有效利用新材料的刀具技术

作者：苏州中航长风 | 来源：www.szcfedm.com | 浏览次数：

切削加工的基本要求是快速而又成本低廉地生产高质量产品。这一要求与实现切削加工的高精度化、高效率化、低成本化紧密相关。近年来，切削加工技术在高速铣削、微细形状切削等领域有了快速发展。随着新型工程材料的开发应用以及零部件的进一步小型化、精密化，刀具制造商正积极开发适用于各种加工用途的高效刀具。

构筑快速生产系统

在以汽车业为中心的制造业设备投资和出口增长的牵引下，对刀具产品的需求日趋增长，刀具制造商纷纷在国内外扩大生产能力。随着全球性成本竞争的不断加剧，用户要求实现高附加值、高效率生产的呼声与日俱增。为适应交货期短、成本低廉的快速生产发展趋势，关键是要利用最小限度的生产设备实现长时间自动运转加工。推进生产现场合理化的有效方法是引入能将多道工序集成在一起的复合切削技术和能够高速、高精度切削包括淬硬钢在内工件材料的高速铣床等设备。

复合切削、高速硬铣削等先进切削技术是实现以最小限度生产设备高效、快速、柔性(适应不同品种、不同批量的生产)加工零件的生产方式的核心。但是，任何切削方式都离不开选用合适的切削刀具和确定合理的刀具使用技术。近年来，随着机床的高速化、高精度加工技术的进步和难加工材料切削的增多，刀具材料(陶瓷、硬质合金、TiC/TiN基金属陶瓷、涂层硬质合金等% 的进展也十分显著。

日新月异的刀具材料

刀具材料必须满足以下条件：硬度高、耐磨损、具有能抵抗切削抗力及振动冲击的高强度、良好的高温红硬性、容易热处理和加工成型等。在刀具材料中，硬质合金的特点是在高温下硬度也很少降低。其中，涂层硬质合金是以碳化钨系硬质合金为基体，在其表面涂覆一层或多层碳化钛(TiC)、氮化钛(TiN)、氧化铝(Al₂O₃)等薄膜材料。由于涂层材料的耐熔结、耐磨损和耐热性能优于基体，因此能以超过基材的切削速度进行高速切削。此外，由于涂层的摩擦系数小，因此可以延长刀具的使用寿命。

高速铣削技术的发展要求刀具材料具备良好的的耐磨性、耐热性和强韧性，于是出现了许多在超细颗粒硬质合金基材上涂覆多层复合薄膜以提高切削性能的涂层立铣刀等产品。有的超细颗粒硬质合金材料的平均粒径在1µm以下，使刀具基体的韧性和抗弯强度明显提高。复合涂层是将多种涂层材料组合在一起，一层又一层地进行多层薄膜涂覆，以此提高刀具的切削性能。涂层材料除了适合高速切削钢件的碳化钛和氮化钛以外，现在还使用金刚石和立方氮化硼。最近又出现了具有纳米水平微细晶粒涂层的硅基纳米涂层刀具等，可用于高硬度钢的高速切削和软钢的高性能加工。

金刚石涂层是在硬质合金刀具表面涂覆具有强粘附力和高耐磨性的金刚石材料。金刚石涂层的组织特征是非晶成分少、纯度高、组织匀称而细微，适用于加工铝、铜等非铁金属和石墨等非金属材料，加工范围广泛。

硬度仅次于金刚石的立方氮化硼烧结体(CBN)(硬度HV3200～4000，约为硬质合金的2倍)具有卓越的高温硬度稳定性，在1200～1300℃的高温下对金属尤其是钢铁类材料完全不起化学反应，因此非常适合耐热合金% 淬硬高合金钢等HRC40以上高硬度工件的精加工和以150m/min以上的切削速度加工镍铬铁合金、钨铬钴合金等难切削工件材料(但不适合断续切削加工)。

当然，CBN刀具的成本比其它刀具更昂贵，因此许多用户将使用过的刀片重新刃磨后再次使用，但是刃磨本身也需要成本。为了降低加工成本，近年来出现了采用很小的CBN刀尖，使用一次就废弃的刀具结构，对这种一次性刀具产品的需求正在不断增加。

