高速、高效切削

    隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，我們正處于先進(jìn)制造技術(shù)快速發(fā)展時(shí)期，數(shù)控機(jī)床的推廣應(yīng)用，大大降低了零件加工的輔助時(shí)間，極大地提高了生產(chǎn)率。航空零件加工的總工時(shí)中，輔助時(shí)間縮短，切削所占的時(shí)間比例就相應(yīng)增大，要想進(jìn)一步提高機(jī)床的生產(chǎn)率，必須大幅度提高切削速度，這也是近幾十年來高速切削技術(shù)迅速發(fā)展的主要原因。高速加工最早主要用于航空工業(yè)輕合金的加工，現(xiàn)已成為航空制造業(yè)提高加工效率和質(zhì)量、降低加工成本的主要途徑。

    在航空零部件加工中，高速切削正在被大量應(yīng)用，主要有以下幾個(gè)原因：

    （1）為了最大限度地減重和滿足其他一些要求，許多構(gòu)件、壁板等采用“整體制造法”，即在大塊毛坯上去除余量，形成薄壁，細(xì)筋結(jié)構(gòu)的零件，需要去除大量金屬材料，導(dǎo)致切削時(shí)間占用零件總生產(chǎn)時(shí)間比例很大，因此提高生產(chǎn)率的途徑之一就是采用高速切削加工。

    （2）飛機(jī)零件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度高，零件的薄壁、細(xì)筋結(jié)構(gòu)剛度差，要盡量減少加工中的徑向切削力和熱變形，只有采用高速切削加工才能滿足這些要求。

    （3）難加工材料，如鎳基高溫合金、鈦合金、高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼被現(xiàn)代航空產(chǎn)品大量采用，這些材料強(qiáng)度大、硬度高，耐沖擊、加工中容易硬化，切削溫度高、刀具磨損嚴(yán)重，屬于難加工材料。一般采用很低的切削速度進(jìn)行加工，如果采用高速切削，不但可以大幅度提高生產(chǎn)率而且可以有效地減少刀具磨損，提高零件的表面質(zhì)量。

    高速切削加工具有不同于傳統(tǒng)切削加工技術(shù)的加工機(jī)理和應(yīng)用優(yōu)勢，它是數(shù)控加工工藝觀念的轉(zhuǎn)變。根據(jù)航空產(chǎn)品的材料和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，要實(shí)現(xiàn)高速加工必須以先進(jìn)高速切削刀具為保證。高速切削刀具必須具有良好的耐磨性和高強(qiáng)度韌性，先進(jìn)的刀具材料、優(yōu)良的刀具涂層技術(shù)、合理的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，高度動(dòng)平衡刀具系統(tǒng)，安全可靠的夾緊方式，以及高同心度的刀刃精度等等。

    刀具切削材料的發(fā)展方向及應(yīng)用

    目前，在飛機(jī)制造領(lǐng)域中，高速鋼刀具約占總各類切削加工總刀具量的60%，硬質(zhì)合金刀具約占總刀具量的35%，超硬刀具（立方氮化硼、金剛石）占全部刀具總量不超過5%，今后隨著航空新材料不斷涌現(xiàn)，硬切削、干切削應(yīng)用的增加，硬質(zhì)合金刀具、涂層刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼刀具和聚晶金剛石刀具的比例將大幅提高。

    1硬質(zhì)合金材料的發(fā)展

    為了滿足高速切削技術(shù)的迅猛發(fā)展，以硬質(zhì)合金為主的各種刀具材料性能已經(jīng)全面提高，細(xì)顆粒、超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金的開發(fā)及涂層技術(shù)在硬質(zhì)合金刀具上的應(yīng)用顯著地提高了硬質(zhì)合金材料的強(qiáng)度和韌性，用它制造的整體合金刀具正逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的高速鋼刀具，使切削速度和加工效率提高了數(shù)倍，為高速切削的推廣應(yīng)用打下了重要基礎(chǔ)。整體硬質(zhì)合金還在一些復(fù)雜成形刀具中得到了應(yīng)用，滿足了產(chǎn)品加工多樣性的需求。目前國內(nèi)廈門金鷺特種合金有限公司、株洲鉆石硬質(zhì)切削刀具股份有限公司、四平博爾特工藝裝備有限公司及陜西航空硬質(zhì)合金工具公司都能為航空工業(yè)提供硬質(zhì)合金刀具，其產(chǎn)品性能接近世界先進(jìn)水平。

