高速切削刀具的發(fā)展現(xiàn)狀

發(fā)布日期：2012-08-29    蘭生客服中心    瀏覽：2735


1 引言


在機械加工中，切削、磨削加工目前仍是零件最終形成的主要工藝手段。切削加工的主要發(fā)展方向之一是高速切削(包括高速軟切削、高速硬切削、高速干切削、大進給量切削等)。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(zhì)量提高，加工成本降低。為實現(xiàn)切削加工的高速化，必須研究及開發(fā)與高速切削相適應的刀具材料、刀具結構及刀具監(jiān)控技術。




























表1 刀具材料的發(fā)展進程
材料類型 各種刀具材料系列 發(fā)展年代
工具鋼 碳素工具鋼
合金工具鋼		 1850
高速鋼 通用高速鋼
高性能高速鋼
低合金高速鋼
粉末冶金高速鋼
涂層高速鋼		 1928～1978
1954
1970～1980
1977
硬質(zhì)合金 普通硬質(zhì)合金
超微粒硬質(zhì)合金
涂層硬質(zhì)合金
TiC基硬質(zhì)合金(金屬陶瓷)		 1923～1969
1967～1970
1959～1978
1965～1974
陶瓷 氧化鋁基陶瓷
碳化硅基陶瓷		 1938～1955
1981
超硬刀具材料 天然金剛石
聚晶金剛石
立方氮化硼
1955～1974
1957～1974

2 高速切削刀具材料的發(fā)展現(xiàn)狀


從十九世紀中期迄今，刀具材料的發(fā)展進程如表1所示。刀具材料的進步是切削加工技術進步的決定性因素之一。對于高速切削加工，刀具材料更具有舉足輕重的影響。當切削速度提高時，工具鋼材料的刀尖往往會因無法承受切削高溫而發(fā)生燒蝕或急劇磨損。另一種主要刀具材料硬質(zhì)合金的主要成分為WC或TiC等硬質(zhì)碳化物，但由于采用鐵系金屬作為結合劑，因此通常也難以承受高速切削產(chǎn)生的高溫。超硬材料金剛石在700 ℃ 左右會發(fā)生氧化，但用于加工有色金屬時，由于切削溫度不是太高，尚可實現(xiàn)較高速度的切削。近三、四十年來刀具材料所取得的突破使高速切削中出現(xiàn)的問題得到了較好解決。一些新型刀具材料(如氧化物、碳化物、氮化物陶瓷刀具和CBN等)具有良好的耐熱性；晶須增韌陶瓷刀具和涂層技術的應用大大提高了刀具硬度，并使刀具兼有高硬度的刃部和高韌性的基體；用聚晶方法得到的聚晶立方氮化硼(PCBN)刀片的硬度高達3500～4500HV，己成為高速切削淬硬鋼的首選刀具；同樣用聚晶方法得到的聚晶金剛石(PCD)刀片的硬度可達6000～1000OHV，用PCD材料制作的車刀、銑刀、鉆頭等可對有色金屬進行高速切削，有時也應用于黑色金屬的切削加工。
目前適用于高速切削的刀具主要有涂層刀具、金屬陶瓷(TiCN 基硬質(zhì)合金)刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼(CBN)、聚晶金剛石(PCD)刀具等。

  1. 國外高速切削刀具材料發(fā)展現(xiàn)狀

    1. 涂層刀具材料
      涂層刀具是通過在刀具基體上涂覆金屬化合物薄膜，以獲得遠高于基體的表面硬度和優(yōu)良的切削性能。常用的刀具基體材料主要有高速鋼、硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷等；涂層既可以是單涂層、雙涂層或多涂層，也可以是由幾種涂層材料復合而成的復合涂層。硬涂層刀具的涂層材料主要有氮化鈦(TiN)、碳氮化鈦(TiCN)、氮化鋁鈦(TiAlN)、碳氮化鋁鈦(TiAlCN)等，其中TiAlN在高速切削中性能優(yōu)異，其最高工作溫度可達800 ℃ 。近年來相繼開發(fā)的一些新型PVD 硬涂層材料，如CBN、氮化碳(CNx)、Al2O3 、氮化物(TiN/NbN，TiN/VN)等，在高溫下具有良好的熱穩(wěn)定性，十分適合用于高速切削。金剛石膜涂層刀具主要適用于加工有色金屬。軟涂層刀具(如采用硫族化合物MoS2、WS2作為涂層材料的高速鋼刀具)主要用于加工高強度鋁合金、鈦合金或貴重金屬材料。此外，最新開發(fā)的納米涂層刀具材料在高速切削中也具有廣闊的應用前景，如日本住友公司已開發(fā)出納米TiN/AIN 復合涂層銑刀片，涂層共達2000層，每層涂層厚度為2.5nm。

