硬态切削用刀具技术最新进展

张耀

摘要：作为具有广泛应用前景的加工工艺，硬态切削以其加工柔性好、经济性和环保性好等特点，在汽车、模具等行业被广泛应用。该工艺成功实施的关键因素是刀具的合理选择及其性能的发挥。该技术近年来发展迅速，诸多人员和机构对硬态切削工艺所用的刀具进行了深入的研究，有效地推动了该工艺的应用。本文综述了近年来针对硬态切削工艺用刀具的刃型结构、材料选择、刀具涂层等方面的研究成果，并分析了目前被广泛采用的典型刀具型号及其性能。本文为硬态切削工艺用刀具的选用及设计提供指导作用。

关键词：硬态切削；刀具材料；刀具刃型；刀具涂层

引言

金属切削行业的发展趋势是不断提高切削性能和降低成本。这些趋势也受到刀具开发进程的影响。硬态切削是指切削硬度大于50HRC的工件材料的切削技术。对于高硬度钢材，传统的加工方法主要是在退火的条件下对工件进行粗加工，再经过热处理，最后通过磨削完成工件加工。而硬态切削技术不同于传统的加工方法，它比传统的加工步骤更少，通过消除第二热处理节约加工时间，硬态加工工艺提供了更高的灵活性，增加了材料的去除率，甚至可以实现干式加工。切削刀具的材料开发是金属切削中最关键的元素之一，开发的材料应具有耐磨性，坚韧性和化学稳定性。诸如立方氮化硼（CBN）这种超硬材料使得硬态切削技术成为了磨削工艺的替代品。在硬态切削工艺中，具有几何定义切削刃型的研究在提高表面完整性、灵活性，降低成本和更环保等方面显示出显著的优势。目前制造行业中，涂层的应用已被证明是提高切削性能和降低成本的有效手段，它在许多加工应用中成为了提高刀具耐磨性和降低的刀具成本的主要手段之一。

1硬态切削工艺特性

1.1高效性

与磨削相比，硬态切削材料去除率较高，据统计使用聚晶立方氮化硼（PolycrystallineCubicBoronNitride，PCBN）刀具进行铁系金属硬态高速干式切削的效率为磨削加工效率的3-5倍，成本为磨削加工的1/4左右，能耗為磨削加工的1/5-1/10。如果配以合适的加工工艺，通过硬态切削可以获得微米级的精度以及与磨削相似的表面光洁度。在保证高效性的前提下，国内外很多学者在延长刀具寿命这一领域针对硬质合金、陶瓷、PCBN等材料进行了颇多的研究，通过对材料成分、晶粒尺寸、前刀面纹理、涂层、刃型等方面的设计来减小刀具磨损速率以提高刀具寿命。但部分刀具刃型的设计增加了其使用成本，并不能直接为制造产业提供有效的指导，但也提供了不错的研究思路与方向。

1.2环保性

进行硬态切削时，大多数情况下可以不使用切削液，避免了切削液对刀具寿命和表面质量的影响，对环境污染小，是一种干净清洁的技术，同时也简化了生产系统，降低了生产成本。比如近几年针对陶瓷刀具采取的自润滑与微观纹理相结合的设计，大幅度的降低了加工时的切削力与切削温度，减小了磨损速率，提高了陶瓷刀具的使用寿命。