    21世紀(jì)硬質(zhì)合金刀具材料應(yīng)重點(diǎn)在2方面發(fā)展：一是細(xì)化晶粒使之達(dá)到納米級微晶等級。硬質(zhì)合金晶粒尺寸越小，硬質(zhì)合金的硬度就越高其耐磨性就越好，韌性和剛度也就越高，從而擴(kuò)大其應(yīng)用范圍；二是應(yīng)用新技術(shù)新工藝開發(fā)新型硬質(zhì)合金提高硬質(zhì)合金內(nèi)在性能和質(zhì)量。

    2涂層技術(shù)的發(fā)展

    刀具涂層技術(shù)在現(xiàn)代切削加工和刀具發(fā)展中起著十分重要作用，自問世以來發(fā)展非常迅速，尤其是近幾年取得了重大進(jìn)展，化學(xué)涂層（CVD）仍然是可轉(zhuǎn)位刀片的主要涂層工藝，相繼開發(fā)了中溫CVD、厚膜三氧化二鋁、過渡層等新工藝，在基體材料改善的基礎(chǔ)上，使CVD涂層的耐磨性和韌性都得到了提高；而物理涂層（PVD）技術(shù)也取得了重大突破，在涂層設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工藝過程、自動(dòng)控制等方面都取得了重大進(jìn)展，開發(fā)了適應(yīng)高速切削、干切削、硬切削的耐熱性更好的涂層，通過對涂層結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，開發(fā)了納米、多層結(jié)構(gòu)等大量新型涂層，大幅度提高了涂層硬度和韌性。

    3超硬刀具材料的發(fā)展

    超硬材料是指金剛石和立方氮化硼（CBN），其硬度比其他刀具材料高出幾倍，金剛石是自然界中最硬的物質(zhì)，CBN的硬度僅次于金剛石。近年來，超硬刀具材料發(fā)展迅速。

    金剛石刀具材料分為5類：天然金剛石（ND）、人造聚晶金剛石復(fù)合片（PCD/CC）、金剛石薄膜涂層刀具（CD）、金剛石厚膜刀具（FCD）和人造聚晶金剛石（PCD）。ND的結(jié)晶各向異性，在進(jìn)行刀磨的使用時(shí)必須選擇適宜的方向；人造金剛石各向同性，其硬度低于ND,但強(qiáng)度與韌性好于ND。

    金剛石刀具能夠有效地加工非鐵金屬材料和非金屬材料。如銅、鎢等有色金屬及其合金，陶瓷、硬質(zhì)合金，各種纖維和顆粒加強(qiáng)復(fù)合材料，塑料、橡膠、石墨、玻璃和木材等，但金剛石忌切鋼鐵和其他鐵族元素。

    立方氮化硼（CBN）刀具材料具有極高的硬度和紅硬性，是高速精加工或半精加工淬火鋼、冷硬鑄鐵、高溫合金的理想刀具材料，由于CBN刀具加工高硬度零件時(shí)可以獲得良好的加工表面粗糙度，因此采用CBN刀具切削淬火鋼可以實(shí)現(xiàn)“以切代磨”。

    4高速鋼材料的發(fā)展

    在未來刀具材料發(fā)展中仍要提到高速鋼材料的發(fā)展，盡管高速鋼材料在全世界的銷售額正逐年減少，但高性能鈷高速鋼和粉末冶金高速鋼的使用量仍在不斷增加，這2種高性能高速鋼比普通高速鋼具有更好的耐磨性、紅硬性和使用的可靠性。隨著人們對切削加工效率追求的提高和觀念的轉(zhuǎn)變，這些高性能高速鋼刀具在航空領(lǐng)域被大量采用。如航空難加工材料，自動(dòng)鉆鉚機(jī)上使用的鉆、擴(kuò)、鉸、锪一體高精度復(fù)合刀具以及加工飛機(jī)零件復(fù)雜型面的各類復(fù)合刀具。