    2. 金屬陶瓷刀具材料
      金屬陶瓷具有較高的室溫硬度、高溫硬度及良好的耐磨性。金屬陶瓷材料主要包括高耐磨性TiC基硬質(zhì)合金(TiC+Ni或Mo)、高韌性TiC基硬質(zhì)合金(TiC+TaC+WC)、強韌TiN基硬質(zhì)合金(以TiN 為主體)、高強韌性TiCN基硬質(zhì)合金(TiCN+ NbC)等。金屬陶瓷刀具可在300～500m/min的切削速度范圍內(nèi)高速精車鋼和鑄鐵。

    3. 陶瓷刀具材料
      陶瓷刀具材料主要有氧化鋁基和氮化硅基兩大類，是通過在氧化鋁和氮化硅基體中分別加入碳化物、氮化物、硼化物、氧化物等得到的，此外還有多相陶瓷材料。目前國外開發(fā)的氧化鋁基陶瓷刀具約有20余個品種，約占陶瓷刀具總量的2/3；氮化硅基陶瓷刀具約有10余個品種，約占陶瓷刀具總量的1/3。陶瓷刀具可在200～1000m/min 的切削速度范圍內(nèi)高速切削軟鋼(如A3鋼)、淬硬鋼、鑄鐵及其合金等。





















      表2 對應不同加工用途的刀片CBN含量
      CBN 含量 刀片加工用途
      50% 連續(xù)切削淬硬鋼(45～65HRC)
      65% 半斷續(xù)切削淬硬鋼(45～65HRC)
      80% 加工鎳鉻鑄鐵
      90% 連續(xù)重載切削淬硬鋼(45～65HRC)
      80%～90% 高速切削鑄鐵(v=500～1300m/min)
      粗切削、半粗切削淬硬鋼

    4. CBN刀具材料
      立方氮化硼(CBN)刀具具有極高的硬度及紅硬性，是高速精加工或半精加工淬火鋼、冷硬鑄鐵、高溫合金等的理想刀具材料。由于CBN刀具加工高硬度零件時可獲得良好的加工表面粗糙度，因此采用CBN刀具切削淬硬鋼可實現(xiàn)“以切代磨”。由于CBN刀坯價格較高及考慮重磨等因素，一般是在可轉位硬質(zhì)合金刀片的一個角上鑲焊一塊CBN刀坯，且通常只做一個刀尖。研究證明，采用純CBN材料制成的刀具在許多情況下并不能獲得最佳加工效果，為此，國外已開發(fā)出各種成分配比的CBN刀片及CBN+金屬陶瓷復合刀片，根據(jù)不同的加工用途，刀片中的CBN 含量也應相應變化(見表2)。

    5. PCD刀具材料
      聚晶金剛石(PCD)材料具有高硬度、高耐磨性、高導熱性及低摩擦系數(shù)等特點，PCD刀具可實現(xiàn)有色金屬及耐磨非金屬材料的高速、高精度、高穩(wěn)定性加工。多齒焊接式PCD刀具的切削刃對刀柄的跳動較小，尤其適合對各種有色金屬零件的成形面、孔、階梯孔等進行大批量高速加工，如采用鋁基體刀盤的Ø100mm六齒高速銑刀的最高切削速度可達7000m/min。PCD顆粒的大小對刀具的加工性能影響較大，如PCD粒徑為10～25µm的PCD刀具適于切削加工Si含量≥12%的鋁合金(切削速度v=300～1500m/min)及硬質(zhì)合金；PCD粒徑為8～9µm的PCD刀具適于切削加工Si含量≤12%的鋁合金(切削速度v=500～3500m/min)及通用非金屬材料；PCD粒徑為4～5µm的PCD刀具適于切削加工FRP、木材或純鋁等材料。

