高文優(yōu)，韓芙蓉

（鄭州輕工業(yè)大學，河南 鄭州 450066）

0 引言

高速切削加工是現(xiàn)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(chǎn)業(yè)發(fā)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(fā)揮高速切削加工技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢，要選取適當?shù)牡毒咛幚矸桨?，從而減少切削力，有效規(guī)避加工中熱變形以及振動現(xiàn)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(huán)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(tǒng)的刀具切削處理操作無論是刀具定位精度還是重復(fù)定位精度都不符合實際標準，加之刀具的動態(tài)性能、靜態(tài)剛度有限，這就使得傳統(tǒng)刀具系統(tǒng)不能符合高速切削加工的需求?；诖?，要結(jié)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(qū)域[1]。

在上世紀三十年代，德國著名物理學家總結(jié)了切削加工“速度-溫度”曲線（見圖1），并且結(jié)合實際應(yīng)用要求首次提出高速切削加工工藝，在常規(guī)化的切削速度應(yīng)用范圍內(nèi)，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(xiàn)劇烈磨損現(xiàn)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(nèi)，增加切削速度不會造成切削溫度的升高甚至會出現(xiàn)降低，低于刀具能承受的溫度參數(shù)，大幅度減少切削時長，維持設(shè)備應(yīng)用效率的同時，滿足節(jié)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(shù)分析

為了能滿足高速切削加工的應(yīng)用要求，就要選取適當?shù)那邢鞯毒撸_保能提升其承受的溫度范圍，有效縮小不能切削區(qū)域的范圍，擴大應(yīng)用時效性，也能為機床應(yīng)用效率的優(yōu)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(xiàn)象、化學現(xiàn)象息息相關(guān)，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(fā)揮刀具較好的力學性能和熱穩(wěn)定性能。

2.1 刀具材料技術(shù)

（1）涂層硬質(zhì)合金技術(shù)。之所以選取硬質(zhì)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(zhì)合金材料的應(yīng)用能提升熱穩(wěn)定性，維持對應(yīng)切削工藝流程的規(guī)范性。

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

第二，鈦的化合物和鋁的化合物等涂層硬質(zhì)合金材料也具有一定的應(yīng)用價值，需要涂層到2層-3層，從內(nèi)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(yīng)的技術(shù)處理方案，形成較為優(yōu)質(zhì)的硬質(zhì)合金材料。在應(yīng)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(zhì)合金，金屬陶瓷材料的耐高溫性以及耐磨性優(yōu)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(yōu)化了產(chǎn)品的外觀質(zhì)量，在充分發(fā)揮刀具應(yīng)用優(yōu)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(wěn)定性較好，尤其是化學穩(wěn)定性，在高溫環(huán)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(jié)束后基本不會產(chǎn)生的積屑瘤或者是切削粘結(jié)刀具等問題，這就提升了操作模式的便捷性和質(zhì)量水平，為維持整體材料應(yīng)用效果提供了較好的保障[4]。

第三，在應(yīng)用金屬陶瓷材料時也要關(guān)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(zhì)合金，這方面還是存在一定的弱勢。因此，在應(yīng)用金屬陶瓷材料時，要結(jié)合實際應(yīng)用環(huán)境和應(yīng)用需求匹配相關(guān)工作，確保能減少技術(shù)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(yīng)用金屬陶瓷材料制作的刀具[5]。

除此之外，相關(guān)部門還在技術(shù)研究不斷升級的基礎(chǔ)上對金屬陶瓷材料予以多元處理，純鉆為粘結(jié)劑的金屬陶瓷刀具已經(jīng)開始投入研發(fā)，能應(yīng)用在加工高速鋼項目中，在材料技術(shù)全面升級的時代背景下，金屬陶瓷材料刀具研發(fā)項目也將向著更加多元的方向發(fā)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(lǐng)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(huán)境下完成人工合成的材料，晶體結(jié)構(gòu)以及性能優(yōu)勢較為突出，并且，硬度高、導(dǎo)熱性能好、熱膨脹低等特性也為其應(yīng)用范圍提供了保障。與此同時，立方氮化硼材料的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性較好，尤其是在高溫環(huán)境中，基本不會出現(xiàn)任何的化學反應(yīng)，這方面的優(yōu)勢要遠遠高于金剛石結(jié)構(gòu)，所以，若是要進行黑色金屬加工處理，多數(shù)情況下都會采取立方氮化硼[7]。

而在材料技術(shù)發(fā)展進程全面增速的時代背景下，在原有立方氮化硼基礎(chǔ)上研發(fā)聚晶立方氮化硼，則能更好地維持常規(guī)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?；诖耍劬Я⒎降鸨粡V泛應(yīng)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(shù)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(zhì)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(tǒng)接口技術(shù)

（1）刀具-機床接口技術(shù)。主要指的是兩面約束過定位夾持系統(tǒng)，不僅具備接觸剛度優(yōu)勢，且重復(fù)定位精度較好，系統(tǒng)應(yīng)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(yōu)化，滿足高速加工的基本需求。另外，隨著技術(shù)的發(fā)展和演進，錐度為1:10的短錐柄刀柄結(jié)構(gòu)也逐漸發(fā)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(jié)構(gòu)，在刀柄和主軸維持連接狀態(tài)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(xiàn)約束性雙面定位處理。

（2）刀具-刀柄接口技術(shù)。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(wěn)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(fā)安全事故。目前，更加適宜應(yīng)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(jié)構(gòu)本身是精度較高的粘結(jié)劑，相較于天然的金剛石結(jié)構(gòu)，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(shù)，所以，材料的導(dǎo)熱性能優(yōu)勢較為突出。另外，聚晶金剛石的耐磨性能較好，將其應(yīng)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(yōu)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(jié)構(gòu)，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(nèi)油壓的方式更好地維持其應(yīng)用效果。

3 高速切削加工的刀具技術(shù)發(fā)展趨勢

在材料技術(shù)不斷發(fā)展的基礎(chǔ)上，刀具發(fā)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(xiàn)出多元趨勢，并且刀具結(jié)構(gòu)也在升級，向著更加合理且模塊化的方向轉(zhuǎn)型[8]。高速切削加工的刀具技術(shù)發(fā)展趨勢見表1。

表1 高速切削加工的刀具技術(shù)發(fā)展趨勢

4 結(jié)語

總而言之，在制造技術(shù)逐漸全球化發(fā)展的同時，制造業(yè)要提升行業(yè)競爭力，就要積極推進共性基礎(chǔ)技術(shù)研究進程，全面整合技術(shù)方案，結(jié)合機械加工標準合理整合高速切削技術(shù)應(yīng)用方案，進一步優(yōu)化刀具材料、結(jié)構(gòu)、涂層等方面的管控，從而優(yōu)化切削加工的整體質(zhì)量水平，為加工工藝系統(tǒng)效果升級提供支持，促進我國機械制造業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展。