图各种刀具材料的高温硬度与韧性的关系

整体硬质合金立铣刀是指从刀刃至刀柄用硬质合金整体制成的立铣刀，其加工对象包括普通钢、高硬度钢、难切削材料、树脂、铝合金等各种材质。此外，在超细颗粒硬质合金基体上涂覆氮化钛+铝(TiAlN，AlTiN)的涂层刀具产品也在不断开发出来。

梯度功能切削刃刀具是同时兼有金属陶瓷和涂层特性的梯度功能材料刀具。切削刃表层以下20µm的部分由耐磨性能极好的高硬度钛基陶瓷层构成，芯部则是越往深处强度越高的硬质合金。这种材料构成带有梯度结构，材料性能在不断变化。值得期待的是，这种刀具在具有可与陶瓷涂层相媲美的耐磨性和强韧性的同时，所加工出的工件又具有与用金属陶瓷刀具(具有硬质合金和陶瓷的中间特性)加工相似的精密表面。因此，迄今一直采用陶瓷涂层刀具进行粗加工，用金属陶瓷刀具完成精加工的这种分工在今后可能就不再需要了。

切削难加工材料的刀具开发

适合各种加工用途的新型刀具正不断开发出来。在此仅考察一下切削难加工材料用刀具、金属模具加工刀具、镗孔加工刀具和钻孔加工刀具的最新发展动向。

对难加工材料实现高效加工可以显著降低生产成本和提高产品质量。随着机床性能、刀具材料和刀具刃形设计的进步，针对难加工材料的切削技术也有了很大发展。用于切削难加工材料的刀具刃形有以下三种类型：①加工淬硬钢、高硬铸铁等高硬度材料时，刀具材料采用CBN 和陶瓷，刀具切削刃设计为负前角：②加工不锈钢和钛合金材料时，铣刀切削刃采用正的大前角：③加工铝合金等软质金属时，刀具刃形采用超大前角和大后角。

飞机和发电设备零部件大多使用耐热超级合金和钛合金等难加工材料制造，并常常采用整块金属毛坯直接切削成形。然而在不少加工场合，由于工件材料的可切削性差，造成加工效率低、刀具寿命短，需要消耗大量加工时间和刀具。例如，Ti6Al4V是一种极具代表性的钛合金材料，也是一种典型的难加工材料。它具有很高的比强度以及优异的耐热性和耐腐蚀性，同时化学活性较强，在切削加工时易与刀具发生化学反应，尤其在高速切削时会出现剧烈的粘附现象，造成刀具损坏。因此，一般认为对Ti6Al4V进行高速切削时将切削速度调至150m/min 比较适当。

加工耐热合金等难加工材料的其它问题还包括工件热传导率低，切削热易集中于切削刃刀尖部位，刀具与工件容易粘附在一起等。解决这些问题的方法是通过对刀具的螺旋角、截面形状、切削角度以及硬质合金材料和涂层的最佳设计来提高刀具的耐热性和抗粘附性。例如，45°螺旋立铣刀通过增大螺旋角，可以增加刀刃锋利度，降低切削阻力，抑制切削温度的上升和工件材料的粘附。

考虑到耐热超级合金和钛合金的特性，在选择加工刀具时，要求刀刃锋利，易于散热，并具有良好的韧性和抗切屑粘附性等。但是，不同种类的耐热超级合金和钛合金的加工性能各不相同，在实际加工中要根据工件的材质、形状、夹紧方式、机械刚性等特点慎重选用刀具。通过选用合适的切削刀具和加工条件，可以实现钛合金等材料的高速、高效切削加工和延长刀具寿命。

高性能模具加工刀具的开发

使用金属模具进行注塑加工能够低成本、大批量地快速生产相同形状的工件。最近，高精度的小型或薄型零部件也能采用注塑方式加工，但其前提是需要制作高精度的金属模具。

用于加工金属模具的刀具对切削性能的要求较高。为了适应高精密模具的加工，已开发出了各种长寿命、高可靠性的整体硬质合金立铣刀，对刀具性能的改进包括采用(Ti，Al)N涂层、将容屑槽设计成波浪形三线槽、调节切屑与刃端前角的接触面以提高切屑流出性能等。此外，还开发了切削阻力小、锋利度高的球头立铣刀等模具加工专用高效刀具。

