论文部分内容阅读
摘 要：
人类社会迈入21世纪的时候，从世界范围看，我们正处于制造技术快速发展的时期。切削加工作为制造技术的主要基础工艺，随着制造技术的发展，在20世纪末也取得很大进步，进入了以发展高速切削、开发新的切削工艺和加工方法、提供成套技术为特征的发展新阶段。若把当前的高速切削水平实用化，将使我国机加工整体切削效率提高1～2倍，缩小与工业发达国家的差距，是我国从事切削加工与刀具技术的专业人员在新世纪的努力目标和面临的重大挑战。本文主要论述高速切削及刀具材料的选择。
关键词：高速加工；刀具材料
一、引言
高速切削是一项系统技术，使用者应该根据产品的材料和结构特点，购置合适的高速切削机床，选择合适的切削刀具，采用最佳的切削工艺，以达到理想的高速加工效果。在典型的金属加工中，刀具费用只占制造成本的2%到4%，例如，即使降低30%的刀具费用，其成本削减效果也是十分有限的。然而，如果使用高性能的切削刀具在适当的切削条件下高速加工，生产效率却可以提高成倍提高。所以有切削专家对高速加工人员提出的建议是，花钱买恰当的刀具，不要在切削速度和进给速度方面有所保留。让刀具适得其所，您将真正地实现投资最大化。
二、机械制造业的发展与刀具的关系
1、机械制造业的发展现状
机械制造业的发展总是依托于整个社会的技术进步，并以此为界线划分为不同的发展时代。首先是电力时代，在此期间，机械制造业实现了电气化和自动化；同时，在常规加工（CM）即传统加工（TM）的基础上，又发展了特种加工（NTM）即非传统加工（UTM）。后来是信息时代，从1946年世界上第一台电子计算机研制成功，标志着信息时代的开始，在此期间，机械制造业出现了多种制造模式和理念，即：数控（NC）、加工中心（MC）、成组技术（GT）、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助工艺设计（CAPP）、计算机集成制造（CIM）、并行工程（CE）、精益生产（LP）、敏捷制造（AM）、虚拟制造（VM）等。新技术在制造业中的应用，使得被人们称作“夕阳产业”的机械制造业不断涌现新的希望，焕发新的活力。
2、现代机械制造业需要高速切削
高速加工技术产生于近代动态多变的全球化市场经济环境。在激烈的市场竞争中，要求企业产品质量高、成本低、上市快、服务好、环境清洁和产品创新换代及时，由此牵引高速加工技术不断发展。随着个性化产品的社会需求增加，其生产条件为多品种、单件小批制造加工（机械制造业中，这种生产模式将占到总产值的70%），高速加工技术必将在生产工艺离散型或混和型企业中（如模具、能源设备、船舶、航天航空等制造企业）得到进一步应用和发展。综上所述高速加工系统工程技术必然在各类制造企业中得到更广泛应用。在21世纪，我国对高速加工技术的实用将呈跨越式的进步与发展。
3、何谓高速切削
我们现在提的高速加工，实际指的是加工速度超过一个临界值以后切削力急速下降，散热也更好的状态。高速加工（HSM）是相对传统加工系统而言，它包含两层含义：一是高主轴转速，通常转速在12000r/min以上，最高已有达到60000r/min；二是高进给量，进给速度一般在每分几米甚至几十米当然，对于不同的材料加工，高速加工定义的切削速度的范围也不同，对于铣削铝、镁合金，切削速度大于1000m/min可称为高速加工，而对于加工铸铁或钢，切削速度大于305m/min就可以称为高速加工了。
4、高速切削的理论分析
高速切削的研究历史，可以追溯到二十世纪30年代由德国Carl Salomon博士首次提出的有关高速切削的概念。Salomon博士的研究突破了传统切削理论对切削热的认识，认为切削热只是在传统切削速度范围内是与切削速度成单调增函数关系。而当切削速度突破一定限度以后，切削温度不再随切削速度的增加而增加，反而会随切削速度的增加而降低，即与切削速度在较高速度的范围内成单调减函数。Salomon博士的研究因第二次世界大战而中断。50年代后期开始，高速切削的试验又开始进入各种试验研究，高速切削的机理开始被科学家们所认识。从目前的试验看，随着切削速度的逐步提高，切削时的变形规律发生一些改变。切屑中的剪切变形逐渐加剧，剪切区的滑移逐渐加强，即使是塑性材料的切屑形态，也会组建逐渐从带状切屑转变为锯齿状切屑，进而有可能进一步转变为单元状切屑。下图是镍基高温合金在不同的切削速度下切屑的形态。
