切削加工和刀具技术的现状与发展

切削加工和刀具技术的现状与发展

摘要:高速加工是以较快生产节拍进行加工，提高切削和进刀速度是高速加工技术的重要环节。高速加工技术的发展涉及到零科毛坯、刀具、机床、自动控制与检测等多种技术的综合优化，需要变革传统的机加工工艺路线。我国引进的轿车零部件数控自动生产线上已广泛应用高速加工技术，其主要目的是在确保产品质量的前提下，尽量缩短零件的机加工工艺路线，加快生产节拍(轿车发动机生产节拍已缩短为30秒)，满足轿车高质量、高速率、低成本、大批量、杜会化生产的技术要求。高速加工技术必将带动零件毛坯制造、刀具(工具)、数控机床、自动控制、在线检侧、材料等技术的发展与进步。随着我国制造业加快融人全球化生产制造体系，预计高速加工技术将在信息化、柔性化机械加工领域得到进一步发展和推广应用。

1、引言

对于机械零件而言，高速加工即是以较快的生产节拍进行加工。一个生产节拍：零件送进--定位夹紧--刀具快进--刀具工进(在线检测)--刀具快退--工具松开、卸下--质量检测等七个基本生产环节。而高速切削是指刀具切削刃相对与零件表面的切削运动(或移动)速度超过普通切削5～10倍，主要体现在刀具快进、工进及快退三个环节上，是高速加工系统技术中的一个子系统；对于整条生产自动线而言，高速加工技术表征是以较简捷的工艺流程、较短、较快的生产节拍的生产线进行生产加工。这就要突破机械加工传统观念，在确保产品质量的前提下，改革原有加工工艺(方式)：或采用一工位多工序、一刀多刃，或以车、铰、铣削替代磨削，或以拉削、搓、挤、滚压加工工艺(方式)替代滚、插、铣削加工…等工艺(方式)，尽可能地缩短整条生产线的工艺流程；对于某一产品而言，高速加工技术也意味着企业要以较短的生产周期，完成研发产品的各类信息采集与处理、设计开发、加工制造、市场营销及反馈信息。这与敏捷制造工程技术理念有相同之处。

2、现代切削技术的发展

20世纪90年代以来，激烈的市场竞争推动以机械制造技术为先导的先进制造技术以前所未有的速度和广度向前发展。高生产率和高质量是先进制造技术追求的两大目标。高速切削、精密和超精密切削是当前切削技术的重要发展方向，已成为切削加工的主流技术。

高速切削技术

高速切削的主要内容包括高速软切削、高速硬切削、高速干切削、大进给切削等。高速切削是一个相对概念，对其切削速度范围的界定目前国内外专家尚未达成共识。通常认为高

速加工时的切削速度比常规切削速度高5～10倍以上。

中国工程院院士艾兴教授在所作“高速切削刀具材料的发展及其合理应用”主题报告中指出，在高速切削时，随着切削速度的提高，切削力减小，切削温度的增加渐趋缓慢，生产效率和加工质量提高，从而可降低制造成本，缩短产品开发周期。高速切削大致可使切削力减小15%～30%，表面质量提高1～2级，切削速度和进给速度提高15%～20%，制造成本降低10%～15%。高速切削现已广泛应用于航空、航天、汽车、摩托车、模具、机床等工业中对钢、铸铁、有色金属及其合金、高温耐热合金、碳纤维增强塑料等复合材料的加工中，其中以铝合金和铸铁的高速加工最为普遍。目前高速加工各种材料的切削速度：普通钢和铸铁为500～2000m/min(钻、铰削100～400m/min，攻丝100m/min，滚齿300～600m/min)，淬硬钢(35～65HRC)为100～400m/min，结构铝合金为3000～4000m/min，高硅铝合金为500～1500m/min，镍基、钴基、铁基和钛合金等超级合金为90～500m/min。高速加工追求的切削速度目标为：铣削加工：铝及其合金为10000m/min，铸铁为5000m/min，普通钢为2500m/min；钻削加工(机床主轴转速)：铝及其合金为30000r/min，铸铁为20000r/min，普通钢为10000r/min。大进给目标：进给速度Vf=20～50m/min，每齿进给量fz=1.0～1.5mm/z。

