高速切削刀具的发展现状

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1、* 中国博士后科学基金资助项目( 项目编号: 中博基2000 -23)收稿日期: 2000 年11 月高速切削刀具的发展现状*山东大学机械工程学院( 济南 250061) ?刘战强? 艾? 兴摘? 要: 对国内外高速切削刀具的发展现状进行了综合评述, 重点介绍了高速切削刀具材料和高速切削刀具技术(包括刀具动平衡技术、 刀柄系统、 刀具安全性、 可转位面铣刀结构、 刀具监测技术等)的开发及应用。关键词: 高速切削, ? 刀具Developing State of High Speed Cutting ToolsLiu Zhanqiang et alAbstract:The developing

2、state of high speed cutting tools at home and abroad is summarized. The developments and applica -tions of tool materials and tooling technologiesfor high speed cutting, including tool dynamic balance, tool holder system, tool se -curity, structure of face milling cutters with indexable inserts and

3、tool monitoring are introduced emphatically.Keywords: high speed machining, ? cutting tool? ?1? 引言在机械加工中, 切削、 磨削加工目前仍是零件最终形成的主要工艺手段。切削加工的主要发展方向 之一是高速切削( 包括高速软切削、 高速硬切削、 高速干切削、 大进给量切削等) 。高速切削时, 随着切削速度的提高, 切削力逐渐减小, 切削温升逐渐趋 缓, 加工表面质量提高, 加工成本降低1。为实现切削加工的高速化, 必须研究及开发与高速切削相适应的刀具材料、 刀具结构及刀具监控技术。? ?2? 高速切削刀

4、具材料的发展现状从十九世纪中期迄今, 刀具材料的发展进程如表1 所示。刀具材料的进步是切削加工技术进步的决定性因素之一2。对于高速切削加工, 刀具材料 更具有举足轻重的影响。当切削速度提高时, 工具钢材料的刀尖往往会因无法承受切削高温而发生烧蚀或急剧磨损。另一种主要刀具材料硬质合金的主 要成分为WC 或 TiC 等硬质碳化物, 但由于采用铁系金属作为结合剂, 因此通常也难以承受高速切削产生的高温。超硬材料金刚石在 700 ? 左右会发生氧化, 但用于加工有色金属时, 由于切削温度不是太 高, 尚可实现较高速度的切削。近三、 四十年来刀具材料所取得的突破使高速切削中出现的问题得到了较好解决。一些

5、新型刀具材料( 如氧化物、 碳化物、 氮化物陶瓷刀具和 CBN 等) 具有良好的耐热性; 晶须增韧陶瓷刀具和涂层技术的应用大大提高了刀具硬度, 并使刀具兼有高硬度的刃部和高韧性的基体;用聚晶方法得到的聚晶立方氮化硼( PCBN) 刀片的硬度高达3500 4500HV, 己成为高速切削淬硬钢的首选刀具3, 4; 同样用聚晶方法得到的聚晶金刚石( PCD) 刀片的硬度可达 6000 10000HV, 用 PCD 材料制作的车刀、 铣刀、 钻头等可对有色金属进行高速切削, 有时也应用于黑色金属的切削加工。表 1? 刀具材料的发展进程材料类型各种刀具材料系列发展年代工具钢碳素工具钢 合金工具钢1850

6、 ?高速钢通用高速钢 高性能高速钢 低合金高速钢 粉末冶金高速钢 涂层高速钢1928 1978 1954 1970 1980 1977 ?硬质合金普通硬质合金 超微粒硬质合金 涂层硬质合金 TiC 基硬质合金( 金属陶瓷)1923 1969 1967 1970 1959 1978 1965 1974陶瓷氧化铝基陶瓷 碳化硅基陶瓷1938 1955 1981超硬刀具材料天然金刚石 聚晶金刚石 立方氮化硼? 1955 1974 1957 1974? ? 目前适用于高速切削的刀具主要有涂层刀具、金属陶瓷( TiCN 基硬质合金) 刀具、 陶瓷刀具、 立方氮化硼( CBN) 、 聚晶金刚石( PCD)