由于在高速切削的条件下切屑会由带状切屑转变为单元切屑，切屑与前刀面的摩擦将不再是切削力和切削热的主要来源之一；同样由于切削速度的提高，后刀面处工件材料的弹性变形也将由于变形速度逐渐跟不上切削速度而减少，后刀面的摩擦也因此而减少，从而对降低切削力和切削热产生有利的影响。因此在高速切削时，主要的切削热将由切屑导出，而工件和刀具的温升都非常小，高速切削也被成为“冷态切削”。从目前的实践来看，高速加工时工件上所受的切削力和切削热通常很小，工件不易发生力变形和热变形，精度容易得到保证，甚至可以加工高硬度的工件材料。而同时，我们在高速加工的条件下比较容易得到高的表面质量，其表面粗糙度的数值极低。
三、高速切削刀具的材料
刀具材料的发展是切削加工技术发展的首要因素。虽然我们总是希望得到既有高的硬度以保证刀具的耐磨性，又有高的韧性来防止刀具的碎裂，但目前的技术发展还没有找到如此优越性能的刀具材料，鱼于熊掌无法兼得。因此，我们会在实际中按照需要选用更合适的刀具材料。
当前刀具材料的发展有两个重要的趋势：一是硬质合金刀具应用范围继续扩大，碳氮化钛基硬质合金（金属陶瓷）、超细颗粒硬质合金、梯度结构硬质合金及硬质合金与高速钢两种粉末复合的材料等将代替相当一部分高速钢刀具，硬质合金在刀具材料中占主导地位，覆盖大部分常规的加工领域。硬质合金的性能不断改进，应用面扩大，成为切削加工主要的刀具材料，对推动切削效率的提高起到了重要作用。首先是细颗粒、超细颗粒硬质合金材料的开发，显著地提高了硬质合金材料的强度和韧性，用它制造的整体硬合金刀具，尤其是通用的量大面广的中小规格的钻头、立铣刀、丝锥等刀具，用来代替传统的高速钢刀具，使切削速度和加工效率提高了数倍，把量大面广的通用刀具带入了高速切削的范围，为切削加工全面进入高速切削阶段打下了半壁江山。目前整体硬质合金刀具已成为国内外工具公司的常规产品，并将随着整个切削加工水平的提高得到越来越广泛的应用。二是超硬刀具材料的使用将明显增加，随着CBN韧性的进一步改善，它在切削刀具中的比例将有显著的提高。PCD、CBN超硬刀具材料韧性和制造工艺的改进，使应用领域不断扩大。用CBN制造的缸孔镗刀已可用在自动生产线上以及铸铁和淬硬件的加工中，并从精加工领域扩大到半精加工领域，使切削加工的效率大幅提高。铝合金是航空工业和汽车工业的重要材料，高效加工铝合金是这两个工业部门的一项关键技术，目前由于用PCD制造的各种高性能刀具的广泛应用，切削效率显著提高，最高的切削速度已达7000m/min。产品已从原来车刀、面铣刀扩大到立铣刀、钻头、铰刀、成形刀具等；PCD还是加工石墨、合成材料等非金属材料最佳的高效刀具。可以预见，随着CBN、PCD刀具的推广，刀具品种将进一步增多，应用领域进一步扩大，在切削加工朝着高速、高效加工方向发展中起到领先的作用。
刀具涂层技术自从问世以来，对刀具性能的改善和加工技术的进步起着非常重要的作用，涂层刀具已经成为现代刀具的标志，在刀具中的比例已超过50%。在21世纪初，涂层刀具的比例将进一步增加，有望在技术上突破CBN涂层技术，并且实用化，使CBN的优良性能在更多的刀具和切削加工中得到应用，甚至精密复杂刀具和成形刀具，这将全面提高加工黑色金属的切削水平。此外，纳米级超薄、超多层涂层和氮化碳等新型涂层材料的开发应用速度将加快，涂层将成为改善刀具性能的主要途径。
综上所述，在各种刀具材料的发展中，硬质合金起着主导的作用，但其他刀具材料的性能也得到了显著的改善，扩大了各自的应用领域，形成了各种刀具材料既有独特优势和使用范围又相互取代补充的整体格局。可以说正是刀具材料的全面的迅速的发展为当今高速、高效率的金属切削加工奠定了基础。
四、现阶段我国发展新型刀具材料同样对传统加工也有重要意义
