论文部分内容阅读
摘 要：高速切削加工的刀具技术发展速度很快，应用较多的如金刚石、立方氮化硼、陶瓷刀具、涂层硬质合金、（碳）氮化钛硬质合金等。高速切削是一项先进的、正在发展的综合技术，必须将高性能的高速切削机床、与工件材料相适应的刀具和对于具体加工对象最佳的加工工艺技术相结合，才能充分发挥高速切削技术的优势。
关键词：高速切削；刀具
引言
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。
1.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，特性和用途如下。
（1）高速钢：比工具钢硬，用于低速或不连续切削，刀具寿命较长，加工的表面较平滑；
（2）高性能高速钢：强韧、抗边缘磨损性强，可粗切或精切几乎任何材料，包括铁、钢、不锈钢，高温合金、非铁和非金属材料，切削速度可比高速钢高，强度和韧性较粉末冶金高速钢好；
（3）粉末冶金高速钢：具有良好的抗热性和抗碎片磨损，用于切削钢、高温合金、不锈钢、铝、碳钢及合金钢和其他不易加工的材料，切削速度可比高性能高速钢高15%；
（4）硬质合金：耐磨损、耐热，可锻铸铁、碳钢、合金钢，不锈钢、铝合金的精加工，寿命比一般传统碳钢高20倍；
（5）陶瓷：高硬度、耐热冲击性好，用于高速粗加工，铸铁和钢的精加工也适合加工有色金属和非金属材料不适合加工铝，镁、钛及其合金，高速切削速度可达5000m/s；
（6）立方氮化硼：超强硬度和耐磨性好，用于硬度大于450 HBW材料的高速切削，刀具寿命长；
（7）聚晶金刚石：超强硬度和耐磨性好，用于粗切和精切铝等有色金属和非金属材料，刀具寿命长。
2.高速铣削刀具
高速銑削刀具分为整体式和机夹式两类。小直径铣刀一般采用整体式，大直径铣刀采用机夹式。高转速机床对刀具直径有一定限制，整体式高速铣刀在出厂时经过动平衡检验，比较常用。而机夹式需要在每次装夹刀片后进行动平衡。通常机床在转速比较低、能提供较大扭矩时可采用机夹式铣刀。
目前在高速铣削加工中，整体硬质合金刀具用的最多，其次是机夹式硬质合金刀具。在高转速下应用机夹式刀具加工时，应注意动平衡等级及最高许用转速。
3.适合高速加工的新型刀具
高速切削刀具材料主要有硬质合金涂层刀具、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼和金刚石刀具。高速铣削中最常用的刀具材料是硬质合金、涂层刀具和金属陶瓷。
在加工铸铁和合金钢的切削刀具中，硬质合金是最常用的刀具材料。硬质合金刀具耐磨性好，但硬度比立方氮化硼和陶瓷低。为提高硬度和表面光洁度，采用刀具涂层技术，涂层材料为氮化钛、氮化铝钛等。涂层技术使涂层由单一涂层发展为多层、多种涂层材料的涂层，已成为提高高速切削能力的关键技术之一。直径在10-40mm范围内，且有碳氮化钛涂层的硬质合金刀片能够加工洛氏硬度小于42的材料，而氮化钛铝涂层的刀具能够加工洛氏硬度为42甚至更高的材料。高速切削钢材时，刀具材料应选用热硬性和疲劳强度高的P类硬质合金、涂层硬质合金、立方氮化硼与立方氮化硼复合刀具材料等。切削铸铁，应选用细晶粒的K类硬质合金进行粗加工，选用复合氮化硅陶瓷或聚晶立方氮化硼复合刀具进行精加工。精密加工有色金属或非金属材料时，应选用聚晶金刚石或CVD金刚石涂层刀具。高速铣削刀具应按动平衡设计制造，刀具的前角比常规刀具的前角要小，后角略大。主副切削刃连接处应修圆或导角，来增大刀尖角，防止刀尖处热磨损。应加大刀尖附近的切削刃长度和刀具材料体积，提高刀具刚性。在保证安全和满足加工要求的条件下，刀具悬伸尽可能短，刀体中央韧性要好。球头立铣刀要考虑有效切削长度，刃口要尽量短，两螺旋槽球头立铣刀通常用于粗铣复杂曲面，四螺旋槽球头立铣刀通常用于精铣复杂曲面。