    6. 高速鋼、硬質(zhì)合金刀具材料
      高性能鈷高速鋼、粉末冶金高速鋼、整體硬質(zhì)合金材料等已成為制造滾刀、剃齒刀、插齒刀等齒輪刀具的主流刀具材料，可用于齒輪的高速切削。用硬質(zhì)合金粉末、高速鋼粉末配制而成的新型粉末冶金材料制成的滾刀其滾削速度可達150～180m/min, 如再對其進行TiAlN 涂層處理，則可應用于高速干切削。用細顆粒硬質(zhì)合金制造并涂覆耐熱、耐磨及潤滑涂層的麻花鉆在高速濕式加工結構鋼和合金鋼時，切削速度可達200m/min ，進給速度可達1600mm/min ；進行高速干式鉆孔時切削速度可達15Om/min ，進給速度可達1200mm/min 。用細顆粒硬質(zhì)合金制成的高速絲錐加工普通鑄鐵時，最高攻絲速度可達100m/min。





























































































    表3 部分新型陶瓷刀具材料的物理性能及用途
    牌號 密度
    (g·cm-3)     		硬度
    (HRC)    		 抗彎強度
    (MPa)    		 斷裂韌性
    ( MPa·m½)    		 用途
    LT55 4.96 93.7～94.8 900 5.04 適于加工多種鋼(55HRC)和鑄鐵，特別適于加工超高強度鋼和高硬鑄鐵
    SG-4 6.65 94.7～95.3 850 49.4 適于加工各種鋼和鑄鐵，特別適于加工淬硬鋼(60～65HRC)
    JX-1 3.63 94～95 700～800 8.5 適于加工高溫鎳基合金
    JX-2 3.73 93～94 650～750 8.0～8.5 最適于加工純鎳和高鎳合金
    LP-1 4.08 94～95 800～900 5.2 適于加工各種鋼和鑄鐵
    LP-2 3.94 94～95 700～800 7～8 適于斷續(xù)切削加工各種鋼和鑄鐵
    LD-1 4.79 93.5～94.5 700～860 5.8～6.5 適于斷續(xù)切削加工各種鋼和鑄鐵
    LD-2 6.51 93.5～94.5 700～860 5.8～6.5 適于斷續(xù)切削加工各種鋼和鑄鐵
    FG-1 4.46 94～95 700～800 9.0 同LP-1 ，適于加工超高硬鋼和高硬鑄鐵
    FG-2 6.08 94.7～95.3 700～800 84 特別適于加工淬硬鋼
    FH-1 復合刀片 94～95 800～1000 5.3～5.8 特別適于加工超高硬鋼和高硬鑄鐵
    FH-2 94.7～95.3 5.3～5.8 特別適于加工淬硬鋼和斷續(xù)切削

