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高速切削刀具的发展 |
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作者：山东大学机械工程学院 刘战强 艾兴 |
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摘要：对国内外高速切削刀具的发展现状进行了综合评述，重点介绍了高速切削刀具材料和高速切削刀具技术(包括刀具动平衡技术、刀柄系统、刀具安全性、可转位面铣刀结构、刀具监测技术等)的开发及应用。
1 引言
在机械加工中，切削、磨削加工目前仍是零件最终形成的主要工艺手段。切削加工的主要发展方向之一是高速切削(包括高速软切削、高速硬切削、高速干切削、大进给量切削等)。高速切削时，随着切削速度的提高，切削力逐渐减小，切削温升逐渐趋缓，加工表面质量提高，加工成本降低。为实现切削加工的高速化，必须研究及开发与高速切削相适应的刀具材料、刀具结构及刀具监控技术。
2 高速切削刀具材料的发展现状
从十九世纪中期迄今，刀具材料的发展进程如表1所示。刀具材料的进步是切削加工技术进步的决定性因素之一。对于高速切削加工，刀具材料更具有举足轻重的影响。当切削速度提高时，工具钢材料的刀尖往往会因无法承受切削高温而发生烧蚀或急剧磨损。另一种主要刀具材料硬质合金的主要成分为WC或TiC等硬质碳化物，但由于采用铁系金属作为结合剂，因此通常也难以承受高速切削产生的高温。超硬材料金刚石在700 ℃ 左右会发生氧化，但用于加工有色金属时，由于切削温度不是太高，尚可实现较高速度的切削。近三、四十年来刀具材料所取得的突破使高速切削中出现的问题得到了较好解决。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)具有良好的耐热性；晶须增韧陶瓷刀具和涂层技术的应用大大提高了刀具硬度，并使刀具兼有高硬度的刃部和高韧性的基体；用聚晶方法得到的聚晶立方氮化硼(PCBN)刀片的硬度高达3500～4500HV，己成为高速切削淬硬钢的首选刀具；同样用聚晶方法得到的聚晶金刚石(PCD)刀片的硬度可达6000～1000OHV，用PCD材料制作的车刀、铣刀、钻头等可对有色金属进行高速切削，有时也应用于黑色金属的切削加工。表1 刀具材料的发展进程
| 材料类型 | 各种刀具材料系列 | 发展年代 | | 工具钢 | 碳素工具钢
合金工具钢 | 1850
| | 高速钢 | 通用高速钢
高性能高速钢
低合金高速钢
粉末冶金高速钢
涂层高速钢 | 1928～1978
1954
1970～1980
1977
| | 硬质合金 | 普通硬质合金
超微粒硬质合金
涂层硬质合金
TiC基硬质合金(金属陶瓷) | 1923～1969
1967～1970
1959～1978
1965～1974 | | 陶瓷 | 氧化铝基陶瓷
碳化硅基陶瓷 | 1938～1955
1981 | | 超硬刀具材料 | 天然金刚石
聚晶金刚石
立方氮化硼 |
1955～1974
1957～1974 |
目前适用于高速切削的刀具主要有涂层刀具、金属陶瓷(TiCN 基硬质合金)刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼(CBN)、聚晶金刚石(PCD)刀具等。
2.1 国外高速切削刀具材料发展现状
1) 涂层刀具材料
涂层刀具是通过在刀具基体上涂覆金属化合物薄膜，以获得远高于基体的表面硬度和优良的切削性能。常用的刀具基体材料主要有高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷等；涂层既可以是单涂层、双涂层或多涂层，也可以是由几种涂层材料复合而成的复合涂层。硬涂层刀具的涂层材料主要有氮化钛(TiN)、碳氮化钛(TiCN)、氮化铝钛(TiAlN)、碳氮化铝钛(TiAlCN)等，其中TiAlN在高速切削中性能优异，其最高工作温度可达800 ℃ 。近年来相继开发的一些新型PVD 硬涂层材料，如CBN、氮化碳(CNx)、Al2O3 、氮化物(TiN/NbN，TiN/VN)等，在高温下具有良好的热稳定性，十分适合用于高速切削。金刚石膜涂层刀具主要适用于加工有色金属。软涂层刀具(如采用硫族化合物MoS2、WS2作为涂层材料的高速钢刀具)主要用于加工高强度铝合金、钛合金或贵重金属材料。此外，最新开发的纳米涂层刀具材料在高速切削中也具有广阔的应用前景，如日本住友公司已开发出纳米TiN/AIN 复合涂层铣刀片，涂层共达2000层，每层涂层厚度为2.5nm。