尽管中国工具工业和切削技术近十年来有了明显的进步，但与国外先进水平相比仍有很大差距，约比工业发达国家落后15至20年，缩小这个差距，光有工具行业的努力是不够的，还必须有用户行业增加对刀具的投入。国外有数据表明，刀具占制造成本为2.5%至4%，但它却直接影响占制造成本20%的机床费用和38%的人工费用，因此，进给速度和切削速度每提高15%至20%可降低制造成本10%至15%。说明即使用好的刀具会增加刀具的成本，但由于效率提高使机床费用和人工费用有很大的降低，这正是工业发达国家制造业所采取的经营策略之一。目前，我国由于普通机床及服役超期的机床占多数，加上人工费用较低，刀具对制造成本的影响到不了这个程度，但它投入少、见效快的特点很适合我国企业的现状，同样可以收到很好的效果。
回顾机械加工发展的历史，可以看出刀具材料的发展对切削加工起着重大的推动作用。当然在高速切削技术中，除必须考虑选择合适刀具材料外，还必须综合应用高速切削机床技术、高速切削刀具技术、高速切削工艺技术，高速切削CAD/CAM技术以及冷却润滑技术。
参考文献：
［1］谢婧. 高速切削加工在机械制造中的应用［J］.机械设计与制造, 2006,(06)
［2］沈兴东.高速干切削技术的应用研究［J］.机电产品开发与创新,2007,(04)
［3］姚荣庆.薄壁零件的加工方法［J］.机床与液压,2007,(08)
［4］王怀宝.先进制造技术的发展［J］.装备制造技术,2007,(07)
［5］周立华.涂层刀具在筒节加工中的应用［J］.工具技术,2007(06)
［6］施荣.浅谈高速加工技术在现代模具制造中的应用.精密制造与自动化.2007(02)
［7］齐燕飞.整体壁板高速切削工艺研究［J］.航天制造技术.2007(03)
［8］沈斌.HSC在模具制造中的应用［J］.制造业自动化.2007(04)
［9］王亚辉.轴套类零件的绿色加工技术［J］.煤矿机械.2007(04)
［10］曹正明.高速切削技术在模具制造中的应用［J］.模具制造.2007(04)
［11］徐少红.高速磨削加工工艺及应用［J］.金属世界.2007(03)
人类社会迈入21世纪的时候，从世界范围看，我们正处于制造技术快速发展的时期。切削加工作为制造技术的主要基础工艺，随着制造技术的发展，在20世纪末也取得很大进步，进入了以发展高速切削、开发新的切削工艺和加工方法、提供成套技术为特征的发展新阶段。若把当前的高速切削水平实用化，将使我国机加工整体切削效率提高1～2倍，缩小与工业发达国家的差距，是我国从事切削加工与刀具技术的专业人员在新世纪的努力目标和面临的重大挑战。本文主要论述高速切削及刀具材料的选择。
关键词：高速加工；刀具材料
一、引言
高速切削是一项系统技术，使用者应该根据产品的材料和结构特点，购置合适的高速切削机床，选择合适的切削刀具，采用最佳的切削工艺，以达到理想的高速加工效果。在典型的金属加工中，刀具费用只占制造成本的2%到4%，例如，即使降低30%的刀具费用，其成本削减效果也是十分有限的。然而，如果使用高性能的切削刀具在适当的切削条件下高速加工，生产效率却可以提高成倍提高。所以有切削专家对高速加工人员提出的建议是，花钱买恰当的刀具，不要在切削速度和进给速度方面有所保留。让刀具适得其所，您将真正地实现投资最大化。
二、机械制造业的发展与刀具的关系
1、机械制造业的发展现状
机械制造业的发展总是依托于整个社会的技术进步，并以此为界线划分为不同的发展时代。首先是电力时代，在此期间，机械制造业实现了电气化和自动化；同时，在常规加工（CM）即传统加工（TM）的基础上，又发展了特种加工（NTM）即非传统加工（UTM）。后来是信息时代，从1946年世界上第一台电子计算机研制成功，标志着信息时代的开始，在此期间，机械制造业出现了多种制造模式和理念，即：数控（NC）、加工中心（MC）、成组技术（GT）、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助工艺设计（CAPP）、计算机集成制造（CIM）、并行工程（CE）、精益生产（LP）、敏捷制造（AM）、虚拟制造（VM）等。新技术在制造业中的应用，使得被人们称作“夕阳产业”的机械制造业不断涌现新的希望，焕发新的活力。
