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高速切削和干切削技术推动刀具快速发展 |
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作者：叶伟昌 叶毅 来源：雅式工业专网 |
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高速切削和干切削已发展成为现代切削加工技术的重要趋势，有力推动着刀具材料和结构，以及刀具装夹结构等先进切削技术的日新月异和推广应用。
随着数控机床和加工中心等高效设备应用的日渐普及，在航空航天、汽车、高速列车、风电、电子、能源、模具等装备制造业的空前发展推动下，切削加工已迈入了一个以高速、高效和环保为标志的高速加工发展的新时期—现代切削技术阶段。
高速切削、干切削和硬切削作为当前切削技术的重要发展趋向，其重要地位和角色日益凸显。对这些先进切削技术的应用，不仅令加工效率成倍提高，亦着实推动了产品开发和工艺创新的进程。例如，精密模具硬质材料的型腔，采用高转速、小进给量和小吃深加工，既可获得很高的表面质量，又能够省却磨削、EDM和手工抛光或减少相应工序的时间，从而缩短生产工艺流程，提高生产率。
过去一些企业制作复杂模具时，基本上都需要3~4个月才能交付使用，而现在采用高速切削加工後，半个月便可完成。据调查，一般的工模具，有60%的机加工量可用高速加工工艺来实现。
图1 应用山高CBN300加工机床床身导轨（切削速度380m/min、进给量0.42mm/tooth、切削深度0.4mm，无冷却液），验证其刀具寿命超出黑色陶瓷30倍。
高速加工时，不但要求刀具可靠性高、切削性能好、能稳定地断屑和卷屑、还要能达成高精度，并能实现快换或自动更换等。因此，对刀具材料、刀具结构、以及刀具的装夹都提出了更高要求。
对刀具材料的要求
高速加工刀具最突出的要求是，既要有高的硬度和高温硬度，又要有足够的断裂韧性。为此，须选用细晶粒硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷、聚晶金刚石（PCD）和聚晶立方氮化硼（PCBN）等刀具材料—它们各有特点，适应的工件材料和切削速度范围也都不同。例如，高速加工铝、镁、铜等有色金属件，主要采用PCD和CVD金刚石膜涂层刀具。高速加工铸件、淬硬钢（50~67HRC）和冷硬铸铁主要用陶瓷刀具和PCBN刀具。
上海大众汽车有限公司采用Seco刀具(上海)公司生产的立方氮化硼CBN300刀片面铣刀，在柔性生产线上高速铣削发动机缸体平面(铸件)，切削速度高达1600m/min，进给速度5000mm/min。用PCD刀具加工铝合金的切削速度一般为3000-4000m/min，最高更可达7500m/min。而用陶瓷和PCBN刀具加工淬硬钢和冷硬铸铁时的切削速度已达200m/min。
1. 硬质合金已迈入细晶粒超细晶粒阶段
涂层硬质合金刀具（如TiN、TiC、TiCN、TiAlN等）虽其加工工件材料范围广，但抗氧化温度一般不高，所以通常只宜在400-500m/min的切削速度范围内加工钢铁件。对於Inconel 718高温镍基合金可使用陶瓷和PCBN刀具。据报道，加拿大学者用SiC晶须增韧陶瓷铣削Inconel 718合金，推荐最佳的切削条件为：切削速度700m/min，吃深为1-2mm，每齿进给量为0.1-0.18mm/z。
目前，硬质合金已进入细晶粒(1-0.5μm)和超细晶粒(<0.5μm)的发展阶段，过去细晶粒多用於K类(WC+Co)硬质合金，近几年来P类(WC+TiC+Co)和M类(WC+TiC+TaC或NbC+Co)硬质合金也向晶粒细化方向发展。