1.3灵活性

与传统切削工艺相比，硬态切削工艺有更大的灵活性，降低了几何形状复杂零件的加工难度。应用硬态切削加工复杂零件，可使制造成本下降30%。

1.4可提高工件寿命

硬切工艺与磨削工艺相比，会产生更深的表面残余压应力，对提高工件的接触疲劳寿命是有利的。

2硬态切削刀具性能要求

硬态切削技术切削的工件主要为高硬度工件，切削过程中，切削力大，切削过程一般不使用冷却液，其温度可达900℃，刀具易磨损，这就要求硬态切削刀具具有强度高、耐高温、化学性质稳定、导热性好、耐磨性好等特点。一般情况下，刀具的材料以及刀具的刃口参数是影响刀具性能的两个最重要的因素。新型超硬材料的发展与应用，可以极大提高刀具的切削性能，而刀具几何形状的优化，则可以充分发挥刀具材料的性能。目前适用于硬态切削的刀具主要有三种：新型带涂层的硬质合金刀具、陶瓷刀具以及PCBN刀具。硬质合金刀具相比于其他两种材料，经济性更好，抗弯强度和抗冲击能力都优于陶瓷和立方氮化硼，但硬质合金红硬性太低，极大的限制了切削速度和进给率，尤其加工大型钢件时，往往加工不到头就需要换刀，其主要应用于加工硬度在40-50HRC之间的材料。陶瓷刀具具有经济性好，化学性质稳定的特点。但陶瓷刀具的耐磨性不如立方氮化硼，不适合断续切削，且加工过程中不能使用冷却液。陶瓷刀具的刃口一般要经过钝圆处理，否则刃口一旦断裂，可能会导致刀具和工件的报废。陶瓷刀具一般用来加工硬度50HRC以下的工件。立方氮化硼是进行硬态切削的理想材料，具有高硬度和高耐磨性，化学性质稳定，导热性好，耐热度可以达到1400-1500℃。立方氮化硼刀具一般适合于加工硬度大于50HRC的材料。

3硬态切削刀具刃型研究进展

切削刀具的刃型对刀具的性能有着严重的影响，刀具只有选择合适的刃型才能充分发挥刀具材料的性能，一个好的刀具刃口刃型，是刀具能否多快好省切削加工的前提。根据不同的加工工况，设计合适的刃型刃口，不仅能保证产品的切削质量，也有效延长刀具寿命。所以在淬硬钢等高硬度钢材加工过程中，有许多科研人员对刀具的刃口刃型进行了研究。

3.1硬态铣削刀具刃型的研究进展

为了满足汽车模具制造领域淬硬钢复杂曲面的加工要求，设计了三种非球头刀刃的硬质合金球头铣刀，分别为椭球头铣刀、旋转抛物面型铣刀和“8”字型铣刀。在淬硬钢铣削过程椭球头铣刀比球头铣刀的加工效率更高；旋转抛物面应用场合较多，适宜于加工平坦敞口类的小曲率工件，相比于正常球头铣刀，它的切削速度更大，切屑形态和表面质量更好。“8”字型铣刀同样适合于加工平坦敞口类小曲率工件，但“8”字型铣刀刚度更好，金属去除率高，可有效抑制淬硬钢铣削过程中的颤振。设计了具有六边形几何形状的PCD立铣刀，并且刀齿的几何形状设计成平行四边形形状，具有大的负前角和大的后角。所提出的微观几何形状减小了刀具和工件材料之间的接触面积。与商用PCD工具相比，所提出的设计允许临界切削深度增加近四倍，表面粗糙度（Sa）值为100nm，仍能保证纳米级表面粗糙度。

3.2硬态车削刀具刃型的研究进展

研究了切削刃几何形状对断续硬车削中高含量CBN刀片性能的影响。不仅找到了最佳边缘几何形状，而且分析了主要磨损原因和机理。一般的刃口圆弧由几个倒角离散化，倒角特征在于倒角宽度b和角度γ，而刃口圆弧的特征在于前刀面处的切削刃部分Sγ和后刀面处的切削刃部分Sα。形状因子K=Sγ/Sα定义了切削刃是倾向于前刀面的趋势（K>1）还是后刀面的趋势（K<1）。研究发现断续硬车削中，在对称圆角（K=1）的情况下且倒角宽度b和角度γ为一下值时CBN刀片性能最佳。使用逐层电火花加工在CBN刀具的前刀面制备了一种图案，减小了刀-屑接触面积以及防止磨损与槽内碎屑，通过改善摩擦学性能来减小力，摩擦系数和工具磨损。在不同的进给速率下与无图案的刀片相比摩擦力减小了9.5-34.5%，合力减小了2.7-10.5%，后刀面磨损的提高了9.7-11.4%，而前刀面的月牙洼磨损相差不大。

结语

硬态切削是非常有前景的一种切削方式，硬态切削刀具是硬态切削工艺中最关键的因素，本文以刀具材料和刀具刃型为切入点，综述了硬态切削刀具的最新研究进展。

参考文献

[1]苗志毅，冯克明.绿色切削与PCBN刀具切削技术[J].金刚石与磨料磨具工程，2004，5：73-76.

（作者单位：中国航发北京航科发动机控制系统科技有限公司）