硬態(tài)切削用刀具技術(shù)最新進(jìn)展

張耀

摘要：作為具有廣泛應(yīng)用前景的加工工藝，硬態(tài)切削以其加工柔性好、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性好等特點(diǎn)，在汽車、模具等行業(yè)被廣泛應(yīng)用。該工藝成功實(shí)施的關(guān)鍵因素是刀具的合理選擇及其性能的發(fā)揮。該技術(shù)近年來發(fā)展迅速，諸多人員和機(jī)構(gòu)對硬態(tài)切削工藝所用的刀具進(jìn)行了深入的研究，有效地推動了該工藝的應(yīng)用。本文綜述了近年來針對硬態(tài)切削工藝用刀具的刃型結(jié)構(gòu)、材料選擇、刀具涂層等方面的研究成果，并分析了目前被廣泛采用的典型刀具型號及其性能。本文為硬態(tài)切削工藝用刀具的選用及設(shè)計提供指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：硬態(tài)切削；刀具材料；刀具刃型；刀具涂層

引言

金屬切削行業(yè)的發(fā)展趨勢是不斷提高切削性能和降低成本。這些趨勢也受到刀具開發(fā)進(jìn)程的影響。硬態(tài)切削是指切削硬度大于50HRC的工件材料的切削技術(shù)。對于高硬度鋼材，傳統(tǒng)的加工方法主要是在退火的條件下對工件進(jìn)行粗加工，再經(jīng)過熱處理，最后通過磨削完成工件加工。而硬態(tài)切削技術(shù)不同于傳統(tǒng)的加工方法，它比傳統(tǒng)的加工步驟更少，通過消除第二熱處理節(jié)約加工時間，硬態(tài)加工工藝提供了更高的靈活性，增加了材料的去除率，甚至可以實(shí)現(xiàn)干式加工。切削刀具的材料開發(fā)是金屬切削中最關(guān)鍵的元素之一，開發(fā)的材料應(yīng)具有耐磨性，堅韌性和化學(xué)穩(wěn)定性。諸如立方氮化硼（CBN）這種超硬材料使得硬態(tài)切削技術(shù)成為了磨削工藝的替代品。在硬態(tài)切削工藝中，具有幾何定義切削刃型的研究在提高表面完整性、靈活性，降低成本和更環(huán)保等方面顯示出顯著的優(yōu)勢。目前制造行業(yè)中，涂層的應(yīng)用已被證明是提高切削性能和降低成本的有效手段，它在許多加工應(yīng)用中成為了提高刀具耐磨性和降低的刀具成本的主要手段之一。

1硬態(tài)切削工藝特性

1.1高效性

與磨削相比，硬態(tài)切削材料去除率較高，據(jù)統(tǒng)計使用聚晶立方氮化硼（PolycrystallineCubicBoronNitride，PCBN）刀具進(jìn)行鐵系金屬硬態(tài)高速干式切削的效率為磨削加工效率的3-5倍，成本為磨削加工的1/4左右，能耗為磨削加工的1/5-1/10。如果配以合適的加工工藝，通過硬態(tài)切削可以獲得微米級的精度以及與磨削相似的表面光潔度。在保證高效性的前提下，國內(nèi)外很多學(xué)者在延長刀具壽命這一領(lǐng)域針對硬質(zhì)合金、陶瓷、PCBN等材料進(jìn)行了頗多的研究，通過對材料成分、晶粒尺寸、前刀面紋理、涂層、刃型等方面的設(shè)計來減小刀具磨損速率以提高刀具壽命。但部分刀具刃型的設(shè)計增加了其使用成本，并不能直接為制造產(chǎn)業(yè)提供有效的指導(dǎo)，但也提供了不錯的研究思路與方向。

1.2環(huán)保性

進(jìn)行硬態(tài)切削時，大多數(shù)情況下可以不使用切削液，避免了切削液對刀具壽命和表面質(zhì)量的影響，對環(huán)境污染小，是一種干凈清潔的技術(shù)，同時也簡化了生產(chǎn)系統(tǒng)，降低了生產(chǎn)成本。比如近幾年針對陶瓷刀具采取的自潤滑與微觀紋理相結(jié)合的設(shè)計，大幅度的降低了加工時的切削力與切削溫度，減小了磨損速率，提高了陶瓷刀具的使用壽命。

1.3靈活性

與傳統(tǒng)切削工藝相比，硬態(tài)切削工藝有更大的靈活性，降低了幾何形狀復(fù)雜零件的加工難度。應(yīng)用硬態(tài)切削加工復(fù)雜零件，可使制造成本下降30%。

