高速切削技術(shù)和刀具材料的發(fā)展趨勢
 金屬切削技術(shù)和刀具作為關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)裝備，決定著機(jī)床加工的效率、精度、質(zhì)量和成本，切削加工進(jìn)入了發(fā)展高速切削、開發(fā)新的切削工藝和加工方法、提供成套加工技術(shù)為特征的發(fā)展新階段。
1.高速切削技術(shù)
高速切削技術(shù)以高效率、高精度和高表面質(zhì)量為基本特征，在汽車工業(yè)、航空航天、模具制造等行業(yè)獲得了越來越廣泛的應(yīng)用，是當(dāng)代先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。高速切削技術(shù)特征主要表現(xiàn)在如下幾個方面：
①切削速度很高，通常為是普通切削的5~10倍。②機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速很高，一般在10000~20000r/min以上。③進(jìn)給速度很高，通常達(dá) 15~50m/min,最高可達(dá)90m/min.④對于不同的切削材料和所采用的刀具材料，高速切削的含義也不盡相同。⑤切削過程中，切削刃的通過頻率接 近于“機(jī)床-刀具-工件”系統(tǒng)的主導(dǎo)自然頻率。
與傳統(tǒng)加工相比，由于高速切削顯著提高了切削速度，導(dǎo)致工件與前刀面的摩擦增大，并導(dǎo)致切 屑和刀具接觸面溫度的提高，能達(dá)到工件材料的熔點，使得工件變軟甚至液化，因而大大減小了對切削刀具的阻力，使得切削變得中國金屬加工在線版權(quán)所有輕快。 同時，由于加工產(chǎn)生熱量的70%~80%都集中在切屑上，而切屑的去除速度很快，傳導(dǎo)到工件上的熱量大大減少，提高了加工精度。高速切削加工是一種不增加 設(shè)備數(shù)量而大幅度提高加工效率所必不可少的技術(shù)，優(yōu)點主要在于：提高生產(chǎn)效率；提高加工精度和表面質(zhì)量；降低切削阻力。
為了實現(xiàn)高速切削加工，一般采用高柔性的高速數(shù)控機(jī)床、加工中心，也有的采用專用的高速銑、鉆床。
機(jī)床同時具有高速主軸系統(tǒng)和高速進(jìn)給系統(tǒng)，高主軸剛度特性，高精度定位功能和高精度插補(bǔ)功能，特別是圓弧高精度插補(bǔ)功能。高速機(jī)床和高速刀具是實現(xiàn)高速切削的前提和基本條件，在高速切削加工中對高速機(jī)床的性能和刀具材料的選擇有嚴(yán)格的要求。
2.高速切削要求下刀具材料的進(jìn)展
高速切削加工對刀具材料提出了特殊的要求，除應(yīng)具備要求的硬度和耐磨性、強(qiáng)度和韌性、耐熱性、工藝性能和經(jīng)濟(jì)性外，還應(yīng)具備高可靠性、高耐熱性和抗熱沖 擊性能以及良好的高溫力學(xué)性能。目前，一般用于高速切削的刀具材料包括鈦基硬質(zhì)合金、陶瓷、聚晶立方氮化硼、涂層刀具及金剛石等。
（1）硬質(zhì)合金刀具材料性能全面提高鈦基硬質(zhì)合金刀具的硬度都在2000HV以上，與WC硬質(zhì)合金相比，強(qiáng)度、硬度、韌性和抗崩刃性能得到明顯提高，抗月牙洼磨 損和抗粘結(jié)能力也明顯增強(qiáng)。而且，硬質(zhì)合金的性能不斷改進(jìn)，應(yīng)用面不斷擴(kuò)大。首先是開發(fā)了細(xì)顆粒、超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金材料，強(qiáng)度和韌性顯著提高，用它制造中 國金屬加工在線版權(quán)所有的整體硬質(zhì)合金刀具，如中小規(guī)格的鉆頭、立銑刀、絲錐等刀具代替中國金屬加工在線版權(quán)所有了傳統(tǒng)的高速鋼刀具，把通用刀具帶入了高 速切削領(lǐng)域。其次，開發(fā)和使用硬質(zhì)合金加壓燒結(jié)等新工藝提高了硬質(zhì)合金的內(nèi)在質(zhì)量。在作為化學(xué)涂層硬質(zhì)合金刀片牌號的基體材料時，開發(fā)了具有良好抗塑性變 形能力和韌性表層的梯度硬質(zhì)合金，提高了涂層硬質(zhì)合金刀片的切削性能和應(yīng)用范圍。
