切削加工技术系统和刀具应用技术三要素

　　从20世纪八十年代开始，在信息技术等高新技术的带动下，机械加工技术进入了“高速、高效、智能、复合、环保”的发展新阶段，出现了高速(效)切削、近净成形、柔性化加工、五轴加工、复合加工机床、网络制造、绿色制造等新的制造技术及装备，为制造业开发新产品、提高加工效率和加工质量、降低制造成本、缩短交货周期、保护生态环境、降低能源和资源消耗发挥了重要的作用。在上述新加工工艺及装备中，切削加工的新技术及刀具的进展尤为突出，已成为当今先进制造技术十分重要的基础工艺之一，也是金属加工企业开发新产品、新工艺、应用新材料和建立创新体系不可缺少的关键技术。

　　随着现代切削技术的发展，刀具应用技术发挥着越来越重要的作用。一把刀具最终能否为用户创造效益，不仅在于当初创新的设计和精心的制作，而且最后要靠符合加工条件的正确使用。目前，刀具制造商正是通过向用户提供配套的刀具应用技术，满足用户提高加工效率、降低制造成本和提高加工质量的需要，或开发新产品、应用新材料的需要，并实现对用户的创新服务。因此，刀具应用技术已成为刀具制造商的核心技术之一，越来越受到重视。对于刀具用户企业，提高刀具的使用技术不仅可以发挥企业现有的切削加工潜力，提高加工效率，而且可为今后开发新产品和新工艺打下基础。

　　金属切削加工是一个多因素的复杂过程，使刀具的应用技术包含着很广泛的内容。本讲座通过对切削加工过程的分析，抓住构成并影响切削过程的主要因素，作为刀具应用技术共性基础内容加以探讨，希望能对刀具的正确使用有所帮助。

　　车削加工的简图和相关的术语，切削过程发生在刀具与工件相互作用的切削区，工件材料经过切削区以后转变为切屑，沿前刀面排出。切削区的放大图给出了刀具与工件相互作用的细节。切削时，工件上需要切除的材料层，进入变形区，在刀具前刀面的作用下，发生变形和晶格的滑移，并沿着假想的滑移面OA产生剪切，变成切屑排出。排出时，切屑底面的新鲜金属表面与前刀面在OB段产生剧烈的摩擦，形成了前刀面摩擦区。而从刀尖下滑过的已加工表面，因材料的回弹作用与后刀面在OC段产生摩擦，形成了后刀面摩擦区。刀具就这样在变形区和摩擦区的力和热的共同作用下工作着。由上可见，刀具和工件材料是切削加工的主体。然而，要实现切削加工的全过程还需要相应的支撑技术。作为一门金属加工的工艺技术，金属切削加工工艺可用图2所示的技术系统来描述。该系统包括三部分内容：切削工艺系统、切削机理、切削加工效果，在图中用虚线划分，分述如下：第一部分是由机床、刀具和被加工工件组成的切削技术的工艺系统。机床和刀具是实现切削加工必不可少的工艺装备，依靠机床提供的运动和动力，由具备切削功能的刀具将工件上多余的金属以切屑的形式将其切除，按预定的要求实现对工件的切削加工过程。为了进一步了解切削过程，有必要将刀具、机床和工件的技术内涵加以细化。

　　刀具是切削加工的主体之一，参与切削加工的刀具包含着三个主要的技术内涵，即刀具材料和涂层、几何角度、刀具结构。刀具必须由特殊的刀具材料制造，并具有确定的几何形状和适用的结构，三者共同赋予刀具切削的功能，同时又决定着刀具的切削性能。因此，有关这三个因素的内容、作用是切削技术的重要内容。

　　与机床相关的切削技术内涵有切削参数、工序类别、切削条件等。机床为刀具实施各种切削工序提供了一个技术平台，包括刀具切削所需要的动力、刀具与工件的相对运动、提供冷却润滑的条件、可靠地夹持刀具和工件。其中刀具与工件相对运动的速度，有主运动的切削速度和辅助运动的进给速度，是切削加工中两个主要的切削参数。切削加工要求机床有足够的功率和系统的刚性、高的运动速度和自动化程度，以及运动和定位的精度。因此，机床的性能对切削加工的效果好坏起着十分重要的作用，并与切削加工的水平密切相关。了解和掌握机床的性能，正确地运用和操作机床是做好具体切削加工的前提。机床和刀具两者相互促进共同推动切削加工技术的进步和发展。

　　工件是切削加工的对象，也是切削技术的主体之一。工件尺寸精度、表面质量的要求、工件的材料和结构都影响着切削的过程，切削参数的设置和刀具几何角度的设计必须适应具体的工件特点。尤其是工件材料的可加工性，对切削过程的影响十分显著，已成为切削加工重要的技术内容。目前，需要切削加工的工程材料已经超出了金属材料的范围，非金属材料和新型的人工合成材料越来越多地被用作工程材料，成为切削加工的新领域。

　　切削技术系统的第二部分是金属切除过程的机理部分，包括切削变形过程及伴随着的两个重要的物理现象：切削力和切削热。来自切削变形区的切削力和切削热传递着切削过程内部的信息，并对切削过程产生很大的影响。刀具挤压、切离金属所需要的力和刀具与工件、切屑摩擦的力构成了切削系统的作用力，机床的传动系统必须克服这些力并提供足够的功率。切削力使机床、刀具和工件产生变形，影响加工的精度；作用在刀具上的切削力和摩擦力造成刀具的磨损与破损。在刀具与工件相对运动中，由切削力作的功所产生的热量也造成工艺系统的变形和加剧刀具的磨损与破损。