  2. 國內(nèi)高速切削刀具材料發(fā)展現(xiàn)狀
    目前國內(nèi)最常用的刀具材料仍為高速鋼和硬質(zhì)合金，且以普通高速鋼和普通硬質(zhì)合金為主。硬質(zhì)合金焊接刀具的應用仍十分普遍；鋁高速鋼、粉末冶金高速鋼的使用很少；由于市場供應的國產(chǎn)高速鋼質(zhì)量下滑，使含鈷高速鋼刀具品質(zhì)較差；高性能硬質(zhì)合金及細(超細)顆粒硬質(zhì)合金較少，幾乎無專用牌號。我國的刀具涂層技術與國外相比差距較大，金剛石膜涂層技術尚處于研發(fā)階段；尚無商品化TiCN涂層產(chǎn)品；TiAIN、MoS2涂層、納米涂層等新技術尚待研究；具有優(yōu)良耐磨性、抗高溫、抗熱震性的高速切削刀具材料也函待開發(fā)。國內(nèi)對于陶瓷刀具的研究較為充分，已基本建立了融切削學和陶瓷學為一體的、基于切削可靠性的陶瓷刀具材料設計、研究理論新體系。國產(chǎn)氧化鋁基陶瓷刀具已有近20個品種(部分產(chǎn)品性能及用途見表3) ，氮化硅基陶瓷刀具已有近10 個品種，陶瓷刀具的生產(chǎn)能力也較大。目前陶瓷刀具的研發(fā)水平已達到國際先進水平，陶瓷刀具的性能水平也不低于國外同類產(chǎn)品。已開發(fā)成功陶瓷—硬質(zhì)合金復合刀片、梯度功能陶瓷刀片、多種采用協(xié)同增韌機理的陶瓷刀具等國外尚未見報道的新產(chǎn)品。目前與國外的差距主要表現(xiàn)在制造工藝水平較低，高精度陶瓷刀片和某些品種的陶瓷刀具(如加入氮化物的陶瓷刀具)質(zhì)量欠佳，陶瓷刀具的推廣應用也不如發(fā)達國家普遍。
    國內(nèi)已開發(fā)出可分別用于車削、鏜削、銑削等加工領域的多種不同CBN含量的CBN刀具和不同顆粒尺寸的PCD刀具，其中CBN刀具主要用于高速加工淬硬鋼、高硬鑄鐵及某些難加工材料，PCD刀具則用于加工鋁合金。不足之處是品種規(guī)格不夠齊全，某些產(chǎn)品質(zhì)量欠佳，推廣應用尚不普遍。

3 高速切削刀具技術現(xiàn)狀



  1. 高速切削刀具系統(tǒng)的動平衡技術
    刀具系統(tǒng)(刀刃—刀柄—刀盤—夾緊裝置)不平衡會縮短刀具壽命，增加停機時間，并會增大加工表面粗糙度，降低工件加工尺寸精度和主軸軸承使用壽命。高速切削刀具系統(tǒng)的平衡更為重要。一般來說，對于小型刀具，平衡修正量只有百分之幾克；對于緊密型刀具，采用靜平衡即可；對于懸伸長度較大的刀具則必須進行動平衡。
    引起高速切削刀具系統(tǒng)不平衡的主要因素有：刀具的平衡極限和殘余不平衡度，刀具結構不平衡，刀柄不對稱，刀具及夾頭的安裝(如單刃鏜刀)不對稱等。設刀具在距離旋轉中心e(mm)處存在等效的不平衡質(zhì)量m(g)，則刀具不平衡量U(g·mm)可定義為刀具不平衡質(zhì)量與其偏心距的乘積，即U=m×e。設G為反映刀具平衡量與旋轉速度n(r/min)之間關系的參數(shù)，則




















    G=w×e= pn × U =
    		pUn
    30 m 30m
    		 (1)
    式中：w― 角速度
    產(chǎn)生的慣性離心力兀(N )為

















    Fe=me( pn )2×10-6=U( pn2
    		)×10-6
    30 30
    		 (2)









    1
    圖1 慣性離心力與主軸轉速和刀具不平衡量的關系
    圖3 高速切削旋轉刀具和刀柄系統(tǒng)平衡要求

    1
    圖2 內(nèi)裝動平衡機構的鏜刀


    圖1為因刀具不平衡引起的離心力與主軸轉速和刀具不平衡量的關系。離心力會使主軸軸承受到方向不斷變化的徑向力作用而加速磨損并引起機床振動，甚至可能造成事故。由圖1可知，當主軸轉速進一步提高時，慣性離心力將以平方倍數(shù)增大。因此，高速切削刀具(主要是旋轉刀具)使用前除進行靜平衡外還必須進行動平衡，應根據(jù)其使用速度范圍進行平衡，以實現(xiàn)最佳加工效益。對高速切削刀具進行平衡時，首先需對刀具、夾頭、主軸等各個元件單獨進行平衡，然后對刀具與夾頭組合體進行平衡，最后將刀具連同主軸一起進行平衡。推薦采用微調(diào)螺釘進行精細平衡，或直接采用內(nèi)裝動平衡機構的鏜刀(見圖2)通過轉動補償環(huán)移動內(nèi)部配重以補償?shù)毒卟黄胶饬�。目前國�?nèi)外尚無統(tǒng)一的刀具平衡標準，對采用ISO 1940-1標準中的G值作為平衡標準也有不同看法。國外一些企業(yè)以G1(即刀具以1000Or/min的轉速回轉時，回轉軸與刀具中心軸線的偏心距為1µm)作為平衡標準；有的企業(yè)對轉速6000r/min以上的高速切削刀具以G2.5作為平衡標準。高速切削旋轉刀具和刀柄系統(tǒng)的平衡要求可參照圖3所示的G1或G2.5標準。