    隨著科技進(jìn)步，先進(jìn)制造系統(tǒng)，高速切削、超精密加工、綠色制造的發(fā)展和付諸實(shí)現(xiàn)，對刀具提出了全新要求，未來刀具材料也必將有重大發(fā)展。刀具材料與工件材料雙方交替發(fā)展和相互促進(jìn)，成為切削刀具不斷向前發(fā)展的歷史規(guī)律。在未來，刀具材料必將面臨工件性能提高，加工批量加大和制造精度提升的更嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。材料科學(xué)的進(jìn)步，推動(dòng)了刀具材料的發(fā)展，而刀具材料的發(fā)展應(yīng)考慮原材料資源的制約。新品種的出現(xiàn)，新舊品種各自所占比重的變化以及它們之間相互競爭和相互補(bǔ)充的格局，將成為未來刀具材料發(fā)展的新特點(diǎn)。

    刀具新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、新品種的發(fā)展及趨勢

    隨著制造業(yè)的高速發(fā)展，航空工業(yè)及模具行業(yè)等重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)部門對切削加工不斷提出更高的要求，推動(dòng)了采用新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的刀具不斷涌現(xiàn)，不斷豐富刀具品種。國內(nèi)外刀具制造商，如廈門金鷺特種合金有限公司等為了滿足航空制造對刀具的要求，與航空制造企業(yè)緊密合作，開發(fā)新型刀具。由于飛機(jī)零件具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度高、零件壁薄和飛機(jī)零件采用鈦合金、鎳基合金、碳纖維及其他難加工材料多的特點(diǎn)，因此引導(dǎo)著航空刀具研制向以下方向發(fā)展。

    （1）高精度、高效率、高表面質(zhì)量。傳統(tǒng)的刀形參數(shù)已不能滿足現(xiàn)代切削對刀具要求，廈門金鷺公司研發(fā)人員根據(jù)加工要求和加工特點(diǎn)開發(fā)了高效鋁合金加工系列產(chǎn)品，采用超細(xì)晶硬質(zhì)合金棒材；大圓弧開槽和漸變芯徑設(shè)計(jì)，使得刀具剛性和排屑能力大大加強(qiáng)；刃口拋光技術(shù)和容屑槽特殊處理工藝使被加工大大提高；加工過程中應(yīng)用工裝和加工工藝使整批刀具外徑公差控制在10μm以下，軸向徑向跳動(dòng)控制在5μm以下，刀具動(dòng)平衡等級控制在G2.5以下。獲得到國家專利保護(hù)，在國內(nèi)大型飛機(jī)制造廠與國外知名刀具對比中替代進(jìn)口。

    （2）超高精度、超長壽命。在加工大批量產(chǎn)品、復(fù)雜工件、精密工件，一般的刀具無法滿足要求，廈門金鷺公司研發(fā)人員開發(fā)金剛石涂層拋光刀具，金剛石涂層刀具在非鐵材料加工上表現(xiàn)超長的壽命，如加工碳纖維、石墨、鋁合金、復(fù)合材料等壽命是其他涂層刀具50倍以上，但缺點(diǎn)是其表面粗糙度不夠理想。廈門金鷺公司研發(fā)人員應(yīng)用獨(dú)特工藝對金剛石涂層進(jìn)行拋光處理，使被加工表面達(dá)到鏡面效果，兼具超長壽命和超高精度的特點(diǎn)，獲得國家專利保護(hù)。

    （3）高強(qiáng)度、高剛性等難加工材料。隨著材料科學(xué)的快速發(fā)展，越來越多的難切削材料運(yùn)用到各個(gè)領(lǐng)域，以TC18為例，與普通鈦合金相比，其加工效率是TC4的1/3，其轉(zhuǎn)速、進(jìn)給、吃刀量都不同程度下調(diào)，廈門金鷺公司研發(fā)人員與西安飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司共同合作，開發(fā)雙螺旋不等分刀具和前波刃刀具，應(yīng)用和開發(fā)無鈦涂層，不僅適合槽加工也適合側(cè)加工，而且加工率要高于普通鈦合金加工。

    （4）各類金屬材料與各類復(fù)合材料夾層加工。近年來，隨著航空技術(shù)的飛速發(fā)展，某些航空產(chǎn)品具有特殊的功能及用途，采用傳統(tǒng)單一材料已不能滿足使用要求，為了滿足這些產(chǎn)品的特殊功能，采用了材料夾層技術(shù)，如鎳基合金、鈦合金、不銹鋼等金屬與碳纖維、芳綸等非金屬材料疊加的夾層材料。由于以上金屬與非金屬都屬于難加工材料，并且加工性能也截然不同，所以很難制造出同時(shí)滿足加工以上金屬與非金屬夾層的刀具。廈門金鷺公司、四平博爾特工藝裝備公司人員與西飛公司刀具設(shè)計(jì)人員共同研制了加工以上夾層材料的新型刀具。

