高速數(shù)控切削加工中的刀具研究

黃曉波

摘要：高速數(shù)控切削加工已成為機(jī)械制造的主流發(fā)展方向。高速切削時(shí)，隨著切削速度的提高，切削力逐漸減小，切削溫升逐漸趨緩，加工表面質(zhì)量提高，加工成本降低。為實(shí)現(xiàn)切削加工的高速化，必須研究及開發(fā)與高速切削相適應(yīng)的刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)及刀具監(jiān)控技術(shù)。

關(guān)鍵詞：高速切削；刀具；數(shù)控加工

中圖分類號(hào)：TG659文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-8937（2011）22-0096-01

高速切削刀具是實(shí)現(xiàn)高速數(shù)控加工技術(shù)的關(guān)鍵。刀具技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高速數(shù)控切削加工的關(guān)鍵技術(shù)之一，不合適的刀具會(huì)使復(fù)雜、昂貴的機(jī)床或加工系統(tǒng)完全不起作用。由于高速切削的切削速度快，而高速加工線速度主要受刀具限制，因?yàn)樵谀壳皺C(jī)床所能達(dá)到的高速范圍內(nèi)，速度越高，刀具的磨損越快。因此，高速切削對刀具材料提出了更高的要求，除了具備普通刀具材料的一些基本性能之外，還應(yīng)突出要求高速切削刀具具備高的耐熱性、抗熱沖擊性、良好的高溫力學(xué)性能及高的可靠性。目前常用的高速切削刀具材料有：聚晶金剛石（PCD）、立方氮化硼（CBN）、陶瓷、涂層刀具、超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金等刀具材料。

1高速切削刀具材料

金剛石刀具材料。金剛石刀具具有硬度高、抗壓強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性及耐磨性好等特性，可在高速切削中獲得很高的加工精度和加工效率。金剛石刀具分為天然金剛石和人造金剛石刀具。天然金剛石價(jià)格昂貴，加工焊接非常困難，除少數(shù)特殊用途外，很少作為切削工具。近年來開發(fā)了多種化學(xué)機(jī)理研磨金剛石刀具的方法和保護(hù)氣釬焊金剛石技術(shù)，使天然金剛石刀具的制造過程變得比較簡單，因此在超精密鏡面切削的高技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，天然金剛石起到了重要作用。

立方氮化硼刀具材料。立方氮化硼（CBN）是硬度僅次于金剛石的超硬材料。雖然CBN的硬度低于金剛石，但其氧化溫度高達(dá)1360℃，且與鐵磁類材料具有較低的親和性。因此特別適合加工高硬度、高韌性的難加工金屬材料。PCBN刀具是能夠滿足先進(jìn)切削要求的主要刀具材料，是用于硬態(tài)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鋼、鑄鐵、高溫合金以及表面噴涂材料等。國外的汽車制造業(yè)大量使用PCBN刀具切削鑄鐵材料。

陶瓷刀具。與硬質(zhì)合金相比，陶瓷材料具有更高的硬度、紅硬性和耐磨性。因此，加工鋼材時(shí)，陶瓷刀具的耐用度為硬質(zhì)合金刀具的10～20倍，其紅硬性比硬質(zhì)合金高2～6倍，且化學(xué)穩(wěn)定性、抗氧化能力等均優(yōu)于硬質(zhì)合金。陶瓷刀具材料的強(qiáng)度低、韌性差，制約了它的應(yīng)用推廣，而超微粉技術(shù)的發(fā)展和納米復(fù)合材料的研究為其發(fā)展增添了新的活力。陶瓷刀具是最有發(fā)展?jié)摿Φ母咚偾邢鞯毒撸壳耙岩鹗澜绺鲊闹匾?。在德國約70%加工鑄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總量的8%～l0%。

涂層刀具。涂層材料的發(fā)展，已由最初的單涂層，經(jīng)歷了復(fù)合涂層和多元復(fù)合涂層的發(fā)展階段，現(xiàn)在最新發(fā)展了TiN/NbN、TiN/CN等多元復(fù)合薄膜材料，使刀具涂層的性能有了很大提高。硬質(zhì)涂層材料中，工藝最成熟、應(yīng)用最廣泛的是TiN。