以往，为提高硬质合金的韧性，通常是增加钴(Co)的含量，由此带来的硬度降低如今可以通过细化晶粒得到补偿，并使硬质合金的抗弯强度提高到4.3GPa，已达到并超过普通高速钢(HSS)的抗弯强度，改变了人们普遍认为P类硬质合金适於切钢、而K类硬质合金只适於加工铸铁和铝等有色金属的选材格局。
采用WC基的超细晶粒K类硬质合金，同样可加工各种钢料。细晶粒硬质合金的另一个优点是刀具刃口锋利，尤其适於高速切削粘而韧的工件材料。以日本不二越公司开发的AQUA麻花钻为例，其用细晶粒硬质合金制造，并涂覆耐热、耐摩擦的润滑涂层，在高速湿式加工结构钢和合金钢（SCM）时，切削速度200m/min，进给速度1600mm/min，加工效率提高了2.5倍，刀具寿命提高2倍；干式钻孔时，切削速度150m/min，进给速度1200mm/min。
2. 涂层提升到开发厚膜、复合和多元涂层的新阶段
现如今，涂层已进入到开发厚膜、复合和多元涂层的新阶段，新开发的TiCN、TiAlN多元超薄、超多层涂层(有的超薄膜涂层数可多达2000层，每层厚约1nm)与TiC、TiN、Al2O3等涂层的复合，加上新型抗塑性变形的基体，在改善涂层的韧性、涂层与基体的结合强度、提高涂层的耐磨性方面有了重大进展，全面提高了硬质合金的性能。
涂层刀具已成为现代切削刀具的标志，在刀具中的使用比例达到60%。涂层硬质合金刀具的产品现已呈现品牌化、多样化和通用化的趋向。例如，德国施耐尔（Schnell）公司用纳米技术推出的一种超长寿命LL涂层立铣刀，用其加工零件硬度超过70HRC淬硬模具钢材时，刀具寿命可延长2-3倍。
瑞典Sandvik公司新推出的3种涂层刀片（GC4225、GC4240、GC1030）具有较广的通用性，GC4225（突破一号）作为GC4025（P25）牌号的升级产品，用其加工汽车曲轴钢锻件时，在相同切削条件下的刀具寿命为每个切削刃可加工41个零件，而GC4025每个切削刃能加工的零件数目为14个。
山高（Seco）Jabro全新推出的整体硬质合金通用加工铣刀Solid2 系列刀具不仅采用了新材质，更导入新的涂层，可适用的加工温度由普通刀具的800摄氏度提高到了现有的1100摄氏度，显着提高了加工效率和刀具寿命。同时，Solid2 系列均采用了刃口钝化处理和径向全周铲背处理技术，使得刀具的涂层与材质结合更加完美，刀具的可重磨次数也大幅提高。
美国Kennametal公司推出的H7刀片系TiAlN涂层，专为高速铣削合金钢、高合金钢和不锈钢而设计。而德国Guhring公司推出的商品名为“Fire”的孔加工刀具涂层，则是一种通用性的复合涂层—融汇有TiN、TiCN和TiAlN三种涂层，兼具这三种涂层材料的优点，既适用於干切削和硬切削，也适合普通切削。
特别值得强调的是，近几年发展起来的在硬质合金表面涂覆金刚石的技术，使硬质合金不仅在黑色金属领域，而且在有色金属领域中的切削效率获得了全面提高。由此可知，硬质合金今後仍将是制作高速加工刀具的主要基体材料。
目前，美国、瑞典和日本都相继推出了金刚石涂层的丝锥、钻头、立铣刀和带断屑槽可转位刀片（如Sandvik公司的CD1810和美国Kennametal公司的KCD25牌号）等产品，用於有色金属和非金属材料的高速精密加工。而另一种适於加工钢铁材料的CBN涂层也已开发成功，并正走向工业试用阶段。
对刀具几何参数和断屑槽的要求
1. 几何参数