2、现代机械制造业需要高速切削
高速加工技术产生于近代动态多变的全球化市场经济环境。在激烈的市场竞争中，要求企业产品质量高、成本低、上市快、服务好、环境清洁和产品创新换代及时，由此牵引高速加工技术不断发展。随着个性化产品的社会需求增加，其生产条件为多品种、单件小批制造加工（机械制造业中，这种生产模式将占到总产值的70%），高速加工技术必将在生产工艺离散型或混和型企业中（如模具、能源设备、船舶、航天航空等制造企业）得到进一步应用和发展。综上所述高速加工系统工程技术必然在各类制造企业中得到更广泛应用。在21世纪，我国对高速加工技术的实用将呈跨越式的进步与发展。
3、何谓高速切削
我们现在提的高速加工，实际指的是加工速度超过一个临界值以后切削力急速下降，散热也更好的状态。高速加工（HSM）是相对传统加工系统而言，它包含两层含义：一是高主轴转速，通常转速在12000r/min以上，最高已有达到60000r/min；二是高进给量，进给速度一般在每分几米甚至几十米当然，对于不同的材料加工，高速加工定义的切削速度的范围也不同，对于铣削铝、镁合金，切削速度大于1000m/min可称为高速加工，而对于加工铸铁或钢，切削速度大于305m/min就可以称为高速加工了。
4、高速切削的理论分析
高速切削的研究历史，可以追溯到二十世纪30年代由德国Carl Salomon博士首次提出的有关高速切削的概念。Salomon博士的研究突破了传统切削理论对切削热的认识，认为切削热只是在传统切削速度范围内是与切削速度成单调增函数关系。而当切削速度突破一定限度以后，切削温度不再随切削速度的增加而增加，反而会随切削速度的增加而降低，即与切削速度在较高速度的范围内成单调减函数。Salomon博士的研究因第二次世界大战而中断。50年代后期开始，高速切削的试验又开始进入各种试验研究，高速切削的机理开始被科学家们所认识。从目前的试验看，随着切削速度的逐步提高，切削时的变形规律发生一些改变。切屑中的剪切变形逐渐加剧，剪切区的滑移逐渐加强，即使是塑性材料的切屑形态，也会组建逐渐从带状切屑转变为锯齿状切屑，进而有可能进一步转变为单元状切屑。下图是镍基高温合金在不同的切削速度下切屑的形态。
由于在高速切削的条件下切屑会由带状切屑转变为单元切屑，切屑与前刀面的摩擦将不再是切削力和切削热的主要来源之一；同样由于切削速度的提高，后刀面处工件材料的弹性变形也将由于变形速度逐渐跟不上切削速度而减少，后刀面的摩擦也因此而减少，从而对降低切削力和切削热产生有利的影响。因此在高速切削时，主要的切削热将由切屑导出，而工件和刀具的温升都非常小，高速切削也被成为“冷态切削”。从目前的实践来看，高速加工时工件上所受的切削力和切削热通常很小，工件不易发生力变形和热变形，精度容易得到保证，甚至可以加工高硬度的工件材料。而同时，我们在高速加工的条件下比较容易得到高的表面质量，其表面粗糙度的数值极低。
三、高速切削刀具的材料
刀具材料的发展是切削加工技术发展的首要因素。虽然我们总是希望得到既有高的硬度以保证刀具的耐磨性，又有高的韧性来防止刀具的碎裂，但目前的技术发展还没有找到如此优越性能的刀具材料，鱼于熊掌无法兼得。因此，我们会在实际中按照需要选用更合适的刀具材料。
当前刀具材料的发展有两个重要的趋势：一是硬质合金刀具应用范围继续扩大，碳氮化钛基硬质合金（金属陶瓷）、超细颗粒硬质合金、梯度结构硬质合金及硬质合金与高速钢两种粉末复合的材料等将代替相当一部分高速钢刀具，硬质合金在刀具材料中占主导地位，覆盖大部分常规的加工领域。硬质合金的性能不断改进，应用面扩大，成为切削加工主要的刀具材料，对推动切削效率的提高起到了重要作用。首先是细颗粒、超细颗粒硬质合金材料的开发，显著地提高了硬质合金材料的强度和韧性，用它制造的整体硬合金刀具，尤其是通用的量大面广的中小规格的钻头、立铣刀、丝锥等刀具，用来代替传统的高速钢刀具，使切削速度和加工效率提高了数倍，把量大面广的通用刀具带入了高速切削的范围，为切削加工全面进入高速切削阶段打下了半壁江山。