù)開展金屬切削刀具的研發(fā)工作，逐漸形成了多種類的刀具體系，常用種類包括低溫切削刀具、快速切削刀具、干式切削刀具三種，各類刀具的加工方法和適用條件皆有所不同，具體如下。

1）低溫切削刀具。搭配應(yīng)用冷切削工藝和低溫切削刀具，提前把工件放置在低溫環(huán)境中冷卻一段時(shí)間，待工件溫度達(dá)標(biāo)后，在低溫狀態(tài)下控制刀具開展切削作業(yè)，憑借刀具自身導(dǎo)熱性能來吸收切削過程中釋放的絕大多數(shù)熱量，以此來維持切削點(diǎn)溫度，保持刀具表面鋒利狀態(tài)。對(duì)這類刀具的應(yīng)用，既可以通過控制溫度來維持較高的加工精度水準(zhǔn)，同時(shí)，還可以完全取消切削液，從而降低機(jī)械制造成本，實(shí)現(xiàn)機(jī)械綠色制造目標(biāo)。但這種刀具對(duì)切削速度有著嚴(yán)格要求，如果切削速度過快，會(huì)在刀具與工件表面接觸時(shí)釋放過多熱量，無法維持低溫狀態(tài)[3]。

2）快速切削刀具。選用PCD金剛石、陶瓷、CBN立方氮化硼等材質(zhì)制成的切削刀具，這類刀具的硬度相對(duì)較高，可以在高速切削狀態(tài)下保證不出現(xiàn)震動(dòng)現(xiàn)象，在極短的時(shí)間內(nèi)完成工件加工任務(wù)，相比于傳統(tǒng)的切削加工方式而言，可以延長(zhǎng)切削刀具70%的壽命，提高30%～40%不等的單位功率金屬切除率并降低30%的切削力。但與此同時(shí)，在使用快速切削刀具時(shí)，刀尖的磨損速度遠(yuǎn)超過其他部位，在長(zhǎng)時(shí)間切削后易出現(xiàn)刀尖變薄現(xiàn)象，因而需要對(duì)刀尖采取額外的保護(hù)措施。

3）干式切削刀具。這類刀具是憑借刀具和加工零件二者在接觸過程中的摩擦生熱來提高溫度，在高溫條件下開展切削工作，僅需使用少量切削液或完全不使用切削液，即可順利完成加工任務(wù)。要求選用具備良好耐熱性與高強(qiáng)度的切削刀具，避免因前后傾斜度差值過大而在加工期間出現(xiàn)嚴(yán)重磨損或刀具斷裂的現(xiàn)象。與此同時(shí)，在應(yīng)用此類刀具時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注溫度控制和摩擦系數(shù)控制兩項(xiàng)問題。其一，對(duì)于切削溫度，要根據(jù)零件加工要求與所選刀具的硬度來計(jì)算最佳的溫度值，調(diào)節(jié)切削速度等工藝參數(shù)來控制實(shí)時(shí)溫度，確保加工溫度在刀具強(qiáng)度的可承受范圍內(nèi)。其二，對(duì)于摩擦系數(shù)，可以在機(jī)床上安裝微量潤(rùn)滑系統(tǒng)，當(dāng)?shù)毒咔邢髁慵r(shí)，啟動(dòng)噴油裝置向切削點(diǎn)、刀具刀尖等部位噴涂微量潤(rùn)滑油，由潤(rùn)滑油取代切削液起到潤(rùn)滑作用[4]。

2.3 制備刀具涂層

刀具涂層屬于一類表面改性技術(shù)，在金屬切削刀具表面施加特定種類基體的涂層，由上部涂層和下部刀具共同組成全新結(jié)構(gòu)體系，起到改善切削效果、強(qiáng)化刀具綜合機(jī)械性能的作用[5]。目前來看，在機(jī)械制造過程中，常用的刀具涂層技術(shù)分為CVD化學(xué)氣相沉積法和PVD物理氣相沉積法兩種。CVD法是在切削刀具表面涂刷TiN或TiC的單一涂層，或是涂刷TiCN等多元復(fù)合涂層，將涂層厚度控制在8 μm左右，起到預(yù)防刀具崩刃、阻止裂紋擴(kuò)散、提高顯微硬度等作用。而PVD法是采取氣體放電手段來強(qiáng)制分離氣體離子，控制氣體離子來轟擊刀具，在刀具基底上沉積反應(yīng)物形成膜層，主要起到減少刀具磨損量的作用。相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果顯示，在切削深度為1 mm，走刀速度為180 m/min，進(jìn)給量為0.2 mm，持續(xù)切削時(shí)間為5 min，工件材料為ST13的情況下，無涂層刀具的切削磨損量為0.29 mm，CVD涂層刀具磨損量為0.13 mm，PVD涂層刀具磨損量為0.08 mm，涂層的抗磨損效果十分顯著。此外，還可以在金屬切削刀具的預(yù)處理環(huán)節(jié)應(yīng)用到新推出的超硬涂層技術(shù)，使用金屬氮化物與硼化物等物質(zhì)制備涂層材料，采取電子回旋共振等方法在刀具表面沉積形成金剛石薄膜。這類涂膜有著極高的強(qiáng)度、硬度與優(yōu)異的熱化學(xué)穩(wěn)定性，可以將金屬切削刀具的實(shí)際使用壽命延長(zhǎng)到原來的1.5～3倍，例如理想狀態(tài)下的薄膜顯微硬度可以達(dá)到61.8 GPa[6]。

