高速数控切削加工中的刀具研究

黄晓波

摘要：高速数控切削加工已成为机械制造的主流发展方向。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。

关键词：高速切削；刀具；数控加工

中图分类号：TG659文献标识码：A文章编号：1006-8937（2011）22-0096-01

高速切削刀具是实现高速数控加工技术的关键。刀具技术是实现高速数控切削加工的关键技术之一，不合适的刀具会使复杂、昂贵的机床或加工系统完全不起作用。由于高速切削的切削速度快，而高速加工线速度主要受刀具限制，因为在目前机床所能达到的高速范围内，速度越高，刀具的磨损越快。因此，高速切削对刀具材料提出了更高的要求，除了具备普通刀具材料的一些基本性能之外，还应突出要求高速切削刀具具备高的耐热性、抗热冲击性、良好的高温力学性能及高的可靠性。目前常用的高速切削刀具材料有：聚晶金刚石（PCD）、立方氮化硼（CBN）、陶瓷、涂层刀具、超细晶粒硬质合金等刀具材料。

1高速切削刀具材料

金刚石刀具材料。金刚石刀具具有硬度高、抗压强度高、导热性及耐磨性好等特性，可在高速切削中获得很高的加工精度和加工效率。金刚石刀具分为天然金刚石和人造金刚石刀具。天然金刚石价格昂贵，加工焊接非常困难，除少数特殊用途外，很少作为切削工具。近年来开发了多种化学机理研磨金刚石刀具的方法和保护气钎焊金刚石技术，使天然金刚石刀具的制造过程变得比较简单，因此在超精密镜面切削的高技术应用领域，天然金刚石起到了重要作用。

立方氮化硼刀具材料。立方氮化硼（CBN）是硬度仅次于金刚石的超硬材料。虽然CBN的硬度低于金刚石，但其氧化温度高达1360℃，且与铁磁类材料具有较低的亲和性。因此特别适合加工高硬度、高韧性的难加工金属材料。PCBN刀具是能够满足先进切削要求的主要刀具材料，是用于硬态切削、高速切削以及干式切削加工的理想刀具材料。PCBN刀具主要用于加工淬硬钢、铸铁、高温合金以及表面喷涂材料等。国外的汽车制造业大量使用PCBN刀具切削铸铁材料。

陶瓷刀具。与硬质合金相比，陶瓷材料具有更高的硬度、红硬性和耐磨性。因此，加工钢材时，陶瓷刀具的耐用度为硬质合金刀具的10～20倍，其红硬性比硬质合金高2～6倍，且化学稳定性、抗氧化能力等均优于硬质合金。陶瓷刀具材料的强度低、韧性差，制约了它的应用推广，而超微粉技术的发展和纳米复合材料的研究为其发展增添了新的活力。陶瓷刀具是最有发展潜力的高速切削刀具，目前已引起世界各国的重视。在德国约70%加工铸件的工序是用陶瓷刀具完成的，而日本陶瓷刀具的年消耗量已占刀具总量的8%～l0%。

涂层刀具。涂层材料的发展，已由最初的单涂层，经历了复合涂层和多元复合涂层的发展阶段，现在最新发展了TiN/NbN、TiN/CN等多元复合薄膜材料，使刀具涂层的性能有了很大提高。硬质涂层材料中，工艺最成熟、应用最广泛的是TiN。

硬质合金刀具材料。 细晶粒（1～0.5μm）和超细晶粒（<0.5μm）硬质合金材料及整体硬质合金刀具的开发，使硬质合金的抗弯强度大大提高，可替代高速钢用于制造小规格钻头、立铣刀、丝锥等量大面广的通用刀具，其切削速度和刀具寿命远超过高速钢。整体硬质合金刀具的使用可使原来采用高速钢刀具的大部分应用领域的切削效率显著提高。细晶粒硬质合金的另一优点是刀具刃口锋利，尤其适于高速切削粘而韧的材料。

2高速切削旋转刀具的刀柄系统

在高速切削中，刀体结构和刀片夹紧结构都受到很大的离心力作用为使刀具保持足够的夹持力，刀具在结构设计上应充分考虑高速切削加工的特殊性，刀体材料重量要轻，要考虑刀具的动平衡性，刀具/刀片的夹紧应可靠。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：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10 000 r/min 时，联接刚性的不足更为明显；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；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15 ?滋m），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0.001 mm），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5 ?滋m，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。

3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。由于声发射信号对刀具载荷比较敏感，因此MyeonyChang Kang等利用声发射对高速切削中的刀具状况和刀具磨损进行监测，并取得了较好的效果。另外Jean-Ha Kim等利用数码照相机和专用夹具进行高速切削刀具磨损的研究。

4结语

随着先进制造技术及材料技术和纳米技术的发展，新的多元、复合、纳米级的硬质涂层及CVD金刚石薄膜等功能材料、超硬刀具材料、陶瓷刀具、涂层刀具等将得到广泛应用，高速切削刀具系统将日趋完善，成为推动高速数控切削加工的重要组成部分。

参考文献：

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