高速切削技术及其对刀具材料发展之影响

用于生产切削的金刚石绝大多数是人造金刚石。人造金刚石分为三种：聚晶金刚石（ PCD）、化学气相沉积金刚石（ CVD）和高温人工合成的单晶金刚石。PCD和单晶金刚石是高效精密加工有色金属、陶瓷、玻璃、石墨等非金属材料最佳的刀具

金属切削技术和刀具作为关键技术和基础装备，决定着机床加工的效率、精度、质量和成本，切削加工进入了发展高速切削、开发新的切削工艺和加工方法、提供成套加工技术为特征的发展新阶段。

1. 高速切削技术

高速切削技术以高效率、高精度和高表面质量为基本特征，在汽车工业、航空航天、模具制造等行业获得了越来越广泛的应用，是当代先进制造技术的重要组成部分。高速切削技术特征主要表现在如下几个方面：

①切削速度很高，通常为是普通切削的5 ~10 倍。②机床主轴转速很高，一般在10 000 ~20 000r /min 以上。③进给速度很高，通常达15 ~50m/min, 最高可达90m/min.④对于不同的切削材料和所采用的刀具材料，高速切削的含义也不尽相同。⑤切削过程中，切削刃的通过频率接近于“机床- 刀具- 工件” 系统的主导自然频率。

与传统加工相比，由于高速切削显着提高了切削速度，导致工件与前刀面的摩擦增大，并导致切屑和刀具接触面温度的提高，能达到工件材料的熔点，使得工件变软甚至液化，因而大大减小了对切削刀具的阻力，使得切削变得中国金属加工在线版权所有轻快。同时，由于加工产生热量的70% ~80%都集中在切屑上，而切屑的去除速度很快，传导到工件上的热量大大减少，提高了加工精度。高速切削加工是一种不增加设备数量而大幅度提高加工效率所必不可少的技术，优点主要在于：提高生产效率；提高加工精度和表面质量；降低切削阻力。

为了实现高速切削加工，一般采用高柔性的高速数控机床、加工中心，也有的采用专用的高速铣、钻床。

机床同时具有高速主轴系统和高速进给系统，高主轴刚度特性，高精度定位功能和高精度插补功能，特别是圆弧高精度插补功能。高速机床和高速刀具是实现高速切削的前提和基本条件，在高速切削加工中对高速机床的性能和刀具材料的选择有严格的要求。

2. 高速切削要求下刀具材料的进展

高速切削加工对刀具材料提出了特殊的要求，除应具备要求的硬度和耐磨性、强度和韧性、耐热性、工艺性能和经济性外，还应具备高可靠性、高耐热性和抗热冲击性能以及良好的高温力学性能。目前，一般用于高速切削的刀具材料包括钛基硬质合金、陶瓷、聚晶立方氮化硼、涂层刀具及金刚石等。

（ 1）硬质合金刀具材料性能全面提高钛基硬质合金刀具的硬度都在2000HV 以上，与WC 硬质合金相比，强度、硬度、韧性和抗崩刃性能得到明显提高，抗月牙洼磨损和抗粘结能力也明显增强。而且，硬质合金的性能不断改进，应用面不断扩大。首先是开发了细颗粒、超细颗粒硬质合金材料，强度和韧性显着提高，用它制造中国金属加工在线版权所有的整体硬质合金刀具，如中小规格的钻头、立铣刀、丝锥等刀具代替中国金属加工在线版权所有了传统的高速钢刀具，把通用刀具带入了高速切削领域。其次，开发和使用硬质合金加压烧结等新工艺提高了硬质合金的内在质量。在作为化学涂层硬质合金刀片牌号的基体材料时，开发了具有良好抗塑性变形能力和韧性表层的梯度硬质合金，提高了涂层硬质合金刀片的切削性能和应用范围。

化学涂层（ CVD）是可转位刀片的主要涂层工艺，通过化学气相沉淀和真空溅射等方法，在硬质合金刀具表面喷涂一层厚度5 ~12μm 以下的TiC 或Al2O3 等化合物，从而提高刀具表面的硬度，改善耐磨性和润滑性。

物理涂层（ PVD）的进展引人注目，在炉子结构、工艺过程、自动控制等方面都取得了重大进展，不仅开发了适应高速切削、干切削、硬切削的耐热性更好的涂层，如超级TiAlN, 及综合性能更好的TiAlCN 通用中国金属加工在线版权所有涂层和DLC、W/C 减摩涂层，而且通过对涂层结构的创新，纳米级超薄超多层涂层和新型涂层材料的开发应用的速度将加快，大幅度提高了涂层硬度和韧性，涂层将成为改善刀具性能的主要途径。

（ 3）超硬刀具材料陶瓷、PCBN 和金刚石的使用将明显增加陶瓷刀具有氧化铝基Al2O3 和氮化硅基Si3N4 两大类，有很高的硬度和耐磨性，耐热性高达1200℃以上，化学稳定性好，与金属的亲和力小，可提高切削速度3 ~5 倍，可以加工65HRC 的高硬度材料。

但陶瓷的抗冲击韧性差，所以对高速切削时的平稳性要求较高，即要求被加工材料材质均匀，对刀具接近工件的方向、角度和速度都有很严格的要求。陶瓷和金属陶瓷刀具材料在钢材、铸铁的精加工、半精加工中代替硬质合金，提高了加工效率和产品质量。

聚晶立方氮化硼（ PCBN）是由软的六方氮化硼在高温高压下加入催化剂转化而成，化学稳定性优于金刚石，硬度高达8000 ~9000HV, 耐磨性好，耐热性高达1400℃，与铁元素的化学惰性较大，适宜于加工硬度较高的材料，将成为高速切削黑色金属、难加工材料以及进行干切削、硬切削的主要刀具材料。

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