目前整体硬质合金刀具已成为国内外工具公司的常规产品，并将随着整个切削加工水平的提高得到越来越广泛的应用。二是超硬刀具材料的使用将明显增加，随着CBN韧性的进一步改善，它在切削刀具中的比例将有显著的提高。PCD、CBN超硬刀具材料韧性和制造工艺的改进，使应用领域不断扩大。用CBN制造的缸孔镗刀已可用在自动生产线上以及铸铁和淬硬件的加工中，并从精加工领域扩大到半精加工领域，使切削加工的效率大幅提高。铝合金是航空工业和汽车工业的重要材料，高效加工铝合金是这两个工业部门的一项关键技术，目前由于用PCD制造的各种高性能刀具的广泛应用，切削效率显著提高，最高的切削速度已达7000m/min。产品已从原来车刀、面铣刀扩大到立铣刀、钻头、铰刀、成形刀具等；PCD还是加工石墨、合成材料等非金属材料最佳的高效刀具。可以预见，随着CBN、PCD刀具的推广，刀具品种将进一步增多，应用领域进一步扩大，在切削加工朝着高速、高效加工方向发展中起到领先的作用。
刀具涂层技术自从问世以来，对刀具性能的改善和加工技术的进步起着非常重要的作用，涂层刀具已经成为现代刀具的标志，在刀具中的比例已超过50%。在21世纪初，涂层刀具的比例将进一步增加，有望在技术上突破CBN涂层技术，并且实用化，使CBN的优良性能在更多的刀具和切削加工中得到应用，甚至精密复杂刀具和成形刀具，这将全面提高加工黑色金属的切削水平。此外，纳米级超薄、超多层涂层和氮化碳等新型涂层材料的开发应用速度将加快，涂层将成为改善刀具性能的主要途径。
综上所述，在各种刀具材料的发展中，硬质合金起着主导的作用，但其他刀具材料的性能也得到了显著的改善，扩大了各自的应用领域，形成了各种刀具材料既有独特优势和使用范围又相互取代补充的整体格局。可以说正是刀具材料的全面的迅速的发展为当今高速、高效率的金属切削加工奠定了基础。
四、现阶段我国发展新型刀具材料同样对传统加工也有重要意义
尽管中国工具工业和切削技术近十年来有了明显的进步，但与国外先进水平相比仍有很大差距，约比工业发达国家落后15至20年，缩小这个差距，光有工具行业的努力是不够的，还必须有用户行业增加对刀具的投入。国外有数据表明，刀具占制造成本为2.5%至4%，但它却直接影响占制造成本20%的机床费用和38%的人工费用，因此，进给速度和切削速度每提高15%至20%可降低制造成本10%至15%。说明即使用好的刀具会增加刀具的成本，但由于效率提高使机床费用和人工费用有很大的降低，这正是工业发达国家制造业所采取的经营策略之一。目前，我国由于普通机床及服役超期的机床占多数，加上人工费用较低，刀具对制造成本的影响到不了这个程度，但它投入少、见效快的特点很适合我国企业的现状，同样可以收到很好的效果。
回顾机械加工发展的历史，可以看出刀具材料的发展对切削加工起着重大的推动作用。当然在高速切削技术中，除必须考虑选择合适刀具材料外，还必须综合应用高速切削机床技术、高速切削刀具技术、高速切削工艺技术，高速切削CAD/CAM技术以及冷却润滑技术。
参考文献：
［1］谢婧. 高速切削加工在机械制造中的应用［J］.机械设计与制造, 2006,(06)
［2］沈兴东.高速干切削技术的应用研究［J］.机电产品开发与创新,2007,(04)
［3］姚荣庆.薄壁零件的加工方法［J］.机床与液压,2007,(08)
［4］王怀宝.先进制造技术的发展［J］.装备制造技术,2007,(07)
［5］周立华.涂层刀具在筒节加工中的应用［J］.工具技术,2007(06)
［6］施荣.浅谈高速加工技术在现代模具制造中的应用.精密制造与自动化.2007(02)
［7］齐燕飞.整体壁板高速切削工艺研究［J］.航天制造技术.2007(03)
［8］沈斌.HSC在模具制造中的应用［J］.制造业自动化.2007(04)
［9］王亚辉.轴套类零件的绿色加工技术［J］.煤矿机械.2007(04)
［10］曹正明.高速切削技术在模具制造中的应用［J］.模具制造.2007(04)
［11］徐少红.高速磨削加工工艺及应用［J］.金属世界.2007(03)