2) 金属陶瓷刀具材料
金属陶瓷具有较高的室温硬度、高温硬度及良好的耐磨性。金属陶瓷材料主要包括高耐磨性TiC基硬质合金(TiC+Ni或Mo)、高韧性TiC基硬质合金(TiC+TaC+WC)、强韧TiN基硬质合金(以TiN 为主体)、高强韧性TiCN基硬质合金(TiCN+ NbC)等。金属陶瓷刀具可在300～500m/min的切削速度范围内高速精车钢和铸铁。
3) 陶瓷刀具材料
陶瓷刀具材料主要有氧化铝基和氮化硅基两大类，是通过在氧化铝和氮化硅基体中分别加入碳化物、氮化物、硼化物、氧化物等得到的，此外还有多相陶瓷材料。目前国外开发的氧化铝基陶瓷刀具约有20余个品种，约占陶瓷刀具总量的2/3；氮化硅基陶瓷刀具约有10余个品种，约占陶瓷刀具总量的1/3。陶瓷刀具可在200～1000m/min 的切削速度范围内高速切削软钢(如A3钢)、淬硬钢、铸铁及其合金等。
4) CBN刀具材料
立方氮化硼(CBN)刀具具有极高的硬度及红硬性，是高速精加工或半精加工淬火钢、冷硬铸铁、高温合金等的理想刀具材料。由于CBN刀具加工高硬度零件时可获得良好的加工表面粗糙度，因此采用CBN刀具切削淬硬钢可实现“以切代磨”。由于CBN刀坯价格较高及考虑重磨等因素，一般是在可转位硬质合金刀片的一个角上镶焊一块CBN刀坯，且通常只做一个刀尖。研究证明，采用纯CBN材料制成的刀具在许多情况下并不能获得最佳加工效果，为此，国外已开发出各种成分配比的CBN刀片及CBN+金属陶瓷复合刀片，根据不同的加工用途，刀片中的CBN 含量也应相应变化(见表2)。表2 对应不同加工用途的刀片CBN含量
| CBN 含量 | 刀片加工用途 | | 50% | 连续切削淬硬钢(45～65HRC) | | 65% | 半断续切削淬硬钢(45～65HRC) | | 80% | 加工镍铬铸铁 | | 90% | 连续重载切削淬硬钢(45～65HRC) | | 80%～90% | 高速切削铸铁(v=500～1300m/min)
粗切削、半粗切削淬硬钢 |
5) PCD刀具材料
聚晶金刚石(PCD)材料具有高硬度、高耐磨性、高导热性及低摩擦系数等特点，PCD刀具可实现有色金属及耐磨非金属材料的高速、高精度、高稳定性加工。多齿焊接式PCD刀具的切削刃对刀柄的跳动较小，尤其适合对各种有色金属零件的成形面、孔、阶梯孔等进行大批量高速加工，如采用铝基体刀盘的Ø100mm六齿高速铣刀的最高切削速度可达7000m/min。PCD颗粒的大小对刀具的加工性能影响较大，如PCD粒径为10～25µm的PCD刀具适于切削加工Si含量≥12%的铝合金(切削速度v=300～1500m/min)及硬质合金；PCD粒径为8～9µm的PCD刀具适于切削加工Si含量≤12%的铝合金(切削速度v=500～3500m/min)及通用非金属材料；PCD粒径为4～5µm的PCD刀具适于切削加工FRP、木材或纯铝等材料。
6) 高速钢、硬质合金刀具材料
高性能钴高速钢、粉末冶金高速钢、整体硬质合金材料等已成为制造滚刀、剃齿刀、插齿刀等齿轮刀具的主流刀具材料，可用于齿轮的高速切削。用硬质合金粉末、高速钢粉末配制而成的新型粉末冶金材料制成的滚刀其滚削速度可达150～180m/min, 如再对其进行TiAlN 涂层处理，则可应用于高速干切削。用细颗粒硬质合金制造并涂覆耐热、耐磨及润滑涂层的麻花钻在高速湿式加工结构钢和合金钢时，切削速度可达200m/min ，进给速度可达1600mm/min ；进行高速干式钻孔时切削速度可达15Om/min ，进给速度可达1200mm/min 。用细颗粒硬质合金制成的高速丝锥加工普通铸铁时，最高攻丝速度可达100m/min。表3 部分新型陶瓷刀具材料的物理性能及用途