�。�2）涂層成為提高刀具性能的關(guān)鍵技術(shù)刀具的涂層技術(shù)在 現(xiàn)代切削加工和刀具的發(fā)展中起著十分重要的作用。采用涂層技術(shù)可使切削刀具獲得非常優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，不僅有效地提高刀具的使用壽命，還能大幅中國金屬 加工在線版權(quán)所有度地提高切削加工效率，因此涂層刀具成為高速切削技術(shù)中發(fā)展速度最快的刀具，在刀具中的比例已超過50%.涂層刀具的工藝主要應(yīng)用在鉆 頭、鉸刀、絲錐、滾刀、插刀和硬質(zhì)合金刀片等。
化學(xué)涂層（CVD）是可轉(zhuǎn)位刀片的主要涂層工藝，通過化學(xué)氣相沉淀和真空濺射等方法，在硬質(zhì)合金刀具表面噴涂一層厚度5~12μm以下的TiC或Al2O3等化合物，從而提高刀具表面的硬度，改善耐磨性和潤滑性。
其中Al2O3涂層刀具硬度高達(dá)300HV,有較高的高溫硬度和穩(wěn)定性；而TiC-TiN、TiC-TiN-Al2O3等兩層、三層的復(fù)合涂層切削性能 更好。CVD金剛石涂層也取得了進(jìn)展，降低了涂層表面粗糙度值，進(jìn)中國金屬加工在線版權(quán)所有入了實用的階段。目前，國外硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片的涂層比例已達(dá) 70%以上。
物理涂層（PVD）的進(jìn)展引人注目，在爐子結(jié)構(gòu)、工藝過程、自動控制等方面都取得了重大進(jìn)展，不僅開發(fā)了適應(yīng)高速切削、干切 削、硬切削的耐熱性更好的涂層，如超級TiAlN,及綜合性能更好的TiAlCN通用中國金屬加工在線版權(quán)所有涂層和DLC、W/C減摩涂層，而且通過對 涂層結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，納米級超薄超多層涂層和新型涂層材料的開發(fā)應(yīng)用的速度將加快，大幅度提高了涂層硬度和韌性，涂層將成為改善刀具性能的主要途徑。
�。�3）超硬刀具材料陶瓷、PCBN和金剛石的使用將明顯增加陶瓷刀具有氧化鋁基Al2O3和氮化硅基Si3N4兩大類，有很高的硬度和耐磨性，耐熱性高達(dá)1200℃以上，化學(xué)穩(wěn)定性好，與金屬的親和力小，可提高切削速度3~5倍，可以加工65HRC的高硬度材料。
但陶瓷的抗沖擊韌性差，所以對高速切削時的平穩(wěn)性要求較高，即要求被加工材料材質(zhì)均勻，對刀具接近工件的方向、角度和速度都有很嚴(yán)格的要求。陶瓷和金屬陶瓷刀具材料在鋼材、鑄鐵的精加工、半精加工中代替硬質(zhì)合金，提高了加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
聚晶立方氮化硼（PCBN）是由軟的六方氮化硼在高溫高壓下加入催化劑轉(zhuǎn)化而成，化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)于金剛石，硬度高達(dá)8000~9000HV,耐磨性好，耐 熱性高達(dá)1400℃，與鐵元素的化學(xué)惰性較大，適宜于加工硬度較高的材料，將成為高速切削黑色金屬、難加工材料以及進(jìn)行干切削、硬切削的主要刀具材料。
用于生產(chǎn)切削的金剛石絕大多數(shù)是人造金剛石。人造金剛石分為三種：聚晶金剛石（PCD）、化學(xué)氣相沉積金剛石（CVD）和高溫人工合成的單晶金剛石。PCD和單晶金剛石是高效精密加工有色金屬、陶瓷、玻璃、石墨等非金屬材料最佳的刀具。
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