高速切削和干切削时，刀具的主要失效原因是月牙洼磨损和刀尖处的热磨损。这是由於刀具与切屑、以及刀具与工件接触区界面上温度较高所引起的。因此，高速加工比普通切削加工时的刀具前角要取得稍大一些，以降低切削区温度，并在刃口上作出负倒棱。
为防止刀尖处热磨损，主副切削刃连接处应采用修圆刀尖或倒角刀尖，以增大刀尖角，加大刀尖附近刃区切削刃的长度和刀头材料的体积，以提高刀具刚性和减少切削刃破损的概率。
美国Carboloy公司推出的一种适於干切削用的ME-13新型硬质合金刀片，其具有大前角（达34°）、加强刃并有一个带筋的前刀面，显着减少了切屑与刀片前刀面之间的接触面积，使产生热量被切屑带走。据称，这种刀片工作时的温度比传统刀片要低400℃，能显着减小切削力并使刀具寿命提高一倍以上。该公司用大前角的涂层硬质合金齿冠立铣刀高速铣削硬度高达55HRC模具钢时，切削速度120m/min，进给速度7.6m/min，轴向吃深0.51mm，径向吃深0.25mm，采用干式切削，刀具使用寿命则长达1.5h。
国外还开发了带正前角的螺旋形切削刃铣削刀片，使刀具有更合理的几何参数，刀片沿切削刃几乎有恒定不变的前角，背前角或侧前角可由负变正或由小变大，切削更加轻快平稳，使可转位面铣刀、立铣刀和槽铣刀的切削性能提高到一个新的水平，刀具寿命可提高50%-250%，切削效率提高30%-40%。
美国一家公司采用这种新型刀片制作的立铣刀干铣削17-4PH不锈钢的周边，切削用量为：铣削速度304m/min，进给速度1270mm/min，每齿进给量为0.14mm/z，20S去除余量36cm3。
2. 断屑槽型
为能稳定地断屑和卷屑，刀片上须作出合适的断屑槽型。目前，可转位刀片上三维曲面断屑槽型的设计和制造技术已较为成熟，针对不同的工件材料和不同的切削用量，业已开发出相应的通用断屑槽型系列。
如瑞典Sandvik公司推出的R、M和F等槽型系列（钢材粗加工、半精加工和精加工相应采用PR、PM和PF的槽型，切不锈钢时用MR、MM和MF的槽型，切铸件和有色金属用KR、KM和KF的槽型），以及以色列Iscar公司以“霸王刀”为典型的槽型设计都独树一帜。
这些刀片上断屑槽的断屑范围宽，适应性好。它们都具有空间切削刃和曲面前刀面，切削刃上的法前角可调整为零度或负值，而工作前角为合适的正值，所以切削力小，刃口强度高，抗高速时的磨损能力强，预示着高速加工刀具刃形结构发展的方向。
开发与采用新型刀具，以适应现代切削技术需求
近几年来，工具行业为汽车和摩托车、高速列车、航空航天和模具等行业开发的各种新型刀具，具有高效或创新工艺的特点，对推动这些行业加工技术的进步起到了重要作用。
1. 应对用户行业需求 各领先公司频推新品
如德国Guhring公司推出的加工铝合金缸盖用的成套刀具(包括面铣刀、导管孔阀门座复合镗刀、阶梯孔镗刀、整体硬质合金直槽钻、阶梯钻、鍃钻等)；日本东芝公司的高效陶瓷铣刀、金刚石铣刀(铣削速度高达4000 m/min)及硬质合金孔加工刀具；Sandvik公司推出的CoroPak08.1新一代高效刀具（覆盖了铣削、车削和钻削等领域），如CoroMill 490高效方肩铣刀，一次走刀即可生产出成品（最大吃深可达5.5mm），也可用於轮廓加工和刃边切削，甚至用於槽铣。
还有Iscar公司新研发的SUMO(束魔)全系列刀具产品，如用於模具加工而能替代高速钢(HSS)立铣刀和整体硬质合金立铣刀的变形金刚立铣刀、适於铣深腔（切深达8 mm）的风火轮铣刀，以及高进给率密齿型铣刀（用迷你型蝴蝶刀片）、可高效铣削的UPGRADE铣刀、能同时完成粗精加工的波形刃立铣刀；日立公司新研发的ASR多刃型高进给圆弧角铣刀，能对模具型腔进行小切深高进给加工，用Φ32mm-5刃圆弧角铣刀（使用JX1045超润滑涂层刀片）铣削40CrMnMo7钢材时，切削用量为：铣削速度300m/min（转速3000r/min），进给速度为过去2刃铣刀的2.5倍，可达50m/min，每齿进给量3.3mm/z，切深0.3mm。