2.4 金屬切削刀具優(yōu)化設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的金屬切削刀具的造型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，普遍選用整體式結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)毒咔邢鞑课怀霈F(xiàn)鈍化、缺口、變形等質(zhì)量缺陷時(shí)，會(huì)對(duì)工件加工精度造成明顯影響，使得刀具無法繼續(xù)開展精密加工作業(yè)，導(dǎo)致刀具報(bào)廢，實(shí)際使用壽命遠(yuǎn)低于預(yù)期。同時(shí)，早期切削刀具的剛度、通氣、散熱、耐磨等多方面性能都有所不足，在長(zhǎng)時(shí)間切削零件時(shí)，暴露出存在多項(xiàng)問題有待解決。對(duì)此，在確定切削刀具的材質(zhì)與種類后，制造企業(yè)還應(yīng)對(duì)刀具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

例如，從結(jié)構(gòu)形式的角度來看，可以選用轉(zhuǎn)位式、焊接式以及機(jī)夾式等類型的刀具結(jié)構(gòu)。在需要滿足多種零件加工要求時(shí)選用焊接式刀具結(jié)構(gòu)，在同步采取鏜孔與切削工藝時(shí)選用機(jī)夾式刀具結(jié)構(gòu)，在對(duì)斷屑穩(wěn)定性有著嚴(yán)格要求時(shí)選用可轉(zhuǎn)位式刀具結(jié)構(gòu)。同時(shí)，還可以對(duì)刀具的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，例如在刀具中心部位預(yù)留適當(dāng)尺寸的孔洞來改善其散熱通氣性能[7]。

而從參數(shù)優(yōu)化的角度來看，工作人員應(yīng)使用仿真軟件，構(gòu)建切削模型，開展不同假定條件和不同結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)的仿真模擬試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來計(jì)算切削刃鈍圓半徑、切削刃寬度、前角、后角等參數(shù)的最佳值，從而將零件切削加工過程中的切削溫度應(yīng)力情況、切削區(qū)形狀、工件表面應(yīng)力控制在合理范圍內(nèi)。

2.5 使用切削液

在機(jī)械制造過程中，在刀具切削零件時(shí)向切削表面噴涂適量的切削液，切削液將同時(shí)起到潤(rùn)滑、清洗、冷卻、防銹等多重作用，有利于延長(zhǎng)刀具使用壽命和提高工件加工質(zhì)量。以清洗作用為例，切削液可以沖洗掉刀具表面與零件表面因切削形成的切屑、鐵粉、砂礫以及磨屑，讓切削刀口始終保持鋒利狀態(tài)，并在使用水基切削液時(shí)于工件表面形成一層吸附膜，在膜體上吸附粒子、油泥等雜質(zhì)，讓這類雜質(zhì)隨著切削液一并流下。此外，需要根據(jù)切削工藝參數(shù)、刀具類型與零件加工要求來選用恰當(dāng)品種的切削液。例如，在切削速度超過60 m/min的情況下，不得使用含極壓添加劑的油基切削液，因?yàn)檫@類切削液的傳熱冷卻效果較差，在高速切削加工狀態(tài)下，無法快速吸收切削摩擦所釋放的熱量，導(dǎo)致切削部位溫度持續(xù)升高而出現(xiàn)工件熱變形等問題，這種情況下，可選用水基切削液[8]。

2.6 測(cè)定修正切削參數(shù)

在零件切削加工過程中，受到工件與刀具自身剛性、刀具角度、刀具磨損、溫度應(yīng)力等因素影響，會(huì)產(chǎn)生一定的加工誤差，具體表現(xiàn)為端面平整度超差、圓柱度超差等問題。這不但會(huì)降低工件加工質(zhì)量，還會(huì)加快金屬切削刀具的老化磨損速度，甚至有可能出現(xiàn)刀具斷裂等故障[9]。對(duì)此，需要建立自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，在金屬切削刀具周邊擺放若干種類的探測(cè)器，持續(xù)對(duì)切削幾何角度、刀柄位置、切削深度、工具運(yùn)動(dòng)軌跡與工具實(shí)時(shí)坐標(biāo)值等工藝參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)比檢測(cè)值與額定值，如果檢測(cè)值超出或臨近額定值，則在系統(tǒng)界面上進(jìn)行提示，并由控制系統(tǒng)下達(dá)糾偏指令，對(duì)偏離工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。以刀具刀柄位置為例，在工件切削加工過程中，應(yīng)該始終將刀具刀柄軸線與運(yùn)動(dòng)方向保持為垂直狀態(tài)或平行狀態(tài)。此外，為取得理想的切削加工效果，在開展加工作業(yè)前，工作人員還應(yīng)綜合分析工件造型尺寸、零件材質(zhì)、刀具材質(zhì)種類、涂層性能等多方面因素，必要時(shí)開展仿真模擬試驗(yàn)，確定主偏角、前角、切削深度等工藝參數(shù)的最佳值。唯有如此，才能在后續(xù)切削加工期間把各項(xiàng)參數(shù)控制在合理范圍內(nèi)。例如，對(duì)于刀具前角，一般情況下設(shè)定為20°，這樣可以將前角摩擦力控制在合理范圍內(nèi)，并改善切削效果[10]。

3 結(jié)語

綜上所述，隨著金屬切削刀具性能的不斷提升，其在機(jī)械制造過程中發(fā)揮著愈發(fā)重要的作用，充分滿足了機(jī)械制造加工的各項(xiàng)需求。制造企業(yè)理應(yīng)提高對(duì)金屬切削刀具的重視程度，肯定切削刀具的應(yīng)用價(jià)值，合理選用刀具材質(zhì)與種類，制備刀具涂層，進(jìn)行刀具優(yōu)化設(shè)計(jì)，使用切削液，測(cè)定修正切削參數(shù)，圍繞金屬切削刀具來構(gòu)建一套完善的機(jī)械制造切削加工體系。