高速切削加工的刀具技術研究

高文優，韓芙蓉

（鄭州輕工業大學，河南 鄭州 450066）

0 引言

高速切削加工是現代機械加工的基本方向，是滿足加工高效率、高精度以及柔性化機械加工產業發展需求的必然趨勢，能有效避免加工零件和切削刀具在加工中的溫度升高頻率較快。為了充分發揮高速切削加工技術的應用優勢，要選取適當的刀具處理方案，從而減少切削力，有效規避加工中熱變形以及振動現象，可以在一定程度上提升加工操作的精密度。

1 高速切削加工原理

高溫環境會對刀具的硬度造成負面作用，嚴重制約整個切削加工的進程。并且，傳統的刀具切削處理操作無論是刀具定位精度還是重復定位精度都不符合實際標準，加之刀具的動態性能、靜態剛度有限，這就使得傳統刀具系統不能符合高速切削加工的需求。基于此，要結合不同的切削類型或者是工件材料，確保能制定并且匹配切削加工速度區域[1]。

在上世紀三十年代，德國著名物理學家總結了切削加工“速度-溫度”曲線（見圖1），并且結合實際應用要求首次提出高速切削加工工藝，在常規化的切削速度應用范圍內，溫度會隨著切削速度增大逐漸升高，超出切削溫度會造成切削力超出刀具承受能力的情況，硬度降低甚至會出現劇烈磨損現象[2]。然而，匹配高速切削加工機制，能在將速度提高到一定范圍內，增加切削速度不會造成切削溫度的升高甚至會出現降低，低于刀具能承受的溫度參數，大幅度減少切削時長，維持設備應用效率的同時，滿足節能降耗的基本需求。

圖1 切削加工“速度-溫度”曲線

2 高速切削加工技術分析

為了能滿足高速切削加工的應用要求，就要選取適當的切削刀具，確保能提升其承受的溫度范圍，有效縮小不能切削區域的范圍，擴大應用時效性，也能為機床應用效率的優化提供保障。值得一提的是，在金屬加工切削速度提升的時代背景下，金屬切削形成過程與道具物理現象、化學現象息息相關，要整合高速切削加工模式，就要匹配更加合理的刀具選取機制，從而發揮刀具較好的力學性能和熱穩定性能。

2.1 刀具材料技術

（1）涂層硬質合金技術。之所以選取硬質合金材料，不僅僅是因為材料自身具有硬度高、耐磨性能好的特點，也是因為其具備較好的抗沖擊性能，相較于普通速度的金屬切削刀具，硬質合金材料的應用能提升熱穩定性，維持對應切削工藝流程的規范性。

第一，將硬質合金作為整個刀具材料技術處理的基礎，覆蓋一層或者是多層材料形成涂層結構，保證耐熱性、硬度等基礎參數都能滿足標準，并且能盡量擴充切削范圍，延長相關元件的應用壽命，最重要的是，涂層硬質合金技術處理后的刀具能適用于高速切削環境。比如，目前較為常見的就是碳鎢為基體的涂層硬質合金。

第二，鈦的化合物和鋁的化合物等涂層硬質合金材料也具有一定的應用價值，需要涂層到2層-3層，從內向外形成較好的防御處理，具備抗摩擦性能、防擴散性能以及潤滑性能等，從而真正意義上延長刀具的使用壽命，更好地提升刀具的實際切削能力。

（2）金屬陶瓷材料。主要是將Ticn作為基體，能匹配對應的技術處理方案，形成較為優質的硬質合金材料。在應用金屬陶瓷材料制備刀具后，刀具的整體承受效果更好，相較于碳化鎢硬質合金，金屬陶瓷材料的耐高溫性以及耐磨性優勢較為突出，這就大大延長了刀具的實際使用壽命[3]。

第一，金屬陶瓷材料制備的刀具能提升加工的精密度和整潔度，被加工材料的表面較為光潔，優化了產品的外觀質量，在充分發揮刀具應用優勢的用時，也能順利完成高速切削處理工序，這對于提升綜合效益具有重要的意義，因此，具有一定的推廣價值。

第二，金屬陶瓷材料制備的刀具熱穩定性較好，尤其是化學穩定性，在高溫環境中，其自身的抗氧化效果和抗擴散性能都十分突出，實際切削操作結束后基本不會產生的積屑瘤或者是切削粘結刀具等問題，這就提升了操作模式的便捷性和質量水平，為維持整體材料應用效果提供了較好的保障[4]。

第三，在應用金屬陶瓷材料時也要關注材料自身的特性，尤其是抗沖擊性和韌性，相較于碳化鎢等硬質合金，這方面還是存在一定的弱勢。因此，在應用金屬陶瓷材料時，要結合實際應用環境和應用需求匹配相關工作，確保能減少技術局限性造成的不良影響。值得一提的是，目前在碳鋼、鑄鐵等切削深度不大或者是進給量適中的高速精加工處理模式中會應用金屬陶瓷材料制作的刀具[5]。

