隨著數(shù)控機(jī)床和加工中心等高效設(shè)備應(yīng)用的日漸普及，在航空航天、汽車、高速列車、風(fēng)電、電子、能源、模具等裝備制造業(yè)的空前發(fā)展推動(dòng)下，切削加工已邁入了一個(gè)以高速、高效和環(huán)保為標(biāo)志的高速加工發(fā)展的新時(shí)期—現(xiàn)代切削技術(shù)階段。

    高速切削、干切削和硬切削作為當(dāng)前切削技術(shù)的重要發(fā)展趨向，其重要地位和角色日益凸顯。對(duì)這些先進(jìn)切削技術(shù)的應(yīng)用，不僅令加工效率成倍提高，亦著實(shí)推動(dòng)了產(chǎn)品開發(fā)和工藝創(chuàng)新的進(jìn)程。例如，精密模具硬質(zhì)材料的型腔，采用高轉(zhuǎn)速、小進(jìn)給量和小吃深加工，既可獲得很高的表面質(zhì)量，又能夠省卻磨削、EDM和手工拋光或減少相應(yīng)工序的時(shí)間，從而縮短生產(chǎn)工藝流程，提高生產(chǎn)率。

    過去一些企業(yè)制作復(fù)雜模具時(shí)，基本上都需要3~4個(gè)月才能交付使用，而現(xiàn)在采用高速切削加工後，半個(gè)月便可完成。據(jù)調(diào)查，一般的工模具，有60%的機(jī)加工量可用高速加工工藝來實(shí)現(xiàn)。

    高速加工時(shí)，不但要求刀具可靠性高、切削性能好、能穩(wěn)定地?cái)嘈己途硇肌⑦€要能達(dá)成高精度，并能實(shí)現(xiàn)快換或自動(dòng)更換等。因此，對(duì)刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)、以及刀具的裝夾都提出了更高要求。

    對(duì)刀具材料的要求

   高速加工刀具最突出的要求是，既要有高的硬度和高溫硬度，又要有足夠的斷裂韌性。為此，須選用細(xì)晶粒硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金、陶瓷、聚晶金剛石(PCD)和聚晶立方氮化硼(PCBN)等刀具材料—它們各有特點(diǎn)，適應(yīng)的工件材料和切削速度范圍也都不同。例如，高速加工鋁、鎂、銅等有色金屬件，主要采用PCD和CVD金剛石膜涂層刀具。高速加工鑄件、淬硬鋼(50~67HRC)和冷硬鑄鐵主要用陶瓷刀具和PCBN刀具。

   上海大眾汽車有限公司采用Seco刀具(上海)公司生產(chǎn)的立方氮化硼CBN300刀片面銑刀，在柔性生產(chǎn)線上高速銑削發(fā)動(dòng)機(jī)缸體平面(鑄件)，切削速度高達(dá)1600m/min，進(jìn)給速度5000mm/min。用PCD刀具加工鋁合金的切削速度一般為3000-4000m/min，最高更可達(dá)7500m/min。而用陶瓷和PCBN刀具加工淬硬鋼和冷硬鑄鐵時(shí)的切削速度已達(dá)200m/min。

    1.硬質(zhì)合金已邁入細(xì)晶粒超細(xì)晶粒階段

    涂層硬質(zhì)合金刀具(如TiN、TiC、TiCN、TiAlN等)雖其加工工件材料范圍廣，但抗氧化溫度一般不高，所以通常只宜在400-500m/min的切削速度范圍內(nèi)加工鋼鐵件。對(duì)於Inconel718高溫鎳基合金可使用陶瓷和PCBN刀具。據(jù)報(bào)道，加拿大學(xué)者用SiC晶須增韌陶瓷銑削Inconel718合金，推薦最佳的切削條件為：切削速度700m/min，吃深為1-2mm，每齒進(jìn)給量為0.1-0.18mm/z。

    目前，硬質(zhì)合金已進(jìn)入細(xì)晶粒(1-0.5μm)和超細(xì)晶粒(<0.5μm)的發(fā)展階段，過去細(xì)晶粒多用於K類(WC+Co)硬質(zhì)合金，近幾年來P類(WC+TiC+Co)和M類(WC+TiC+TaC或NbC+Co)硬質(zhì)合金也向晶粒細(xì)化方向發(fā)展。