  2. 高速切削旋轉刀具的刀柄系統(tǒng)
    高速切削時，為使刀具保持足夠的夾持力，以避免離心力造成刀具損壞，對刀具裝夾裝置也提出了相應的要求。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(tǒng)，這種實心錐柄具有以下缺點：① 由于只靠錐面結合，刀柄與主軸的聯(lián)接剛性較低，尤其當主軸轉速超過10000r/min 時，聯(lián)接剛性的不足更為明顯；② 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(xiàn)高精度加工；③ 當主軸高速回轉時，主軸前端在離心力作用下會發(fā)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15µm ) , 從而降低刀柄接觸剛度，且易發(fā)生安全事故。因此，傳統(tǒng)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(fā)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0.001mm) ，在高速轉動產(chǎn)生的離心力作用下，刀柄會牢固鎖緊，其徑向跳動不超過5µm ，在整個轉速范圍內(nèi)可保持較高的靜態(tài)和動態(tài)剛性。因此，此類刀柄特別適合高速切削加工。表4 列出了HSK和KM刀柄的結構特點。















































    表4 HSK 和KM刀柄的結構特點
    刀柄類型 HSK KM
    結合部位 錐面+端面 錐度+端面
    夾緊力傳遞方式 簡夾 鋼球
    刀具 HSK-63B KM6350
    基徑 Ø38mm Ø40mm
    柄部形式 空心柄 空心柄
    牽引力 3.5kN 11.2kN
    夾緊力 10.5kN 33.5kN
    過盈量(理論值) 3～10µm 10～25µm
    錐度 1/10 1/10

    1
    圖4 HSK 刀柄的結構類型


    HSK 整體式刀柄采用平衡式設計，其刀柄結構形式有A、B、C、D、E、F型(見圖4)。實際應用時，HSK5O 、HSK63 刀柄適用的主軸轉速可達25000r/min , HSK100 刀柄適用的主軸轉速可達12000r/min 。

  3. 高速切削刀具的安全性
    切削刀具安全性涉及的主要對象是高速旋轉的銑刀和鏜刀，尤其是高速銑刀，因為高速銑削是目前高速切削應用的主要工藝。加工實踐表明，普通銑刀的結構和強度不能適應高速切削的要求，因此高速銑刀安全性的研究更具有緊迫性和現(xiàn)實性。德國在20世紀90年代初開始對高速銑刀安全技術進行研究，并取得了一系列實用性成果，制定了DIN6589-1《 高速銑刀的安全要求》 標準草案，其中規(guī)定了高速銑刀失效的試驗方法和準則，該標準已成為高速銑刀安全性的指導性文件。高速切削用可轉位銑刀的安全性除了刀體強度要求外，還包括對零件、刀片夾緊等的可靠性要求。高速切削時，離心力是造成銑刀破損的主要因素，防止離心力造成破壞的關鍵在于刀體應具有足夠的強度。為了能在設計階段對刀具結構強度在離心力作用下的受力和變形情況進行定性和定量分析，目前一般利用高速銑刀的有限元(FEM)模型來計算不同轉速下應力的大小，模擬刀具失效過程，改進設計方案。在實際應用中，將模擬設計計算與離心力實驗相結合，根據(jù)實驗獲得的刀具變形、刀片位移等數(shù)據(jù)建立FEM模型的邊界條件。根據(jù)計算和實驗，可轉位銑刀在超高速切削中主要有兩種失效形式：一種是夾緊刀片的螺釘被剪斷，刀片或其它夾緊元件被甩飛；另一種是刀體爆碎。在多數(shù)情況下，首先出現(xiàn)前一種失效，即在較低轉速時出現(xiàn)零件甩飛現(xiàn)象；隨著轉速進一步提高，達到刀體強度臨界值時即出現(xiàn)后一種失效。圖5所示為模擬計算顯示的兩種失效過程與轉速的關系曲線。在靜止狀態(tài)下，刀片的夾緊力對刀體產(chǎn)生一個向心變形，隨著轉速增加，刀體發(fā)生彈性膨脹，刀片隨刀體一起向外膨脹；同時刀片的離心力克服螺釘夾緊力，使向心夾緊力和變形量逐漸減小，直至完全脫離刀座的徑向支撐，此時夾緊已完全失效，即達到圖5所示曲線上的拐點，通過拐點后刀片開始迅速外移直至甩飛。