一般来说，加工HRC60以上的高硬度材料(如淬硬钢) 需要采用CBN刀具，因为刀具与工件的硬度差越大，刀具的寿命就越长，切削淬硬钢等高硬度工件时，使用硬度更高的CBN刀具比使用陶瓷刀具更为有利。

涂层硬质合金立铣刀一直被认为很难加工硬度HRC60以上的工件材料。对于精度要求较高的机械零部件和金属模具加工，由于淬硬材料硬度高、切削阻力大，立铣刀的切削速度和切削深度不得不受到一定影响。

加工小型零部件用防振型镗杆

镗杆是深孔镗削加工的必备工具。最近，为了适应IT产品零部件等轻薄短小化工件的加工需要，正在大力开发相关的防振型镗杆。

计算机、手机、数码相机、DVD收录机等家电产品以及IT相关设备需求的增加大大改变了发达国家的产业结构。对组装在这些产品中的小型零部件的切削加工需求也日益增多。对于小型零部件的切削加工，即使将主轴转数设定为高速，但由于工件直径很小，因此切削速度只能停留在低速范围。至今仍有不少厂家还在使用高速钢刀具或钎焊式硬质合金刀具进行切削加工。但是，随着刃磨设备的老化和技术人员的高龄化，钎焊式刀具的制作和重磨都越来越困难，加上重磨费用，进一步增大了刀具成本。随着零部件加工的高精度、高效率、低成本化发展趋势，要求采用不重磨硬质合金刀具高效加工小型零部件的呼声越来越强烈。

对于镗削这种刀具悬伸量较大的加工，刀具的防振性能是不容忽视的大问题。与传统镗杆相比，防振型镗杆不容易产生振动，即使出现振动也可很快衰减。目前开发出的刀具将柄部设计成高刚性结构，安装一次性使用的刀片，将容屑槽设计为仅保留最小限度空间的结构，以防止刀具刚性下降。

加工周期明显缩短

钻孔加工经常受到用户要求实现高速化、高精度化的严峻考验，这是由于钻削加工在整个机械加工中占有很大比例，其加工水平直接关系到产品质量的提高和生产成本的降低。此外，如何减轻加工现场的环境负担，钻头也起着示范作用。

近年来发展令人瞩目的是整体硬质合金钻头，其加工能力可比高速钢钻头提高5倍以上，刀具寿命则是高速钢钻头的10倍左右。采用超细颗粒硬质合金的整体硬质合金钻头可用于碳钢、合金钢等普通钢，不锈钢等特殊钢，模具钢、淬硬钢等高硬度钢，灰口铸铁、球墨铸铁，铝合金、铜合金等工件材料的钻孔加工。许多钻头使用PVD(物理气相沉积) 工艺进行了TiN、(Ti，Al)N等涂层处理。由于刀具韧性和可靠性的提高，即使在断续切削等切削刃要承受机械冲击和高热影响的不稳定切削状态下，钻头也不易发生崩刃和缺损。整体硬质合金钻头也适用于高硬度钢、不锈钢、耐热超级合金等难加工材料的钻孔加工。

目前，铝的半干式切削加工已在部分用户中实际应用。为了进一步提高刀具的使用寿命，刀具制造商和涂层公司正在探讨如何以PVD方式将DLC(Diamond Like Carbon，类金刚石碳)等涂覆在刀具表面上。可以预计，为了实现产品的轻量化，铝制零部件的使用今后将进一步增加。为了保护环境和降低成本，对干式、半干式切削加工的需求也将不断增大。为了满足这些需求，将不断开发出最适用的刀具。为了满足用户对刀具日益提高的要求，刀具制造商将以提高加工效率为目标，在刀具材料、涂层、刀刃设计等方面进一步加强研究与开发。