高速切削加工的刀具技术研究

高文优，韩芙蓉

（郑州轻工业大学，河南 郑州 450066）

0 引言

高速切削加工是现代机械加工的基本方向，是满足加工高效率、高精度以及柔性化机械加工产业发展需求的必然趋势，能有效避免加工零件和切削刀具在加工中的温度升高频率较快。为了充分发挥高速切削加工技术的应用优势，要选取适当的刀具处理方案，从而减少切削力，有效规避加工中热变形以及振动现象，可以在一定程度上提升加工操作的精密度。

1 高速切削加工原理

高温环境会对刀具的硬度造成负面作用，严重制约整个切削加工的进程。并且，传统的刀具切削处理操作无论是刀具定位精度还是重复定位精度都不符合实际标准，加之刀具的动态性能、静态刚度有限，这就使得传统刀具系统不能符合高速切削加工的需求。基于此，要结合不同的切削类型或者是工件材料，确保能制定并且匹配切削加工速度区域[1]。

在上世纪三十年代，德国著名物理学家总结了切削加工“速度-温度”曲线（见图1），并且结合实际应用要求首次提出高速切削加工工艺，在常规化的切削速度应用范围内，温度会随着切削速度增大逐渐升高，超出切削温度会造成切削力超出刀具承受能力的情况，硬度降低甚至会出现剧烈磨损现象[2]。然而，匹配高速切削加工机制，能在将速度提高到一定范围内，增加切削速度不会造成切削温度的升高甚至会出现降低，低于刀具能承受的温度参数，大幅度减少切削时长，维持设备应用效率的同时，满足节能降耗的基本需求。

图1 切削加工“速度-温度”曲线

2 高速切削加工技术分析

为了能满足高速切削加工的应用要求，就要选取适当的切削刀具，确保能提升其承受的温度范围，有效缩小不能切削区域的范围，扩大应用时效性，也能为机床应用效率的优化提供保障。值得一提的是，在金属加工切削速度提升的时代背景下，金属切削形成过程与道具物理现象、化学现象息息相关，要整合高速切削加工模式，就要匹配更加合理的刀具选取机制，从而发挥刀具较好的力学性能和热稳定性能。

2.1 刀具材料技术

（1）涂层硬质合金技术。之所以选取硬质合金材料，不仅仅是因为材料自身具有硬度高、耐磨性能好的特点，也是因为其具备较好的抗冲击性能，相较于普通速度的金属切削刀具，硬质合金材料的应用能提升热稳定性，维持对应切削工艺流程的规范性。

第一，将硬质合金作为整个刀具材料技术处理的基础，覆盖一层或者是多层材料形成涂层结构，保证耐热性、硬度等基础参数都能满足标准，并且能尽量扩充切削范围，延长相关元件的应用寿命，最重要的是，涂层硬质合金技术处理后的刀具能适用于高速切削环境。比如，目前较为常见的就是碳钨为基体的涂层硬质合金。

第二，钛的化合物和铝的化合物等涂层硬质合金材料也具有一定的应用价值，需要涂层到2层-3层，从内向外形成较好的防御处理，具备抗摩擦性能、防扩散性能以及润滑性能等，从而真正意义上延长刀具的使用寿命，更好地提升刀具的实际切削能力。

（2）金属陶瓷材料。主要是将Ticn作为基体，能匹配对应的技术处理方案，形成较为优质的硬质合金材料。在应用金属陶瓷材料制备刀具后，刀具的整体承受效果更好，相较于碳化钨硬质合金，金属陶瓷材料的耐高温性以及耐磨性优势较为突出，这就大大延长了刀具的实际使用寿命[3]。

第一，金属陶瓷材料制备的刀具能提升加工的精密度和整洁度，被加工材料的表面较为光洁，优化了产品的外观质量，在充分发挥刀具应用优势的用时，也能顺利完成高速切削处理工序，这对于提升综合效益具有重要的意义，因此，具有一定的推广价值。

第二，金属陶瓷材料制备的刀具热稳定性较好，尤其是化学稳定性，在高温环境中，其自身的抗氧化效果和抗扩散性能都十分突出，实际切削操作结束后基本不会产生的积屑瘤或者是切削粘结刀具等问题，这就提升了操作模式的便捷性和质量水平，为维持整体材料应用效果提供了较好的保障[4]。

第三，在应用金属陶瓷材料时也要关注材料自身的特性，尤其是抗冲击性和韧性，相较于碳化钨等硬质合金，这方面还是存在一定的弱势。因此，在应用金属陶瓷材料时，要结合实际应用环境和应用需求匹配相关工作，确保能减少技术局限性造成的不良影响。值得一提的是，目前在碳钢、铸铁等切削深度不大或者是进给量适中的高速精加工处理模式中会应用金属陶瓷材料制作的刀具[5]。