山高车削新材质等级TP3500已於近日全新推出，这使得该公司用於ISO P应用领域（钢件车削）的DuratomicTM材质等级系列进一步得到充实。TP3500的良好韧性能满足更多客户的需求，它提供的韧性水平同样也适於ISO M应用领域（不锈钢车削）。
TP3500在各种加工(从精加工到重载断续切削)中均能发挥出同样的高超性能。无论是处理粗加工和断续车削、小零件车削还是不锈钢车削，即便是恶劣的工况，新型Duratomic TP3500材质等级的高韧性都将确保加工的高效率。TP3500可靠、通用，而且干、湿加工均可。因此，它是采用混合生产时的一个理想选择。
值得一提的是，为满足汽车制造业和其它行业不断增长的需求，Kennametal集团旗下德国WIDIA公司开发出了一系列成套高效刀具。在加工曲轴方面，它拥有曲轴内铣、曲轴高速外铣、车拉、车车拉等各种高效专用刀具。如采用多排车车拉刀具，可32秒加工出一根曲轴，据称世界上已有1800多个用户在使用WIDIA公司专用刀具进行曲轴生产。
美国Kennametal公司近年来推出的SPF钻头和Harvi ⅡTM系列整体立铣刀，深受用户青睐，前者适於加工航空航天工业中的碳纤维强化聚合物基复合材料（CFRP），这种材料大量地使用在机翼、机身、尾翼、推进和着陆等装置中。
SPF钻头的钻尖具有特殊几何形状，使得钻头定心性好且令刃口十分锋利，避免了钻孔时产生分层和纤维不能切断的现象；钻头的基体材料为整体硬质合金，表面是多层光滑的CVD金刚石涂层，故其耐磨性高、排屑性能好，钻头的使用寿命可达普通PCD（聚晶金刚石）钻的2倍以上。
Harvi ⅡTM系列整体立铣刀是加工不锈钢及钛合金、镍基合金等耐加工材料的专用刀具，其特点是5刃、38°大螺旋角、带刀尖圆角、刃间非对称设计、刃沟截面形状为抛物线、采用AlTiN(MT) 涂层，因此能适应高效率加工。
与此同时，一些非常通用、经济且高效的刀具也以其能够为用户带来最大经济效益的竞争优势，成为领先性厂商热推的新品。山高於今年10月全新推出的Double Octomill双八面刃平面铣刀便是这样一款产品，它同时适用於粗、精加工。
这款双八面刃平面铣刀使用正前角刀片，刀片拥有16个切削刃。刀片座采用创新设计的HSS定位销，无需对刀仪就能使刀盘的跳动量处於很低的水平，而且高硬度的HSS定位销(HRC 65)能确保刀片座具有极长的使用寿命。大修光刃 (2mm)与极高精度结合的新型刀片设计使得轴向跳动量可达到最佳状态，故这种新型双八面刃铣刀帮助用户进一步缩短生产周期，并有效节约了成本。
Double Octomill双八面刃铣刀的硬镀层(HV 700)并不仅仅体现出刀具的高质量，其还能起到保护刀具避免磨损的作用，同时防止切屑焊到刀体上。该系列目前有三种不同齿距—正常齿距、疏齿和密齿，可为不同的机床和材料提供最优化的生产率。针对不同的齿距采用不同的刀片锁紧解决方案，使加工操作更简易且更具安全性。
2. 多功能刀具与特殊结构的刀具相继面世
利用数控机床的柔性和多功能刀具发展组合加工是当前切削加工的一个显着特点。
图2显示了多功能车刀（Kennametal）的加工原理图，其可完成车外圆、端面和镗孔等工作。日本三菱公司开发的OCTACOT多功能铣刀可安装八角形刀片或圆刀片，在加工中心上完成铣平面、沟槽、台阶、倒角、轮廓加工和斜面等多种加工。