    以往，為提高硬質(zhì)合金的韌性，通常是增加鈷(Co)的含量，由此帶來的硬度降低如今可以通過細(xì)化晶粒得到補(bǔ)償，并使硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度提高到4.3GPa，已達(dá)到并超過普通高速鋼(HSS)的抗彎強(qiáng)度，改變了人們普遍認(rèn)為P類硬質(zhì)合金適於切鋼、而K類硬質(zhì)合金只適於加工鑄鐵和鋁等有色金屬的選材格局。

    采用WC基的超細(xì)晶粒K類硬質(zhì)合金，同樣可加工各種鋼料。細(xì)晶粒硬質(zhì)合金的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是刀具刃口鋒利，尤其適於高速切削粘而韌的工件材料。以日本不二越公司開發(fā)的AQUA麻花鉆為例，其用細(xì)晶粒硬質(zhì)合金制造，并涂覆耐熱、耐摩擦的潤(rùn)滑涂層，在高速濕式加工結(jié)構(gòu)鋼和合金鋼(SCM)時(shí)，切削速度200m/min，進(jìn)給速度1600mm/min，加工效率提高了2.5倍，刀具壽命提高2倍；干式鉆孔時(shí)，切削速度150m/min，進(jìn)給速度1200mm/min。

   2.涂層提升到開發(fā)厚膜、復(fù)合和多元涂層的新階段

   現(xiàn)如今，涂層已進(jìn)入到開發(fā)厚膜、復(fù)合和多元涂層的新階段，新開發(fā)的TiCN、TiAlN多元超薄、超多層涂層(有的超薄膜涂層數(shù)可多達(dá)2000層，每層厚約1nm)與TiC、TiN、Al2O3等涂層的復(fù)合，加上新型抗塑性變形的基體，在改善涂層的韌性、涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度、提高涂層的耐磨性方面有了重大進(jìn)展，全面提高了硬質(zhì)合金的性能。

    涂層刀具已成為現(xiàn)代切削刀具的標(biāo)志，在刀具中的使用比例達(dá)到60%。涂層硬質(zhì)合金刀具的產(chǎn)品現(xiàn)已呈現(xiàn)品牌化、多樣化和通用化的趨向。例如，德國(guó)施耐爾(Schnell)公司用納米技術(shù)推出的一種超長(zhǎng)壽命LL涂層立銑刀，用其加工零件硬度超過70HRC淬硬模具鋼材時(shí)，刀具壽命可延長(zhǎng)2-3倍。

    瑞典Sandvik公司新推出的3種涂層刀片(GC4225、GC4240、GC1030)具有較廣的通用性，GC4225(突破一號(hào))作為GC4025(P25)牌號(hào)的升級(jí)產(chǎn)品，用其加工汽車曲軸鋼鍛件時(shí)，在相同切削條件下的刀具壽命為每個(gè)切削刃可加工41個(gè)零件，而GC4025每個(gè)切削刃能加工的零件數(shù)目為14個(gè)。
    山高(Seco)Jabro全新推出的整體硬質(zhì)合金通用加工銑刀Solid2系列刀具不僅采用了新材質(zhì)，更導(dǎo)入新的涂層，可適用的加工溫度由普通刀具的800攝氏度提高到了現(xiàn)有的1100攝氏度，顯著提高了加工效率和刀具壽命。同時(shí)，Solid2系列均采用了刃口鈍化處理和徑向全周鏟背處理技術(shù)，使得刀具的涂層與材質(zhì)結(jié)合更加完美，刀具的可重磨次數(shù)也大幅提高。

    美國(guó)Kennametal公司推出的H7刀片系TiAlN涂層，專為高速銑削合金鋼、高合金鋼和不銹鋼而設(shè)計(jì)。而德國(guó)Guhring公司推出的商品名為“Fire”的孔加工刀具涂層，則是一種通用性的復(fù)合涂層—融匯有TiN、TiCN和TiAlN三種涂層，兼具這三種涂層材料的優(yōu)點(diǎn)，既適用於干切削和硬切削，也適合普通切削。

    特別值得強(qiáng)調(diào)的是，近幾年發(fā)展起來的在硬質(zhì)合金表面涂覆金剛石的技術(shù)，使硬質(zhì)合金不僅在黑色金屬領(lǐng)域，而且在有色金屬領(lǐng)域中的切削效率獲得了全面提高。由此可知，硬質(zhì)合金今後仍將是制作高速加工刀具的主要基體材料。

