高速切削

高速切削技术及刀具的发展现状综述

（中北大学，山西太原030051）

摘要:高速切削是先进制造技术中最重要的加工工艺之一,而刀具材料是实现这一工艺的关键,结合国内外研究情况, 概述了高速切削技术的特点.对高速切削刀具材料的种类、性能、发展和应用情况进行了综合评述,并总结了高速切削刀具材料当前的研究特点及发展趋势。关键词:高速切削;刀具材料性能;研究与应用；刀具材料

Overview of Present Situation of High-speed Cutting Technology and

Cutting Tool Development

CHEN Ying-jie

（North University of China，Taiyuan 030051，China）

Abstract:The high-speed cutting is one of most important processing crafts in the advanced manufacture technique, and the cutting tool material is the key for realizing this craft. This Paper discusses the characteristics of the high-speed cutting The synthesis narration of the high-speed cutting tool material type, performance, the development and the application situation has been carried on. The trend of development and current research characteristics of high-speed cutting tool material are summarized.

Key words:high-speed cutting; cutting tool material performance; research and application；cutting material

0引言

制造技术的全面进步把切削技术推向了高速切削的新阶段,高速切削作为一种新的切削工艺显示出独特的优越性。首先,切削效率成倍提高;其次,高速切削有利于提高产品质量、降低制造成本、缩短交货周期[1] [1]沈志雄.金属切削原理与刀具[M].北京:机械工人出版社, 2004.。事实上,高速切削技术是一个非常庞大而复杂的系统工程,它涵盖了机床结构设计和制造技术,高精度快速进给系统,高性能刀具夹持系统,高效高精度测试测量技术,高性能刀具产品及先进的切削技术等等。刀具是高速切削加工中重要的因素之一，它直接影响着加工效率、制造成本和产品的加工精度。刀具在高速加工过程中要承受高温、高压、摩擦、冲击和振动等载荷，高速切削刀具应具有良好的机械性能和热稳定性，即具有良好的抗冲击、耐磨损和抗热疲劳的特性[2][2] 赵炳桢，切削技术与刀具工业的新时代[J].机械制造，2004（6）45-46。1高速切削技术

1931年,德国科学家萨洛蒙首次提出高速切削技术的假想。萨洛蒙认为:切削温度与切削速度成正比,切削速度越大,切削温度越高,但是,当切削速度达到某一临界速度以后,切削温度反而降低。这一假想后来得到证实,并于上世纪末在工业中得到推广。

由于高速切削是一个相对的概念,因此至今无法给出一个明确的定义。简单地说,高速切削就是采用在一定范围的高的表面切削速度和进给速度快速去除材料的加工方法。一般说在高速切削下,切削速度和进给速度是普通切削的5倍以上。随着数控机床技术的发展,高速切削已经成为今后切削加工的主流。广泛应用于航空、国防、汽车以及精密模具的制造中。

高速切削技术是一项综合性高技术,按其内容、特点和相互关系,所涉及的技术领域包括:高速切削技术原理、高速切削基础技术、高速切削单元技术、高速切削总体技术。每项技术

下面又包含若干小模块,其具体组成情况如图2所示:

图2 高速切削技术体系

高速切削技术原理是通过高速切削、磨削实验和理论分析所揭示出的加工机理、加工过程的变形、力、温度、摩擦和磨损规律、高速加工条件下工艺系统各部分的稳定性、可靠性和弹性扩展特性分析,为高速切削技术提出基本要求和提供理论依据。基础技术和单元技术是实现高速切削的关键所在,包括材料技术、构件/元件及部件的设计和制造技术、控制和监测方法。应用了许多技术领域(如机械、电气、轴承、控制等)的最新成果,集中体现了高速切削技术高性能、高精度、高可靠性和高速度的特点。高速切削的总体技术是各单元技术按应用特征和技术性能的总集成。戴丽玲,孙学强。高速切削技术体系与高速切削参数的研究。昆明大学学报2006, 17 (4): 19~21

2高速切削对刀具材料的要求

刀具切削性能的好坏,取决于构成刀具的材料、几何参数及其结构,其中刀具材料对刀具耐用度、加工效率和加工质量等的影响最大.由于高速切削所采用的速度比常规切削速度高几倍甚至十几倍,切削温度很高.因此,高速切削对刀具材料提出了更高的要求.高速切削刀具的失效主要是由于刀具材料的热性能(包括熔点、耐热性、抗氧化性、高温力学性能、抗热冲击性能等)不足所引起的.高速干切削和硬切削加工黑色金属的最高速度主要受限于刀具材料的耐热性.如:加工钢和铸铁等黑色金属时,最高速度只能达到加工铝合金的1/3、1/5,原因是切削热使刀尖发生热破损:而高速铣削中则会产生厚度变化的断续切屑,它们都会导致刀具内热应力高频率地周期变化,加速刀具的磨损.因此,高速切削除了要求刀具材料具备普通刀具材料的一些基本性能之外,还突出要求刀具材料具备高的耐热性、抗热冲击性、良好的高温力学性能及高的可靠性.

高的可靠性高速切削一般在数控机床或加工中心上进行,要求刀具材料必须十分可靠,否则,将会增加换刀时间,降低生产率,使高速切削失了意义.另外刀具可靠性差还将产生废品,损坏机床与设备,甚至造成人员伤亡.因此,刀具的可靠性问题是高速切削成功应用的关键技术之一.

高的耐热性、抗热冲击性能和高温力学性能高速切削时切削温度很高,因此,要求刀具材料熔点高、氧化温度高、耐热性好、抗热冲击性能强,且具有很高的高温力学性能,如:高温强度、高温硬度、高温韧性等[3]. [3]张宝忠.高速切削加工技术与刀具材料[J].机械制造,2004(6):62-63.

高速切削刀具材料能适应难加工材料和新型材料加工的需要随着技术的发展,对工程材料提出了愈来愈高的要求,各种高强度、高硬度、耐腐蚀和耐高温的工程材料愈来愈多的被采用.他们中多数属于难加工材料,据统计目前难加工材料已占工件的40%以上.因此,高速切削刀具应能适应难加工材料和新型材料加工的需要[4]. [4]杨德一,张孝华,孙志建.高速切削加工技术及其应用[J].机械, 2007(8):31-33.

3数控刀具的使用现状

当前使用的金属切削刀具材料主要有五类：高速钢、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼（CBN）、