4.刀具的切削参数和性能
4.1不同刀具材料的切削性能
金刚石类刀具已迅速应用于高硬度、高强度、难加工有色金（合金）及有色金属、非金属复合材料零部件的高速、高效、干（湿）式等绿色机械切削制造行业中。表4.1至表4.3是不同的刀具的切削参数：
在切削加工中，刀具性能对切削加工的效率、精度、表面质量有着决定性的影响。刀具性能的两个关键指标——硬度和强度（韧性）关系为：
4.2刀具材料的硬度大小：
金刚石PCO>立方氮化硼PCBN>A1203基>Si3N4基>TiC（N）基硬质合金>WC基超细晶粒硬质合金>高速钢HSS。
抗弯强度大小：HSS>Wc基>TiC（N）基>Si3N4基>A1203基>PCD>PCBN。
断裂韧性大小：HSS>WC基>TiC（N）基>PC刚>PcD>Si3N4基>A1203基。
耐热性：PCD700℃-800℃；PCBN1400℃-1500℃；陶瓷1100℃-1200℃；TiC（N）基900℃-1100℃；超细晶粒硬质合金WC基800℃-900℃；HSS600℃-700℃。
不同的材料的工件高速切削在刀具的选用上要注意其与工件材料的匹配性，表4.4为常用高速刀具对不同工件材料切削加工的适应性能力。
表4.4常用高速刀具材料切削适应性
结论
刀具是高速切削加工中最重要的因素之一，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，因此其硬度和耐磨性、强度和韧性、耐热性、工艺性能和经济性等基本性能是实现高速加工的关键因素之一。同时不同的材料的工件高速切削在刀具的选用上要注意其与工件材料的匹配性。
参考文献
[1]张伯霖，高速切削技术及应用[M].机械工业出版社，2002
[2]陈家芳，实用金属切削加工工艺手册[M].上海科学技术出版社，2005
关键词：高速切削；刀具
引言
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。
1.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，特性和用途如下。
（1）高速钢：比工具钢硬，用于低速或不连续切削，刀具寿命较长，加工的表面较平滑；
（2）高性能高速钢：强韧、抗边缘磨损性强，可粗切或精切几乎任何材料，包括铁、钢、不锈钢，高温合金、非铁和非金属材料，切削速度可比高速钢高，强度和韧性较粉末冶金高速钢好；
（3）粉末冶金高速钢：具有良好的抗热性和抗碎片磨损，用于切削钢、高温合金、不锈钢、铝、碳钢及合金钢和其他不易加工的材料，切削速度可比高性能高速钢高15%；
（4）硬质合金：耐磨损、耐热，可锻铸铁、碳钢、合金钢，不锈钢、铝合金的精加工，寿命比一般传统碳钢高20倍；
（5）陶瓷：高硬度、耐热冲击性好，用于高速粗加工，铸铁和钢的精加工也适合加工有色金属和非金属材料不适合加工铝，镁、钛及其合金，高速切削速度可达5000m/s；
（6）立方氮化硼：超强硬度和耐磨性好，用于硬度大于450 HBW材料的高速切削，刀具寿命长；
（7）聚晶金刚石：超强硬度和耐磨性好，用于粗切和精切铝等有色金属和非金属材料，刀具寿命长。
2.高速铣削刀具
高速銑削刀具分为整体式和机夹式两类。小直径铣刀一般采用整体式，大直径铣刀采用机夹式。高转速机床对刀具直径有一定限制，整体式高速铣刀在出厂时经过动平衡检验，比较常用。而机夹式需要在每次装夹刀片后进行动平衡。通常机床在转速比较低、能提供较大扭矩时可采用机夹式铣刀。