| 牌号 | 密度
(g·cm-3) | 硬度
(HRC) | 抗弯强度
(MPa) | 断裂韧性
( MPa·m½) | 用途 | | LT55 | 4.96 | 93.7～94.8 | 900 | 5.04 | 适于加工多种钢(55HRC)和铸铁，特别适于加工超高强度钢和高硬铸铁 | | SG-4 | 6.65 | 94.7～95.3 | 850 | 49.4 | 适于加工各种钢和铸铁，特别适于加工淬硬钢(60～65HRC) | | JX-1 | 3.63 | 94～95 | 700～800 | 8.5 | 适于加工高温镍基合金 | | JX-2 | 3.73 | 93～94 | 650～750 | 8.0～8.5 | 最适于加工纯镍和高镍合金 | | LP-1 | 4.08 | 94～95 | 800～900 | 5.2 | 适于加工各种钢和铸铁 | | LP-2 | 3.94 | 94～95 | 700～800 | 7～8 | 适于断续切削加工各种钢和铸铁 | | LD-1 | 4.79 | 93.5～94.5 | 700～860 | 5.8～6.5 | 适于断续切削加工各种钢和铸铁 | | LD-2 | 6.51 | 93.5～94.5 | 700～860 | 5.8～6.5 | 适于断续切削加工各种钢和铸铁 | | FG-1 | 4.46 | 94～95 | 700～800 | 9.0 | 同LP-1 ，适于加工超高硬钢和高硬铸铁 | | FG-2 | 6.08 | 94.7～95.3 | 700～800 | 84 | 特别适于加工淬硬钢 | | FH-1 | 复合刀片 | 94～95 | 800～1000 | 5.3～5.8 | 特别适于加工超高硬钢和高硬铸铁 | | FH-2 | 94.7～95.3 | 5.3～5.8 | 特别适于加工淬硬钢和断续切削 |
2.2 国内高速切削刀具材料发展现状
目前国内最常用的刀具材料仍为高速钢和硬质合金，且以普通高速钢和普通硬质合金为主。硬质合金焊接刀具的应用仍十分普遍；铝高速钢、粉末冶金高速钢的使用很少；由于市场供应的国产高速钢质量下滑，使含钴高速钢刀具品质较差；高性能硬质合金及细(超细)颗粒硬质合金较少，几乎无专用牌号。我国的刀具涂层技术与国外相比差距较大，金刚石膜涂层技术尚处于研发阶段；尚无商品化TiCN涂层产品；TiAIN、MoS2涂层、纳米涂层等新技术尚待研究；具有优良耐磨性、抗高温、抗热震性的高速切削刀具材料也函待开发。国内对于陶瓷刀具的研究较为充分，已基本建立了融切削学和陶瓷学为一体的、基于切削可靠性的陶瓷刀具材料设计、研究理论新体系。国产氧化铝基陶瓷刀具已有近20个品种(部分产品性能及用途见表3) ，氮化硅基陶瓷刀具已有近10 个品种，陶瓷刀具的生产能力也较大。目前陶瓷刀具的研发水平已达到国际先进水平，陶瓷刀具的性能水平也不低于国外同类产品。已开发成功陶瓷—硬质合金复合刀片、梯度功能陶瓷刀片、多种采用协同增韧机理的陶瓷刀具等国外尚未见报道的新产品。目前与国外的差距主要表现在制造工艺水平较低，高精度陶瓷刀片和某些品种的陶瓷刀具(如加入氮化物的陶瓷刀具)质量欠佳，陶瓷刀具的推广应用也不如发达国家普遍。
国内已开发出可分别用于车削、镗削、铣削等加工领域的多种不同CBN含量的CBN刀具和不同颗粒尺寸的PCD刀具，其中CBN刀具主要用于高速加工淬硬钢、高硬铸铁及某些难加工材料，PCD刀具则用于加工铝合金。不足之处是品种规格不够齐全，某些产品质量欠佳，推广应用尚不普遍。
3 高速切削刀具技术现状
3.1 高速切削刀具系统的动平衡技术
刀具系统(刀刃—刀柄—刀盘—夹紧装置)不平衡会缩短刀具寿命，增加停机时间，并会增大加工表面粗糙度，降低工件加工尺寸精度和主轴轴承使用寿命。高速切削刀具系统的平衡更为重要。一般来说，对于小型刀具，平衡修正量只有百分之几克；对于紧密型刀具，采用静平衡即可；对于悬伸长度较大的刀具则必须进行动平衡。