除此之外，相关部门还在技术研究不断升级的基础上对金属陶瓷材料予以多元处理，纯钻为粘结剂的金属陶瓷刀具已经开始投入研发，能应用在加工高速钢项目中，在材料技术全面升级的时代背景下，金属陶瓷材料刀具研发项目也将向着更加多元的方向发展。

（3）聚晶立方氮化硼。在刀具材料研究工作中，立方氮化硼属于新兴材料研究领域，与聚晶金刚石较为相似，立方氮化硼材料也是在高温高压环境下完成人工合成的材料，晶体结构以及性能优势较为突出，并且，硬度高、导热性能好、热膨胀低等特性也为其应用范围提供了保障。与此同时，立方氮化硼材料的化学稳定性和热稳定性较好，尤其是在高温环境中，基本不会出现任何的化学反应，这方面的优势要远远高于金刚石结构，所以，若是要进行黑色金属加工处理，多数情况下都会采取立方氮化硼[7]。

而在材料技术发展进程全面增速的时代背景下，在原有立方氮化硼基础上研发聚晶立方氮化硼，则能更好地维持常规化切削速度，并且更有利于铸铁加工、耐热合金以及黑色金属零部件加工处理等工作。基于此，聚晶立方氮化硼被广泛应用在高速加工灰铸铁工件工作中，维持较好的切削效果，也能提升切削操作的安全性。例如，硬度参数为60HRC到65HRC之间的齿轮元件、轴承元件等，对精密度要求较高，并且要求表面质量整洁，因此，都会选取聚晶立方氮化硼材料的刀具完成切削处理工作。

2.2 刀具系统接口技术

（1）刀具-机床接口技术。主要指的是两面约束过定位夹持系统，不仅具备接触刚度优势，且重复定位精度较好，系统应用的是短锥柄和7:24长锥柄，能在提高刀柄和主轴连接效果的同时，维持切削速度的优化，满足高速加工的基本需求。另外，随着技术的发展和演进，锥度为1:10的短锥柄刀柄结构也逐渐发展起来，目前较为常见的是HSK、NT、BIG-PLUS等。例如，HSK的刀柄锥柄位置就是1:10中空短锥结构，在刀柄和主轴维持连接状态时，依托短锥刀柄就能在主轴锥孔位置确定中心，在拉紧力的作用下借助中空刀柄的弹性变形补偿端面0.1左右的间隙，实现约束性双面定位处理。

（2）刀具-刀柄接口技术。对于高速切削工艺而言，刀柄对刀具的夹持效果具有重要的意义。若是刀柄夹持刀具的稳定性不足，不仅会降低加工精度，也会造成刀具或者是工件的损坏，引发安全事故。目前，更加适宜应用在高速切削加工处理工艺中的刀具夹头分为以下几类：①热缩夹头。利用热胀冷缩维持刀具的可靠性夹紧效果。②高精度弹簧夹头，为聚晶金刚石，这种金刚石结构本身是精度较高的粘结剂，相较于天然的金刚石结构，聚晶金刚石本身并不存在明确的晶粒方向性，这就能提升其硬度的均匀效果[6]。并且，聚晶金刚石具备较低的热膨胀系数，所以，材料的导热性能优势较为突出。另外，聚晶金刚石的耐磨性能较好，将其应用在切削有色金属、非金属或者是合金材料时具有较为突出的优势。③高精度液压夹头，主要是BIG-PLUS刀具，利用的是两点夹持一体型结构，加持力和夹持精度较好。④高精度静压膨胀式夹头，利用拧紧加压螺栓的方式提升油腔内油压的方式更好地维持其应用效果。

3 高速切削加工的刀具技术发展趋势

在材料技术不断发展的基础上，刀具发展进程也在加快，不同专用性能刀具“翻新”速度较快，材料、涂层等多方面都呈现出多元趋势，并且刀具结构也在升级，向着更加合理且模块化的方向转型[8]。高速切削加工的刀具技术发展趋势见表1。

表1 高速切削加工的刀具技术发展趋势

4 结语

总而言之，在制造技术逐渐全球化发展的同时，制造业要提升行业竞争力，就要积极推进共性基础技术研究进程，全面整合技术方案，结合机械加工标准合理整合高速切削技术应用方案，进一步优化刀具材料、结构、涂层等方面的管控，从而优化切削加工的整体质量水平，为加工工艺系统效果升级提供支持，促进我国机械制造业可持续健康发展。