图2 多功能车刀加工图
此外，还可采用一些特殊结构的刀具，如热管刀具和带高压内冷却通道刀具等来降低切削区温度，提高刀具使用寿命。
热管式车刀与热管式面铣刀也别具特色，它们的结构与普通外圆车刀和硬质合金面铣刀基本相同，所不同的是在车刀刀柄或铣刀的单个刀齿内部制成了热管。
热管刀具是一种自冷却刀具，它可大大降低切削温度（热管的热导率要比相当的银、铜棒高几百倍），提高冷却效果，故无需再从外部浇注切削液，尤其适於在数控机床、加工中心和自动生产线上应用。
刀具冷却通道的设计也是高速加工刀具结构设计的重要问题。因高速加工时会产生大量热量，而刀具材料的耐热性是有限的，因此采用高压冷却液并通过刀具的供液（油）通道输送到切削区，冷却润滑刀具的切削部位，是提高刀具寿命及其可靠性的有效途径。近几年来，带内冷却供液(油)通道的刀具已从深孔加工刀具扩展到普通浅孔钻、铰刀和立铣刀等产品上。
例如，Seco刀具公司推出的可更换硬质合金头部的钻头（头部有三种钻型：P型牌号的头部适於切钢，K型适於切铸铁和铝件，M型适於加工高强度钢和耐腐蚀钢）。日本使用的TiN涂层硬质合金单刃铰刀（切削速度高达150-400m/min），它们都是有内冷却供液孔的，并且规格越来越小。据报道，日本三菱公司采用特殊工艺制作的带油孔的MZS硬质合金小钻头，其直径可小到3-4.5mm，油孔直径为0.4-0.6mm。即使切削条件很差的切断刀，目前也有采用这种冷却方法的。供液方式可通过机床主轴或刀夹来实现。
对刀具装夹的要求
高速加工条件下，刀具与机床联接界面的结构非常重要，刀具的装夹要牢靠，工具系统应有足够的整体刚性，切削头须能快换。回转刀具的装夹结构除应满足一般切削要求之外（如力和转矩的传递），还应具有高的定位精度和联接刚性，并尽量减小径向尺寸和质量。
因此，对直线运动刀具，须使用杠杆式和上压式相结合的高刚性夹紧机构。对回转的带柄刀具，不能采用弹簧夹头和螺钉等传统的刀具装夹方法，须用高精度的液压夹头（如德国开发的1:10短锥空心锥柄自动快换夹头）、热缩夹头、三棱静压夹头、内装动平衡机构的刀柄、转矩监控夹头等新品。目前，各种夹头已成为专业化工具厂生产高速切削刀具的配套产品。
例如Sandvik公司的CoroGrip夹头、日本NT公司的热缩夹头(适用转速可达70000r/min)和“零跳动夹头”(刀具的径向圆跳动≤2µm)，以及CT?
V-G铣刀夹头(最高转速可达30000 r/min)等都是与刀具配套供应的。
图3为SCHUNK公司生产的三棱静压夹头，利用夹头本身的变形力来夹紧刀具，定位精度≤3μm。
图3 三棱静压夹头
该夹头在自由状态下其内孔为三棱形，三棱的内切圆直径小於要装夹的刀柄直径，利用一个液压加力装置，对夹头施加外力，使夹头变形，内孔变为圆孔，孔径略大於刀柄直径，此时插入刀柄，然後卸掉所加外力，内孔重新收缩成三棱形，对刀柄实行三点夹紧。此夹头结构紧凑、对称、精度高，与热缩夹头比较，刀具装卸简单，其加力装置也比加热冷却装置简单。
为保证高速精密切削时的加工精度和可靠性，刀具装夹到机床主轴上之前须先进行动平衡，以确保加工系统的安全性。Epb公司推出了一种内装动平衡机构的工具系统刀柄，可通过转动补偿环移动内部配重，补偿刀具的不平衡量，而补偿环上的刻度可指示调节量。(end)
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(2/1/2010) |
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