引起高速切削刀具系统不平衡的主要因素有：刀具的平衡极限和残余不平衡度，刀具结构不平衡，刀柄不对称，刀具及夹头的安装(如单刃镗刀)不对称等。设刀具在距离旋转中心e(mm)处存在等效的不平衡质量m(g)，则刀具不平衡量U(g·mm)可定义为刀具不平衡质量与其偏心距的乘积，即U=m×e。设G为反映刀具平衡量与旋转速度n(r/min)之间关系的参数，则
式中：ω― 角速度
产生的惯性离心力兀(N )为
| Fe=me( | pn | )2×10-6=U( | pn2 | )×10-6 | | | | 30 | 30 |
| (2) |
图1为因刀具不平衡引起的离心力与主轴转速和刀具不平衡量的关系。离心力会使主轴轴承受到方向不断变化的径向力作用而加速磨损并引起机床振动，甚至可能造成事故。由图1可知，当主轴转速进一步提高时，惯性离心力将以平方倍数增大。因此，高速切削刀具(主要是旋转刀具)使用前除进行静平衡外还必须进行动平衡，应根据其使用速度范围进行平衡，以实现最佳加工效益。对高速切削刀具进行平衡时，首先需对刀具、夹头、主轴等各个元件单独进行平衡，然后对刀具与夹头组合体进行平衡，最后将刀具连同主轴一起进行平衡。推荐采用微调螺钉进行精细平衡，或直接采用内装动平衡机构的镗刀(见图2)通过转动补偿环移动内部配重以补偿刀具不平衡量。目前国内外尚无统一的刀具平衡标准，对采用ISO 1940-1标准中的G值作为平衡标准也有不同看法。国外一些企业以G1(即刀具以1000Or/min的转速回转时，回转轴与刀具中心轴线的偏心距为1µm)作为平衡标准；有的企业对转速6000r/min以上的高速切削刀具以G2.5作为平衡标准。高速切削旋转刀具和刀柄系统的平衡要求可参照图3所示的G1或G2.5标准。
图1 惯性离心力与主轴转速和刀具不平衡
图2 内装动平衡机构的镗刀
图3 高速切削旋转刀具和刀柄系统平衡要求
3.2 高速切削旋转刀具的刀柄系统
高速切削时，为使刀具保持足够的夹持力，以避免离心力造成刀具损坏，对刀具装夹装置也提出了相应的要求。加工中心等NC 机床多年来一直采用7:24 实心锥柄工具系统，这种实心锥柄具有以下缺点：① 由于只靠锥面结合，刀柄与主轴的联接刚性较低，尤其当主轴转速超过10000r/min 时，联接刚性的不足更为明显；② 当采用ATC( Automatic Tool Changing，自动换刀)方式安装刀具时，重复定位精度较低，难以实现高精度加工；③ 当主轴高速回转时，主轴前端在离心力作用下会发生膨胀，易导致主轴与刀柄锥面脱离，使径向跳动急剧增大(可达15µm ) , 从而降低刀柄接触刚度，且易发生安全事故。因此，传统的长锥刀柄不适宜用于高速切削加工。为解决这一问题，开发了采用锥部和主轴端面同时定位的双定位式刀柄(如德国的HSK空心刀柄、美国KM系列刀柄等)。此类刀柄通过锥部定心，并使机床主轴端面紧贴刀柄凸缘端面。这种刀柄安装时重复定位精度较高(轴向重复定位精度可达0.001mm) ，在高速转动产生的离心力作用下，刀柄会牢固锁紧，其径向跳动不超过5µm ，在整个转速范围内可保持较高的静态和动态刚性。因此，此类刀柄特别适合高速切削加工。表4 列出了HSK和KM刀柄的结构特点。表4 HSK 和KM刀柄的结构特点
| 刀柄类型 | HSK | KM | 结合部位 | 锥面+端面 | 锥度+端面 | 夹紧力传递方式 | 简夹 | 钢球 | 刀具 | HSK-63B | KM6350 | 基径 | Ø38mm | Ø40mm | 柄部形式 | 空心柄 | 空心柄 | 牵引力 | 3.5kN | 11.2kN | 夹紧力 | 10.5kN | 33.5kN | 过盈量(理论值) | 3～10µm | 10～25µm | 锥度 | 1/10 | 1/10 |
HSK 整体式刀柄采用平衡式设计，其刀柄结构形式有A、B、C、D、E、F型(见图4)。实际应用时，HSK5O 、HSK63 刀柄适用的主轴转速可达25000r/min，HSK100 刀柄适用的主轴转速可达12000r/min 。
图4 HSK 刀柄的结构类型
3.3 高速切削刀具的安全性