    （5）開發(fā)多功能刀具和高效專用刀具。航空零部件的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度高。對結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高的零件盡量使用一種刀具來完成加工，這樣既減少了換刀次數(shù)，又節(jié)省了換刀時(shí)間，提高了加工效率，降低了制造成本。如以色列伊斯卡刀具公司的“霸王刀”，在一個(gè)刀頭的幾個(gè)方向上都有切削刃，可在一次裝卡工序中完成左右車外園、車端面、切溝槽、倒角、仿形等多道工序，節(jié)省刀具數(shù)量、減少換刀時(shí)間，提高工效1～3倍。

    國內(nèi)廠家廈門金鷺與四平博爾特工藝裝備有限公司開發(fā)的多功能成型組合專用刀具、階梯刀具、內(nèi)冷孔鉆擴(kuò)鉸組合刀具等都是一種刀具完成多個(gè)工序的加工任務(wù)。這些多功能刀具的開發(fā)充分體現(xiàn)了多功能刀具在提高加工效率、降低制造成本、節(jié)約投資方面的重要作用。

    （6）可轉(zhuǎn)位刀具廣泛使。以往在航空材料加工中整體刀具占絕大多數(shù)，隨著航空材料中鈦合金、高溫合金、高強(qiáng)度鋼在應(yīng)用中的增加，可轉(zhuǎn)位刀具的應(yīng)用也逐步增加，可轉(zhuǎn)位刀具具有不經(jīng)焊接、無裂紋等缺陷，充分發(fā)揮原有刀片的切削性能，并減少機(jī)床停機(jī)磨刀，裝卸刀具的輔助時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，使用可轉(zhuǎn)位刀具比焊接刀具可提高切削效率35%以上。目前西方國家可轉(zhuǎn)位刀具進(jìn)入成熟期，其品種不斷增加，結(jié)構(gòu)優(yōu)化，幾何參數(shù)更加合理，在切削刀具中占有率達(dá)到80%左右，我國使用不到30%。所以對于我國航空工業(yè)零件加工，更廣泛使用可轉(zhuǎn)位刀具是未來的發(fā)展方向。

    （7）刀具設(shè)計(jì)研制的數(shù)字化�，F(xiàn)代刀具不僅應(yīng)能滿足高速切削、干式切削、硬切削、復(fù)合切削加工等先進(jìn)切削技術(shù)的需求，而且要滿足產(chǎn)品功能的多樣化、結(jié)構(gòu)的合理化、外形的實(shí)用美觀等方面的更高要求，但以往刀具的設(shè)計(jì)主要依靠經(jīng)驗(yàn)，依靠試驗(yàn)法，這種設(shè)計(jì)方法效率低、設(shè)計(jì)周期長、開發(fā)新產(chǎn)品難度大，顯然已阻礙了新型刀具的開發(fā)和使用，無法滿足先進(jìn)切削加工技術(shù)的需求。

    現(xiàn)代切削技術(shù)的發(fā)展迫切需要先進(jìn)的刀具設(shè)計(jì)技術(shù)，而刀具設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是空間角度難計(jì)算，形狀復(fù)雜，尺寸繁多并且切削機(jī)理復(fù)雜，但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及CAD/CAM技術(shù)的高速發(fā)展，采用先進(jìn)技術(shù)和專用的應(yīng)用軟件及刀具仿真技術(shù)進(jìn)行刀具的研制開發(fā)將成為未來刀具設(shè)計(jì)與開發(fā)的方向。

    與刀具相關(guān)新技術(shù)的發(fā)展

    刀具的切削不僅取決于刀具本身，還與使用機(jī)床、刀具與機(jī)床的連接、刀具的刀柄系統(tǒng)、刀具的動(dòng)平衡、刀具安全監(jiān)控系統(tǒng)等密切相關(guān)，而與刀具相關(guān)的技術(shù)也與刀具技術(shù)一起在科技進(jìn)步推動(dòng)下取得了新的進(jìn)展。

    1高速切削時(shí)刀具刀柄系統(tǒng)