目前在高速铣削加工中，整体硬质合金刀具用的最多，其次是机夹式硬质合金刀具。在高转速下应用机夹式刀具加工时，应注意动平衡等级及最高许用转速。
3.适合高速加工的新型刀具
高速切削刀具材料主要有硬质合金涂层刀具、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼和金刚石刀具。高速铣削中最常用的刀具材料是硬质合金、涂层刀具和金属陶瓷。
在加工铸铁和合金钢的切削刀具中，硬质合金是最常用的刀具材料。硬质合金刀具耐磨性好，但硬度比立方氮化硼和陶瓷低。为提高硬度和表面光洁度，采用刀具涂层技术，涂层材料为氮化钛、氮化铝钛等。涂层技术使涂层由单一涂层发展为多层、多种涂层材料的涂层，已成为提高高速切削能力的关键技术之一。直径在10-40mm范围内，且有碳氮化钛涂层的硬质合金刀片能够加工洛氏硬度小于42的材料，而氮化钛铝涂层的刀具能够加工洛氏硬度为42甚至更高的材料。高速切削钢材时，刀具材料应选用热硬性和疲劳强度高的P类硬质合金、涂层硬质合金、立方氮化硼与立方氮化硼复合刀具材料等。切削铸铁，应选用细晶粒的K类硬质合金进行粗加工，选用复合氮化硅陶瓷或聚晶立方氮化硼复合刀具进行精加工。精密加工有色金属或非金属材料时，应选用聚晶金刚石或CVD金刚石涂层刀具。高速铣削刀具应按动平衡设计制造，刀具的前角比常规刀具的前角要小，后角略大。主副切削刃连接处应修圆或导角，来增大刀尖角，防止刀尖处热磨损。应加大刀尖附近的切削刃长度和刀具材料体积，提高刀具刚性。在保证安全和满足加工要求的条件下，刀具悬伸尽可能短，刀体中央韧性要好。球头立铣刀要考虑有效切削长度，刃口要尽量短，两螺旋槽球头立铣刀通常用于粗铣复杂曲面，四螺旋槽球头立铣刀通常用于精铣复杂曲面。
4.刀具的切削参数和性能
4.1不同刀具材料的切削性能
金刚石类刀具已迅速应用于高硬度、高强度、难加工有色金（合金）及有色金属、非金属复合材料零部件的高速、高效、干（湿）式等绿色机械切削制造行业中。表4.1至表4.3是不同的刀具的切削参数：
在切削加工中，刀具性能对切削加工的效率、精度、表面质量有着决定性的影响。刀具性能的两个关键指标——硬度和强度（韧性）关系为：
4.2刀具材料的硬度大小：
金刚石PCO>立方氮化硼PCBN>A1203基>Si3N4基>TiC（N）基硬质合金>WC基超细晶粒硬质合金>高速钢HSS。
抗弯强度大小：HSS>Wc基>TiC（N）基>Si3N4基>A1203基>PCD>PCBN。
断裂韧性大小：HSS>WC基>TiC（N）基>PC刚>PcD>Si3N4基>A1203基。
耐热性：PCD700℃-800℃；PCBN1400℃-1500℃；陶瓷1100℃-1200℃；TiC（N）基900℃-1100℃；超细晶粒硬质合金WC基800℃-900℃；HSS600℃-700℃。
不同的材料的工件高速切削在刀具的选用上要注意其与工件材料的匹配性，表4.4为常用高速刀具对不同工件材料切削加工的适应性能力。
表4.4常用高速刀具材料切削适应性
结论
刀具是高速切削加工中最重要的因素之一，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，因此其硬度和耐磨性、强度和韧性、耐热性、工艺性能和经济性等基本性能是实现高速加工的关键因素之一。同时不同的材料的工件高速切削在刀具的选用上要注意其与工件材料的匹配性。
参考文献
[1]张伯霖，高速切削技术及应用[M].机械工业出版社，2002
[2]陈家芳，实用金属切削加工工艺手册[M].上海科学技术出版社，2005