切削刀具安全性涉及的主要对象是高速旋转的铣刀和镗刀，尤其是高速铣刀，因为高速铣削是目前高速切削应用的主要工艺。加工实践表明，普通铣刀的结构和强度不能适应高速切削的要求，因此高速铣刀安全性的研究更具有紧迫性和现实性。德国在20世纪90年代初开始对高速铣刀安全技术进行研究，并取得了一系列实用性成果，制定了DIN6589-1《 高速铣刀的安全要求》 标准草案，其中规定了高速铣刀失效的试验方法和准则，该标准已成为高速铣刀安全性的指导性文件。高速切削用可转位铣刀的安全性除了刀体强度要求外，还包括对零件、刀片夹紧等的可靠性要求。高速切削时，离心力是造成铣刀破损的主要因素，防止离心力造成破坏的关键在于刀体应具有足够的强度。为了能在设计阶段对刀具结构强度在离心力作用下的受力和变形情况进行定性和定量分析，目前一般利用高速铣刀的有限元(FEM)模型来计算不同转速下应力的大小，模拟刀具失效过程，改进设计方案。在实际应用中，将模拟设计计算与离心力实验相结合，根据实验获得的刀具变形、刀片位移等数据建立FEM模型的边界条件。根据计算和实验，可转位铣刀在超高速切削中主要有两种失效形式：一种是夹紧刀片的螺钉被剪断，刀片或其它夹紧元件被甩飞；另一种是刀体爆碎。在多数情况下，首先出现前一种失效，即在较低转速时出现零件甩飞现象；随着转速进一步提高，达到刀体强度临界值时即出现后一种失效。图5所示为模拟计算显示的两种失效过程与转速的关系曲线。在静止状态下，刀片的夹紧力对刀体产生一个向心变形，随着转速增加，刀体发生弹性膨胀，刀片随刀体一起向外膨胀；同时刀片的离心力克服螺钉夹紧力，使向心夹紧力和变形量逐渐减小，直至完全脱离刀座的径向支撑，此时夹紧已完全失效，即达到图5所示曲线上的拐点，通过拐点后刀片开始迅速外移直至甩飞。
图5 失效过程与转速的关系曲线
3.4 高速可转位面铣刀的结构
根据铣刀安全性要求，用于高速切削(n＞600Or/min)的可转位面铣刀通常不允许采用摩擦力夹紧方式，而必须采用带中心孔的刀片，用螺钉夹紧。与安全性有关的刀片结构参数包括刀片中心孔相对螺钉孔的偏心量、刀片中心孔和螺钉的形状等，这些参数决定了螺钉在静止状态下夹紧刀片时所受预应力的大小。如预应力过大，有可能使螺钉发生变形，降低夹紧系统失效转速。刀具夹紧方式也可采用带卡位的空刀槽，以保证刀具的精确定位和高速旋转时的可靠联接。另外，刀片、刀座夹紧力方向最好与离心力方向一致。夹紧刀片时应施加规定的扭矩，并使用合格的夹紧螺钉，螺钉拧入前应涂敷润滑剂，以减少夹紧扭矩的损失，此外，螺钉必须定期检查和更换。
从安全性考虑，刀体的设计应减轻质量，减小直径，增加高度，选用比重轻、强度高的材料，目前，有的高速铣刀已采用高强度铝合金制造刀体。刀体上的槽(刀片槽、容屑槽、键槽等)会引起应力集中，降低刀体强度，因此铣刀结构应尽量避免采用贯通式刀槽，减少尖角，防止应力集中。同时，还应减少机夹零件的数量；刀体结构应对称于回转轴，使其重心通过铣刀轴线；对于不等分齿铣刀，应对刀体的质量分布作相应调整，使刀体膨胀比较均匀；刀片和刀座的夹紧、调整机构应尽可能消除游隙，且应保证良好的重复定位性 。图6、7、8分别为采用不同刀片夹紧结构的高速面铣刀及允许最大转速。
图6 刀片不带孔面铣刀
图7 刀片带孔面铣刀
图8 不同结构面铣刀的允许最大转速
3.5 高速切削刀具监测技术
刀具监测技术对于高速切削加工的安全性十分重要。刀具监测技术主要包括通过监测切削力以控制刀具磨损；通过监测机床功率以间接获得刀具磨损信息；监测刀具断裂(破损)等。目前国内外对高速切削刀具监测技术的研究及开发应用还不够充分。
4 结语
高速切削技术是一种先进制造技术，具有广阔的应用前景。高速切削刀具及其相关技术是实现高速切削加工的基本条件。因此，应重视和加强与高速切削相适应的刀具材料、刀具结构及刀具监控技术的研究和开发，建立高速切削刀具安全技术标准，努力提高我国机械制造业的切削加工效率和质量水平。 (end)
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(3/21/2007) |
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