硬質(zhì)合金刀具材料。 細(xì)晶粒（1～0.5μm）和超細(xì)晶粒（<0.5μm）硬質(zhì)合金材料及整體硬質(zhì)合金刀具的開發(fā)，使硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度大大提高，可替代高速鋼用于制造小規(guī)格鉆頭、立銑刀、絲錐等量大面廣的通用刀具，其切削速度和刀具壽命遠(yuǎn)超過高速鋼。整體硬質(zhì)合金刀具的使用可使原來采用高速鋼刀具的大部分應(yīng)用領(lǐng)域的切削效率顯著提高。細(xì)晶粒硬質(zhì)合金的另一優(yōu)點(diǎn)是刀具刃口鋒利，尤其適于高速切削粘而韌的材料。

2高速切削旋轉(zhuǎn)刀具的刀柄系統(tǒng)

在高速切削中，刀體結(jié)構(gòu)和刀片夾緊結(jié)構(gòu)都受到很大的離心力作用為使刀具保持足夠的夾持力，刀具在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)充分考慮高速切削加工的特殊性，刀體材料重量要輕，要考慮刀具的動(dòng)平衡性，刀具/刀片的夾緊應(yīng)可靠。加工中心等NC 機(jī)床多年來一直采用7:24 實(shí)心錐柄工具系統(tǒng)，這種實(shí)心錐柄具有以下缺點(diǎn)：由于只靠錐面結(jié)合，刀柄與主軸的聯(lián)接剛性較低，尤其當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速超過10 000 r/min 時(shí)，聯(lián)接剛性的不足更為明顯；當(dāng)采用ATC（ Automatic Tool Changing，自動(dòng)換刀）方式安裝刀具時(shí)，重復(fù)定位精度較低，難以實(shí)現(xiàn)高精度加工；當(dāng)主軸高速回轉(zhuǎn)時(shí)，主軸前端在離心力作用下會(huì)發(fā)生膨脹，易導(dǎo)致主軸與刀柄錐面脫離，使徑向跳動(dòng)急劇增大（可達(dá)15 ?滋m），從而降低刀柄接觸剛度，且易發(fā)生安全事故。因此，傳統(tǒng)的長錐刀柄不適宜用于高速切削加工。為解決這一問題，開發(fā)了采用錐部和主軸端面同時(shí)定位的雙定位式刀柄（如德國的HSK空心刀柄、美國KM系列刀柄等）。此類刀柄通過錐部定心，并使機(jī)床主軸端面緊貼刀柄凸緣端面。這種刀柄安裝時(shí)重復(fù)定位精度較高（軸向重復(fù)定位精度可達(dá)0.001 mm），在高速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力作用下，刀柄會(huì)牢固鎖緊，其徑向跳動(dòng)不超過5 ?滋m，在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可保持較高的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)剛性。因此，此類刀柄特別適合高速切削加工。

3高速切削刀具監(jiān)測技術(shù)

刀具監(jiān)測技術(shù)對于高速切削加工的安全性十分重要。刀具監(jiān)測技術(shù)主要包括通過監(jiān)測切削力以控制刀具磨損；通過監(jiān)測機(jī)床功率以間接獲得刀具磨損信息；監(jiān)測刀具斷裂（破損）等。目前國內(nèi)外對高速切削刀具監(jiān)測技術(shù)的研究及開發(fā)應(yīng)用還不夠充分。由于聲發(fā)射信號(hào)對刀具載荷比較敏感，因此MyeonyChang Kang等利用聲發(fā)射對高速切削中的刀具狀況和刀具磨損進(jìn)行監(jiān)測，并取得了較好的效果。另外Jean-Ha Kim等利用數(shù)碼照相機(jī)和專用夾具進(jìn)行高速切削刀具磨損的研究。

4結(jié)語

隨著先進(jìn)制造技術(shù)及材料技術(shù)和納米技術(shù)的發(fā)展，新的多元、復(fù)合、納米級(jí)的硬質(zhì)涂層及CVD金剛石薄膜等功能材料、超硬刀具材料、陶瓷刀具、涂層刀具等將得到廣泛應(yīng)用，高速切削刀具系統(tǒng)將日趨完善，成為推動(dòng)高速數(shù)控切削加工的重要組成部分。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊國權(quán),李國和,蔡玉俊.模具高速切削刀具技術(shù)研究概況[J].鍛壓技術(shù),2005,(2).

[2] 肖壽仁,高鳴智,鄧曉春.高速切削刀具材料應(yīng)用進(jìn)展[J].有色金屬,2008,(1).

[3] 李波.高速數(shù)控切削用刀柄工具系統(tǒng)[J].機(jī)床與液壓,2010,(1).

[4] 劉虹,周玉蓉.高速切削技術(shù)在數(shù)控加工中的應(yīng)用[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2011,(2).