    1
    圖5 失效過程與轉速的關系曲線


  4. 高速可轉位面銑刀的結構
    根據(jù)銑刀安全性要求，用于高速切削(n＞600Or/min)的可轉位面銑刀通常不允許采用摩擦力夾緊方式，而必須采用帶中心孔的刀片，用螺釘夾緊。與安全性有關的刀片結構參數(shù)包括刀片中心孔相對螺釘孔的偏心量、刀片中心孔和螺釘?shù)男螤畹�，這些參數(shù)決定了螺釘在靜止狀態(tài)下夾緊刀片時所受預應力的大小。如預應力過大，有可能使螺釘發(fā)生變形，降低夾緊系統(tǒng)失效轉速。刀具夾緊方式也可采用帶卡位的空刀槽，以保證刀具的精確定位和高速旋轉時的可靠聯(lián)接。另外，刀片、刀座夾緊力方向最好與離心力方向一致。夾緊刀片時應施加規(guī)定的扭矩，并使用合格的夾緊螺釘，螺釘擰入前應涂敷潤滑劑，以減少夾緊扭矩的損失，此外，螺釘必須定期檢查和更換。
    從安全性考慮，刀體的設計應減輕質(zhì)量，減小直徑，增加高度，選用比重輕、強度高的材料，目前，有的高速銑刀已采用高強度鋁合金制造刀體。刀體上的槽(刀片槽、容屑槽、鍵槽等)會引起應力集中，降低刀體強度，因此銑刀結構應盡量避免采用貫通式刀槽，減少尖角，防止應力集中。同時，還應減少機夾零件的數(shù)量；刀體結構應對稱于回轉軸，使其重心通過銑刀軸線；對于不等分齒銑刀，應對刀體的質(zhì)量分布作相應調(diào)整，使刀體膨脹比較均勻；刀片和刀座的夾緊、調(diào)整機構應盡可能消除游隙，且應保證良好的重復定位性 。圖6、7、8分別為采用不同刀片夾緊結構的高速面銑刀及允許最大轉速。







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    圖6 刀片不帶孔面銑刀

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    圖7 刀片帶孔面銑刀

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    圖8 不同結構面銑刀的允許最大轉速


  5. 高速切削刀具監(jiān)測技術
    刀具監(jiān)測技術對于高速切削加工的安全性十分重要。刀具監(jiān)測技術主要包括通過監(jiān)測切削力以控制刀具磨損；通過監(jiān)測機床功率以間接獲得刀具磨損信息；監(jiān)測刀具斷裂(破損)等。目前國內(nèi)外對高速切削刀具監(jiān)測技術的研究及開發(fā)應用還不夠充分。

    4 結語


    高速切削技術是一種先進制造技術，具有廣闊的應用前景。高速切削刀具及其相關技術是實現(xiàn)高速切削加工的基本條件。因此，應重視和加強與高速切削相適應的刀具材料、刀具結構及刀具監(jiān)控技術的研究和開發(fā)，建立高速切削刀具安全技術標準，努力提高我國機械制造業(yè)的切削加工效率和質(zhì)量水平。

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