    加工中心等數(shù)控機(jī)床以前一直采用傳統(tǒng)的7∶24實(shí)心錐柄工具系統(tǒng)，這種刀柄由于只靠錐面結(jié)合，刀柄與主軸的聯(lián)接剛性較低，主軸轉(zhuǎn)速超過10000r/min，聯(lián)接剛性的不足更為明顯。對采用ATC刀柄換刀來說，每次換刀后，刀具的徑向尺寸都可能發(fā)生變化，存在著重復(fù)定位精度低問題。為解決這些問題主要對標(biāo)準(zhǔn)7∶24刀柄進(jìn)行改進(jìn)。在HSK刀柄的啟發(fā)下，近年來出現(xiàn)了7∶24刀柄的新型聯(lián)接技術(shù)，如日本日研公司和大昭和公司分別研制出三處接觸（3LOCKSYSTEM）和雙面（BIGPLUS）2種7∶24聯(lián)接刀柄。與標(biāo)準(zhǔn)的7∶24刀柄比較，它們有更高的聯(lián)接剛性和精度，可用于高速、高效切削，并且還能與現(xiàn)有7∶24刀柄或機(jī)床兼容，是7∶24刀柄未來的發(fā)展方向，除對標(biāo)準(zhǔn)7∶24刀柄結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造外，目前主要采用新型的HSK刀柄和KM刀柄。

    HSK刀柄是一種新型的高速錐形刀柄，其接口采用錐面和端面2面同時(shí)定位的方式，刀柄為中定，錐體長度較短，有利于實(shí)現(xiàn)換刀的輕型化及高速化，由于采用端面定位，完全消除了軸向定位誤差，使高速、高精加工成為可能也是我們國內(nèi)制造廠刀具制造發(fā)展方向。高速刀具與主軸的連接技術(shù)隨著科技進(jìn)步今后還將得到不斷發(fā)展，使一些新概念刀柄——HSK、KM、3LOCK、BIGPLUS等刀柄得到進(jìn)一步改進(jìn)和完善。

    當(dāng)前主軸與刀具連接技術(shù)發(fā)展方向是：

    （1）采用雙面定位系統(tǒng)；

    （2）裝夾精度高，夾持剛性好，結(jié)構(gòu)緊湊；

    （3）刀柄帶平衡和減振裝置；

    （4）發(fā)展多功能和智能型刀柄。

    2刀具動(dòng)平衡技術(shù)

    對高速旋轉(zhuǎn)的刀具還有平衡與安全問題，在高速主軸系統(tǒng)中，任何旋轉(zhuǎn)體的不平衡都會產(chǎn)生離心力，不平衡的刀具或刀柄在高速切削時(shí)產(chǎn)生的離心力使機(jī)床產(chǎn)生振動(dòng)，旋轉(zhuǎn)刀具微小的不平衡量，在高速切削時(shí)都會造成很大的離心力，刀具不平衡產(chǎn)生的不規(guī)則切削力，將導(dǎo)致不規(guī)則的磨損，其結(jié)果一方面會影響工件的加工精度和表面質(zhì)量，另一方面會影響主軸軸承和刀具的使用壽命，更主要的是影響高速切削的安全性，所以高速切削需要認(rèn)真進(jìn)行刀具的動(dòng)平衡。

    目前國外公司根據(jù)刀具動(dòng)平衡的要求開發(fā)了專用刀具動(dòng)平衡儀，德國的HAIMER公司和意大利的CEMB公司推出了立式刀具動(dòng)平衡儀，都可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的刀具動(dòng)平衡測量。新型動(dòng)平衡測量儀發(fā)展的方向是測量精確高效、操作方便、功能強(qiáng)大。

    3刀具刃口鈍化的發(fā)展

    目前國外進(jìn)口的整體刀具或可轉(zhuǎn)位刀片刃口大都進(jìn)行了刃口的鈍化。經(jīng)鈍化后的刀具或刀片刃口微觀缺陷徹底清除，有效地增加了刃口強(qiáng)度，其刀具耐用度一般可提高20%至一倍，我國目前只有廈門金鷺特種合金有限公司等少數(shù)公司對刀具刃口進(jìn)行了鈍化處理，而其余大部分刀具都未進(jìn)行鈍化處理，耐用度低，刀具消耗費(fèi)用大，所以刀具刃口的鈍化是我國當(dāng)前刀具制造發(fā)展的一個(gè)方向。

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