   目前，美國(guó)、瑞典和日本都相繼推出了金剛石涂層的絲錐、鉆頭、立銑刀和帶斷屑槽可轉(zhuǎn)位刀片(如Sandvik公司的CD1810和美國(guó)Kennametal公司的KCD25牌號(hào))等產(chǎn)品，用於有色金屬和非金屬材料的高速精密加工。而另一種適於加工鋼鐵材料的CBN涂層也已開發(fā)成功，并正走向工業(yè)試用階段。 
 

    對(duì)刀具幾何參數(shù)和斷屑槽的要求 
 
    1.幾何參數(shù)

    高速切削和干切削時(shí)，刀具的主要失效原因是月牙洼磨損和刀尖處的熱磨損。這是由於刀具與切屑、以及刀具與工件接觸區(qū)界面上溫度較高所引起的。因此，高速加工比普通切削加工時(shí)的刀具前角要取得稍大一些，以降低切削區(qū)溫度，并在刃口上作出負(fù)倒棱。

    為防止刀尖處熱磨損，主副切削刃連接處應(yīng)采用修圓刀尖或倒角刀尖，以增大刀尖角，加大刀尖附近刃區(qū)切削刃的長(zhǎng)度和刀頭材料的體積，以提高刀具剛性和減少切削刃破損的概率。

    美國(guó)Carboloy公司推出的一種適於干切削用的ME-13新型硬質(zhì)合金刀片，其具有大前角(達(dá)34°）、加強(qiáng)刃并有一個(gè)帶筋的前刀面，顯著減少了切屑與刀片前刀面之間的接觸面積，使產(chǎn)生熱量被切屑帶走。據(jù)稱，這種刀片工作時(shí)的溫度比傳統(tǒng)刀片要低400℃，能顯著減小切削力并使刀具壽命提高一倍以上。該公司用大前角的涂層硬質(zhì)合金齒冠立銑刀高速銑削硬度高達(dá)55HRC模具鋼時(shí)，切削速度120m/min，進(jìn)給速度7.6m/min，軸向吃深0.51mm，徑向吃深0.25mm，采用干式切削，刀具使用壽命則長(zhǎng)達(dá)1.5h。

    國(guó)外還開發(fā)了帶正前角的螺旋形切削刃銑削刀片，使刀具有更合理的幾何參數(shù)，刀片沿切削刃幾乎有恒定不變的前角，背前角或側(cè)前角可由負(fù)變正或由小變大，切削更加輕快平穩(wěn)，使可轉(zhuǎn)位面銑刀、立銑刀和槽銑刀的切削性能提高到一個(gè)新的水平，刀具壽命可提高50%-250%，切削效率提高30%-40%。

    美國(guó)一家公司采用這種新型刀片制作的立銑刀干銑削17-4PH不銹鋼的周邊，切削用量為：銑削速度304m/min，進(jìn)給速度1270mm/min，每齒進(jìn)給量為0.14mm/z，20S去除余量36cm3。

    2.斷屑槽型

    為能穩(wěn)定地?cái)嘈己途硇?，刀片上須作出合適的斷屑槽型。目前，可轉(zhuǎn)位刀片上三維曲面斷屑槽型的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)已較為成熟，針對(duì)不同的工件材料和不同的切削用量，業(yè)已開發(fā)出相應(yīng)的通用斷屑槽型系列。

    如瑞典Sandvik公司推出的R、M和F等槽型系列(鋼材粗加工、半精加工和精加工相應(yīng)采用PR、PM和PF的槽型，切不銹鋼時(shí)用MR、MM和MF的槽型，切鑄件和有色金屬用KR、KM和KF的槽型)，以及以色列Iscar公司以“霸王刀”為典型的槽型設(shè)計(jì)都獨(dú)樹一幟。

    這些刀片上斷屑槽的斷屑范圍寬，適應(yīng)性好。它們都具有空間切削刃和曲面前刀面，切削刃上的法前角可調(diào)整為零度或負(fù)值，而工作前角為合適的正值，所以切削力小，刃口強(qiáng)度高，抗高速時(shí)的磨損能力強(qiáng)，預(yù)示著高速加工刀具刃形結(jié)構(gòu)發(fā)展的方向。