高速切削技术不只是切削速度的提高，它的发展主要取决于刀具技术(包括刀具材料、涂层刀具结构、刀柄和装夹系统、刃磨和动平衡、检测和监控系统等)和高速机床技术(包括电主轴、直线电机进给系统、数控与伺服系统、轴承及润滑、刀库等)的进步，而正确选用刀具与机床经常起着决定性作用。德国Darmstadt工业大学H.Schulz教授在“高速切削机床”一文中详尽介绍了选用高速机床时应注意的问题，给与会代表很大启发。

随着环境保护法律法规的严格实施，作为绿色制造工艺的干切削日益受到人们的高度重视。据国外企业统计，在集中冷却加工系统中，切削液占加工总成本的14%～16%，刀具成本仅占2%～4%。据测算，如果20%的切削加工采用干式加工，制造总成本可降低1.6%。因此，干切削是未来切削加工的发展方向。目前倡导的干切削并不是简单地去掉原有工艺中的切削液，也不是消极地通过降低切削参数来保证刀具使用寿命，而需要采用耐热性更好的新型刀具材料及涂层，设计合理的刀具结构与几何参数，选择最佳切削速度，形成新的工艺条件。干切削是实现清洁高效加工的新工艺，是制造技术向高速切削发展总趋势的组成部分，也是随着人类社会进步和生产力发展而出现的新型切削方式，它的推广应用推动着刀具材料、涂层技术、机床结构、加工条件和刀具结构技术的不断发展。目前，干切削技术在车削、镗削和铣削上的应用日益广泛，在钻削、拉削和滚齿方面也有重大突破。上海大众汽车有限公司、上海交通大学、哈尔滨理工大学、哈尔滨工业大学等单位在“干切削及其应用”等有关论文

中详细介绍了干切削的机理和实施该工艺的途径，以及采用激光辅助加工干切削、使用最少量润滑液(MQL)的准干切削(Near Dry Cutting)、用压缩空气冷风切削以及采用氮气进行干切削等加工方法。

精密和超精密切削

发展尖端技术、国防工业和微电子工业都离不开通过精密和超精密加工制造的精密零件和产品。通常将加工精度在0.1～1μm，加工表面粗糙度在Ra0.02～0.1μm的加工称为精密加工；而将加工精度高于0.1μm，加工表面粗糙度小于Ra0.01μm的加工称为超精密加工。超精密加工可达到纳米(nm)级水平。该领域主要包含三个分支：①精密和超精密切削加工；

②精密和超精密磨削加工；③精密电子束和离子束等特种加工。

用金刚石刀具实施超精密切削已由过去只能加工铜、铝及其合金等有色金属，扩展到加工塑料、陶瓷和复合材料。为了切除极薄切屑，要求金刚石刀具切削刃的刃口半径p极小，经精密研磨的单晶天然金刚石刀具的刃口半径p<0.05～0.1μm，研磨质量高的甚至可达几个nm，可实现纳米级切削。

超精密切削技术是一项系统工程，其实施不仅需要超精密机床设备和刀具，还要求超稳定的工作环境、超精密测量、用计算机技术进行实时检测和误差补偿、以及掌握熟练的操作技能等。河北工业大学提出了“基于流体力学的超精密切削机理分析模型”，考虑了刀具几何形状(包括刀刃的刃口半径)及后刀面处工件弹性恢复的影响，研究了切削力的传递机理。北京天地东方超硬材料公司在“超精密金刚石刀具研磨技术的研究”论文中探讨了金刚石的晶体定向和晶面选择，并对影响研磨效率和研磨质量的几个主要工艺因素进行了试验研究。香港理工大学介绍了利用超精密测量技术及在加工中进行误差补偿而获得的具有亚微米级形状精度及纳米级表面粗糙度的非球面光学产品。该校拥有亚洲地区最先进的超精密加工中心，可为香港及大陆地区的精密模具制造商、光学产品制造商及计算机制造商提供加工服务及技术支持。黑色金属和钛合金材料的超精密切削难度较大，但近年来该技术也有较大进展。

3、刀具材料的发展

刀具材料的开发与应用是本次会议的重点议题。近十年来，随着高强度钢、高温合金、喷涂材料等难加工金属材料以及非金属材料与复合材料的应用日趋增多，现代刀具已不再局限于目前广泛使用的高速钢刀具和硬质合金刀具，陶瓷刀具、金刚石与立方氮化硼等超硬材料刀具、涂层刀具、复合材料刀具已成为今后的发展趋势，新型刀具材料的应用预示着切削效率将提高到一个新水平。