7、 刀具等。2. 1? 国外高速切削刀具材料发展现状( 1) 涂层刀具材料涂层刀具是通过在刀具基体上涂覆金属化合物薄膜, 以获得远高于基体的表面硬度和优良的切削性能5。常用的刀具基体材料主要有高速钢、 硬质合金、 金属陶瓷、 陶瓷等; 涂层既可以是单涂层、 双涂层或多涂层, 也可以是由几种涂层材料复合而成的复合涂层。硬涂层刀具的涂层材料主要有氮化钛32001 年第 35卷? 3(TiN) 、 碳氮化钛( TiCN) 、 氮化铝钛( TiAlN) 、 碳氮化铝钛( TiAlCN) 等, 其中 TiAlN 在高速切削中性能优异, 其最高工作温度可达 800? 。近年来相继开发 的一 些新型 PVD

8、硬涂 层材料, 如 CBN、 氮化 碳(CNx) 、 Al2O3、 氮化物( TiN/ NbN, TiN/VN) 等, 在高温下具有良好的热稳定性, 十分适合用于高速切削。金刚石膜涂层刀具主要适用于加工有色金属。软涂 层刀具( 如采用硫族化合物 MoS2、 WS2作为涂层材料的高速钢刀具) 主要用于加工高强度铝合金、 钛合金或贵重金属材料。此外, 最新开发的纳米涂层刀 具材料在高速切削中也具有广阔的应用前景, 如日本住友公司已开发出纳米 TiN/AlN 复合涂层铣刀片, 涂层共达 2000 层, 每层涂层厚度为 2. 5nm 6。( 2) 金属陶瓷刀具材料 金属陶瓷具有较高的室温硬度、 高温硬

9、度及良好的耐磨性。金属陶瓷材料主要包括高耐磨性 TiC基硬质合金( TiC+ Ni 或 Mo) 、 高韧性 TiC 基硬质合 金(TiC+ TaC+ WC) 、 强韧TiN 基硬质合金( 以TiN 为主体) 、 高强韧性TiCN 基硬质合金(TiCN+ NbC) 等。金属陶瓷刀具可在 300 500m/ min 的切削速度范围内高速精车钢和铸铁。 ( 3) 陶瓷刀具材料陶瓷刀具材料主要有氧化铝基和氮化硅基两大类, 是通过在氧化铝和氮化硅基体中分别加入碳化 物、 氮化物、 硼化物、 氧化物等得到的, 此外还有多相陶瓷材料。目前国外开发的氧化铝基陶瓷刀具约有20 余个品种, 约占陶瓷刀具总量的 2

10、/ 3; 氮化硅基陶瓷刀具约有 10 余个品种, 约占陶瓷刀具总量的 1/ 3 7。陶瓷刀具可在 200 1000m/ min 的切削速度范围内高速切削软钢( 如 A3 钢) 、 淬硬钢、 铸铁及其合金等。( 4) CBN 刀具材料 立方氮化硼( CBN) 刀具具有极高的硬度及红硬性, 是高速精加工或半精加工淬火钢、 冷硬铸铁、 高温合金等的理想刀具材料。由于 CBN 刀具加工高 硬度零件时可获得良好的加工表面粗糙度, 因此采用CBN 刀具切削淬硬钢可实现? 以切代磨?。由于CBN 刀坯价格较高及考虑重磨等因素, 一般是在可转位硬质合金刀片的一个角上镶焊一块 CBN 刀坯, 且通常只做一个刀尖

11、。研究证明, 采用纯 CBN 材料制成的刀具在许多情况下并不能获得最佳加工效果8,为此, 国外已开发出各种成分配比的 CBN 刀 片及 CBN+ 金属陶瓷复合刀片, 根据不同的加工用途, 刀片中的 CBN 含量也应相应变化( 见表2) 。表 2? 对应不同加工用途的刀片 CBN 含量CBN 含量刀片加工用途50%连续切削淬硬钢( 45 65HRC)65%半断续切削淬硬钢( 45 65HRC)80%加工镍铬铸铁90%连续重载切削淬硬钢( 45 65HRC)80% 90%高速切削铸铁( v= 500 1300m/min) 粗切削、 半粗切削淬硬钢? ( 5) PCD 刀具材料聚晶金刚石( PCD)