1.4可提高工件壽命

硬切工藝與磨削工藝相比，會產(chǎn)生更深的表面殘余壓應(yīng)力，對提高工件的接觸疲勞壽命是有利的。

2硬態(tài)切削刀具性能要求

硬態(tài)切削技術(shù)切削的工件主要為高硬度工件，切削過程中，切削力大，切削過程一般不使用冷卻液，其溫度可達(dá)900℃，刀具易磨損，這就要求硬態(tài)切削刀具具有強(qiáng)度高、耐高溫、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、導(dǎo)熱性好、耐磨性好等特點(diǎn)。一般情況下，刀具的材料以及刀具的刃口參數(shù)是影響刀具性能的兩個最重要的因素。新型超硬材料的發(fā)展與應(yīng)用，可以極大提高刀具的切削性能，而刀具幾何形狀的優(yōu)化，則可以充分發(fā)揮刀具材料的性能。目前適用于硬態(tài)切削的刀具主要有三種：新型帶涂層的硬質(zhì)合金刀具、陶瓷刀具以及PCBN刀具。硬質(zhì)合金刀具相比于其他兩種材料，經(jīng)濟(jì)性更好，抗彎強(qiáng)度和抗沖擊能力都優(yōu)于陶瓷和立方氮化硼，但硬質(zhì)合金紅硬性太低，極大的限制了切削速度和進(jìn)給率，尤其加工大型鋼件時，往往加工不到頭就需要換刀，其主要應(yīng)用于加工硬度在40-50HRC之間的材料。陶瓷刀具具有經(jīng)濟(jì)性好，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的特點(diǎn)。但陶瓷刀具的耐磨性不如立方氮化硼，不適合斷續(xù)切削，且加工過程中不能使用冷卻液。陶瓷刀具的刃口一般要經(jīng)過鈍圓處理，否則刃口一旦斷裂，可能會導(dǎo)致刀具和工件的報廢。陶瓷刀具一般用來加工硬度50HRC以下的工件。立方氮化硼是進(jìn)行硬態(tài)切削的理想材料，具有高硬度和高耐磨性，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，導(dǎo)熱性好，耐熱度可以達(dá)到1400-1500℃。立方氮化硼刀具一般適合于加工硬度大于50HRC的材料。

3硬態(tài)切削刀具刃型研究進(jìn)展

切削刀具的刃型對刀具的性能有著嚴(yán)重的影響，刀具只有選擇合適的刃型才能充分發(fā)揮刀具材料的性能，一個好的刀具刃口刃型，是刀具能否多快好省切削加工的前提。根據(jù)不同的加工工況，設(shè)計合適的刃型刃口，不僅能保證產(chǎn)品的切削質(zhì)量，也有效延長刀具壽命。所以在淬硬鋼等高硬度鋼材加工過程中，有許多科研人員對刀具的刃口刃型進(jìn)行了研究。

3.1硬態(tài)銑削刀具刃型的研究進(jìn)展

為了滿足汽車模具制造領(lǐng)域淬硬鋼復(fù)雜曲面的加工要求，設(shè)計了三種非球頭刀刃的硬質(zhì)合金球頭銑刀，分別為橢球頭銑刀、旋轉(zhuǎn)拋物面型銑刀和“8”字型銑刀。在淬硬鋼銑削過程橢球頭銑刀比球頭銑刀的加工效率更高；旋轉(zhuǎn)拋物面應(yīng)用場合較多，適宜于加工平坦敞口類的小曲率工件，相比于正常球頭銑刀，它的切削速度更大，切屑形態(tài)和表面質(zhì)量更好?！?”字型銑刀同樣適合于加工平坦敞口類小曲率工件，但“8”字型銑刀剛度更好，金屬去除率高，可有效抑制淬硬鋼銑削過程中的顫振。設(shè)計了具有六邊形幾何形狀的PCD立銑刀，并且刀齒的幾何形狀設(shè)計成平行四邊形形狀，具有大的負(fù)前角和大的后角。所提出的微觀幾何形狀減小了刀具和工件材料之間的接觸面積。與商用PCD工具相比，所提出的設(shè)計允許臨界切削深度增加近四倍，表面粗糙度（Sa）值為100nm，仍能保證納米級表面粗糙度。

3.2硬態(tài)車削刀具刃型的研究進(jìn)展

研究了切削刃幾何形狀對斷續(xù)硬車削中高含量CBN刀片性能的影響。不僅找到了最佳邊緣幾何形狀，而且分析了主要磨損原因和機(jī)理。一般的刃口圓弧由幾個倒角離散化，倒角特征在于倒角寬度b和角度γ，而刃口圓弧的特征在于前刀面處的切削刃部分Sγ和后刀面處的切削刃部分Sα。形狀因子K=Sγ/Sα定義了切削刃是傾向于前刀面的趨勢（K>1）還是后刀面的趨勢（K<1）。研究發(fā)現(xiàn)斷續(xù)硬車削中，在對稱圓角（K=1）的情況下且倒角寬度b和角度γ為一下值時CBN刀片性能最佳。使用逐層電火花加工在CBN刀具的前刀面制備了一種圖案，減小了刀-屑接觸面積以及防止磨損與槽內(nèi)碎屑，通過改善摩擦學(xué)性能來減小力，摩擦系數(shù)和工具磨損。在不同的進(jìn)給速率下與無圖案的刀片相比摩擦力減小了9.5-34.5%，合力減小了2.7-10.5%，后刀面磨損的提高了9.7-11.4%，而前刀面的月牙洼磨損相差不大。

結(jié)語

硬態(tài)切削是非常有前景的一種切削方式，硬態(tài)切削刀具是硬態(tài)切削工藝中最關(guān)鍵的因素，本文以刀具材料和刀具刃型為切入點(diǎn)，綜述了硬態(tài)切削刀具的最新研究進(jìn)展。

參考文獻(xiàn)

[1]苗志毅，馮克明.綠色切削與PCBN刀具切削技術(shù)[J].金剛石與磨料磨具工程，2004，5：73-76.

（作者單位：中國航發(fā)北京航科發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)科技有限公司）