　　减小切削力和切削热、降低切削温度从而减慢刀具的磨损，防止刀具的破损，成为设置切削参数和选择刀具的重要依据。由于刀具磨损和失效是切削力和切削热造成的直接后果，磨损大小、快慢、形貌和失效的特征都与切削力和切削热有关，因此是分析和了解切削过程的重要依据，是掌握刀具应用技术的关键。图3是车刀的典型磨损图，表示了刀尖周围各部位的磨损形貌，对其它刀具也具有代表性。图4是车刀在力和热的作用下出现的各种磨损、破损的形貌和原因，采取有效措施减缓磨损或防止破损是贯穿于刀具应用技术的主线。目前高速钢刀具约占世界刀具销售总量的35%。世界刀具消费市场按产品销售去向统计，通用机械和汽车制造约各占35%，航空航天约占10%，其中不乏高速钢刀具。

　　目前高速钢刀具约占世界刀具销售总量的35%。世界刀具消费市场按产品销售去向统计，通用机械和汽车制造约各占35%，航空航天约占10%，其中不乏高速钢刀具。

　　关注高速钢刀具

　　中国刀协前名誉理事长沈鸿先生曾说过：“刀具虽小、威力无穷。”事实上，切削工具也是机械加工中最具活力的一个因素。中国作为一个制造大国其机床消费已是世界第一，制造企业加大刀具投入提高生产效率以获取更大效益，带动了切削刀具采购量的快速增长。目前国外切削工具在中国的年销售额已达5亿美元，其中山特维克可乐满的年销售额达到10亿元人民币,近十年的平均增长率达23%。国内650家工具企业2007年前三个季度的刀具销售额达118亿元人民币，同比增长27.1%。巨大的市场前景引发了对刀具产业的投资热，国内如株洲钻石和厦门金鹭的可转位刀具项目，江苏天工引进丝锥生产线、磨制钻生产线项目等，外资如肯纳金属的天津工厂和伊斯卡的大连工厂以及山特维克对厦门金鹭的参股等，既有硬质合金也有高速钢切削工具，以上表明：高速钢刀具在现代制造中占有不可替代的一席之地，我们要关注高速钢切削工具，大力发展高速钢切削工具。

　　高速钢材料及高速钢刀具技术近年有了很大的发展，主要表现在：第一，M42、M35和中国特有的铝高速钢(俗称501或M2Al)等高性能高速钢热处理硬度可达到HRC69～70，粉末冶金高速钢涂层滚刀切削钢齿轮的速度已达到150～180m/min或更高，粉末冶金高速钢丝锥在灰铸铁上加工螺纹的切削速度达到65m/min；第二，与硬质合金相比，高速钢的强度高、韧性好，是制造复杂刀具和钻孔刀具的首选材料，据统计，全世界33%的铣刀、95%的丝锥、51%的麻花钻、81%的齿轮刀具、86%的拉刀和95%的锯片是用高速钢制造的。其中又有70%的齿轮刀具、50%的拉刀、20%的立铣刀和10%的丝锥用粉末高速钢制造；第三，高速钢刀具刃口锋利、切削轻快、切削中工件不易产生加工硬化，在不锈钢、镍基合金和钛合金一类材料的加工中有其优势。我们在切削这一类难加工材料时，不应局限于硬质合金的圈子，也可试用前角大、刃口锋利的高速钢车、铣刀具。

　　欧洲有一个叫High Speed Steel Research Forum的机构，通过研发和培训致力于高速钢技术的发展和应用。

　　目前高速钢刀具约占世界刀具销售总量的35%。世界刀具消费市场按产品销售去向统计，通用机械和汽车制造约各占35%，航空航天约占10%，其中不乏高速钢刀具。曾在波音公司工作的美国朋友和外贸公司的老总给我传递了这样的信息：飞机制造中要使用大量高速钢麻花钻，如果某种麻花钻能在载重汽车的弹簧钢板上钻7～8个孔就可能被波音公司接受。

　　中国现在是世界高速钢和高速钢刀具生产大国，高速钢和高速钢刀具(主要是麻花钻)的产量和出口量都是世界第一。2006年上工、江苏天工、江苏飞达、哈量和成量的高速钢切削工具麻花钻产品还同获中国名牌产品荣誉称号，纷纷打进了欧、美工业切削工具市场，表明中国的高速钢切削工具无论在产业规模和产品质量上都有了很大的进步。

　　经济学家预计中国经济的快速增长和制造业的高速发展至少还将持续10年，这些为切削工具行业提供了空前的机遇和挑战。目前高速钢刀具约占国内刀具总量的75%，但粉末冶金高速钢材料和一些高档高速钢刀具还大量依赖进口。我们要大力发展高速钢切削工具，包括开发新的高速钢牌号特别是粉末高速钢，开发更多更好的高速钢刀具并努力提高应用水平。相信经过全体切削工作者的共同努力，通过对刀具材料、刀具结构、制造工艺和应用技术上全方位的创新，一定能把中国高速钢切削工具的开发和应用水平提到一个新的高度，为振兴中国的切削技术做出实实在在的贡献。

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