12、 材料具有高硬度、 高耐磨性、高导热性及低摩擦系数等特点, PCD 刀具可实现有色金属及耐磨非金属材料的高速、 高精度、 高稳定性加工。多齿焊接式 PCD 刀具的切削刃对刀柄的跳动较小, 尤其适合对各种有色金属零件的成形面、孔、 阶梯孔等进行大批量高速加工9, 如采用铝基体刀盘的 ?100mm 六齿高速铣刀的最高切削速度可达 7000m/min。PCD 颗粒的大小对刀具的加工性能影响较大, 如 PCD 粒径为 10 25? m 的 PCD 刀具适于切削加工Si 含量?12% 的铝合金( 切削速度 v= 300 1500m/ min) 及硬质合金; PCD 粒径为 8 9? m 的PCD 刀具适

13、于切削加工 Si 含量 ? 12% 的铝合金( 切削速度 v = 500 3500m/ min) 及通用非金属材料;PCD粒径为 4 5? m 的 PCD 刀具适于切削加工FRP、 木材或纯铝等材料。 ( 6) 高速钢、 硬质合金刀具材料高性能钴高速钢、 粉末冶金高速钢、 整体硬质合金材料等已成为制造滚刀、 剃齿刀、 插齿刀等齿轮刀具的主流刀具材料, 可用于齿轮的高速切削。用硬质合金粉末、 高速钢粉末配制而成的新型粉末冶金材料制成的滚刀其滚削速度可达 150 180m/ min,如再对其进行 TiAlN 涂层处理, 则可应用于高速干 切削。用细颗粒硬质合金制造并涂覆耐热、 耐磨及润滑涂层的麻花

14、钻在高速湿式加工结构钢和合金钢时, 切 削 速 度 可 达 200m/ min, 进 给 速 度 可 达1600mm/min; 进行高速干式钻孔时切削速度可达150m/ min, 进给速度可达 1200mm/ min。用细颗粒硬质合金制成的高速丝锥加工普通铸铁时, 最高攻丝速度可达100m/ min 6。2. 2? 国内高速切削刀具材料发展现状目前国内最常用的刀具材料仍为高速钢和硬质合金, 且以普通高速钢和普通硬质合金为主。硬质合金焊接刀具的应用仍十分普遍; 铝高速钢、 粉末冶 金高速钢的使用很少; 由于市场供应的国产高速钢质量下滑, 使含钴高速钢刀具品质较差; 高性能硬质合金及细( 超细)

15、颗粒硬质合金较少, 几乎无专用牌4工 具 技 术号6。我国的刀具涂层技术与国外相比差距较大,金刚石膜涂层技术尚处于研发阶段; 尚无商品化 TiCN 涂层产品; TiAlN、 MoS2涂层、 纳米涂层等新技术尚待研究; 具有优良耐磨性、 抗高温、 抗热震性的 高速切削刀具材料也亟待开发。国内对于陶瓷刀具的研究较为充分, 已基本建立了融切削学和陶瓷学为一体的、 基于切削可靠性的陶瓷刀具材料设计、 研 究理论新体系 10。国产氧化铝基陶瓷刀具已有近20 个品种( 部分产品性能及用途见表 3) , 氮化硅基 陶瓷刀具已有近 10 个品种, 陶瓷刀具的生产能力也较大。目前陶瓷刀具的研发水平已达到国际先进

16、水 平, 陶瓷刀具的性能水平也不低于国外同类产品。已开发成功陶瓷 ? 硬质合金复合刀片、 梯度功能陶瓷刀片、 多种采用协同增韧机理的陶瓷刀具等国外 尚未见报道的新产品。目前与国外的差距主要表现在制造工艺水平较低, 高精度陶瓷刀片和某些品种的陶瓷刀具( 如加入氮化物的陶瓷刀具) 质量欠佳, 陶瓷刀具的推广应用也不如发达国家普遍。表 3? 部分新型陶瓷刀具材料的物理性能及用途 10牌号密度 ( g?cm- 3)硬度 ( HRA)抗弯强度 ( MPa)断裂韧性 (MPa?m1/ 2)用? ? 途LT554. 9693. 7 94. 89005. 04适于加工多种钢 ( 55HRC ) 和 铸 铁, 特别适于加 工超高强度钢和 高硬铸铁SG -46. 6594. 7 95. 38504. 94适于加工各种钢 和铸铁, 特别适 于加 工 淬 硬钢 ( 60 65HRC)JX -13. 6394 95700 8008.5适于加工高温镍 基合金JX -23. 7393 94650 750