除此之外，相關部門還在技術研究不斷升級的基礎上對金屬陶瓷材料予以多元處理，純鉆為粘結劑的金屬陶瓷刀具已經開始投入研發，能應用在加工高速鋼項目中，在材料技術全面升級的時代背景下，金屬陶瓷材料刀具研發項目也將向著更加多元的方向發展。

（3）聚晶立方氮化硼。在刀具材料研究工作中，立方氮化硼屬于新興材料研究領域，與聚晶金剛石較為相似，立方氮化硼材料也是在高溫高壓環境下完成人工合成的材料，晶體結構以及性能優勢較為突出，并且，硬度高、導熱性能好、熱膨脹低等特性也為其應用范圍提供了保障。與此同時，立方氮化硼材料的化學穩定性和熱穩定性較好，尤其是在高溫環境中，基本不會出現任何的化學反應，這方面的優勢要遠遠高于金剛石結構，所以，若是要進行黑色金屬加工處理，多數情況下都會采取立方氮化硼[7]。

而在材料技術發展進程全面增速的時代背景下，在原有立方氮化硼基礎上研發聚晶立方氮化硼，則能更好地維持常規化切削速度，并且更有利于鑄鐵加工、耐熱合金以及黑色金屬零部件加工處理等工作。基于此，聚晶立方氮化硼被廣泛應用在高速加工灰鑄鐵工件工作中，維持較好的切削效果，也能提升切削操作的安全性。例如，硬度參數為60HRC到65HRC之間的齒輪元件、軸承元件等，對精密度要求較高，并且要求表面質量整潔，因此，都會選取聚晶立方氮化硼材料的刀具完成切削處理工作。

2.2 刀具系統接口技術

（1）刀具-機床接口技術。主要指的是兩面約束過定位夾持系統，不僅具備接觸剛度優勢，且重復定位精度較好，系統應用的是短錐柄和7:24長錐柄，能在提高刀柄和主軸連接效果的同時，維持切削速度的優化，滿足高速加工的基本需求。另外，隨著技術的發展和演進，錐度為1:10的短錐柄刀柄結構也逐漸發展起來，目前較為常見的是HSK、NT、BIG-PLUS等。例如，HSK的刀柄錐柄位置就是1:10中空短錐結構，在刀柄和主軸維持連接狀態時，依托短錐刀柄就能在主軸錐孔位置確定中心，在拉緊力的作用下借助中空刀柄的彈性變形補償端面0.1左右的間隙，實現約束性雙面定位處理。

（2）刀具-刀柄接口技術。對于高速切削工藝而言，刀柄對刀具的夾持效果具有重要的意義。若是刀柄夾持刀具的穩定性不足，不僅會降低加工精度，也會造成刀具或者是工件的損壞，引發安全事故。目前，更加適宜應用在高速切削加工處理工藝中的刀具夾頭分為以下幾類：①熱縮夾頭。利用熱脹冷縮維持刀具的可靠性夾緊效果。②高精度彈簧夾頭，為聚晶金剛石，這種金剛石結構本身是精度較高的粘結劑，相較于天然的金剛石結構，聚晶金剛石本身并不存在明確的晶粒方向性，這就能提升其硬度的均勻效果[6]。并且，聚晶金剛石具備較低的熱膨脹系數，所以，材料的導熱性能優勢較為突出。另外，聚晶金剛石的耐磨性能較好，將其應用在切削有色金屬、非金屬或者是合金材料時具有較為突出的優勢。③高精度液壓夾頭，主要是BIG-PLUS刀具，利用的是兩點夾持一體型結構，加持力和夾持精度較好。④高精度靜壓膨脹式夾頭，利用擰緊加壓螺栓的方式提升油腔內油壓的方式更好地維持其應用效果。

3 高速切削加工的刀具技術發展趨勢

在材料技術不斷發展的基礎上，刀具發展進程也在加快，不同專用性能刀具“翻新”速度較快，材料、涂層等多方面都呈現出多元趨勢，并且刀具結構也在升級，向著更加合理且模塊化的方向轉型[8]。高速切削加工的刀具技術發展趨勢見表1。

表1 高速切削加工的刀具技術發展趨勢

4 結語

總而言之，在制造技術逐漸全球化發展的同時，制造業要提升行業競爭力，就要積極推進共性基礎技術研究進程，全面整合技術方案，結合機械加工標準合理整合高速切削技術應用方案，進一步優化刀具材料、結構、涂層等方面的管控，從而優化切削加工的整體質量水平，為加工工藝系統效果升級提供支持，促進我國機械制造業可持續健康發展。