我國(guó)切削加工與刀具材料的發(fā)展史

　我國(guó)在金屬切削方面有著悠久的歷史。古代加工石質(zhì)、木質(zhì)、骨質(zhì)和其他非金屬器物是今天金屬加工的序曲。在舊石器時(shí)代就有石砍砸器，到了新石器時(shí)代，人們?cè)倥c大自然的搏斗中生產(chǎn)工具得到了不斷的改進(jìn)，如：石斧、石刀、石鐮等。并且以能在石器上鉆孔。甚至把堅(jiān)硬的石刃鑲嵌或粘接在骨把上制成夾固式石刃骨刀。

　　人類從這時(shí)候起，在生產(chǎn)實(shí)踐中逐步認(rèn)識(shí)了刀刃的作用�？梢赃@樣說(shuō)，一個(gè)原始的切削加工過(guò)程形成了�；�本上具備了切削的基本條件：刀具(帶刃口的石器)，被加工對(duì)象(生產(chǎn)和生活用品)，切削運(yùn)動(dòng)。

　　我國(guó)的金屬切削加工工藝，從青銅器時(shí)代開(kāi)始萌芽的，并逐漸形成和發(fā)展。從殷商到春秋時(shí)期已經(jīng)有了相當(dāng)發(fā)達(dá)的青銅冶鑄業(yè)出現(xiàn)了各種青銅工具，如：青銅刀、青銅銼、青銅鋸等等。同時(shí)有出土文物與甲骨文記錄表明，這個(gè)時(shí)期的生產(chǎn)的青銅工具和生活工具，在制造過(guò)程中大都要經(jīng)過(guò)切削加工或研磨。我國(guó)的冶鑄技術(shù)比西歐早一千多年。滲碳、淬火、和煉鋼技術(shù)的發(fā)明，為制造堅(jiān)硬鋒利的工具提供了便利的條件。鐵質(zhì)工具的出現(xiàn)，表明金屬切削加工進(jìn)入了一新的階段。有記載表明早在三千多年前的商代已經(jīng)有了旋轉(zhuǎn)的琢玉工具，這也就是金屬切削機(jī)床的前身。70年代在河北滿城一號(hào)漢墓出土的五銖錢，其外圓上有經(jīng)過(guò)車削的痕跡，刀花均勻，切削振動(dòng)波紋清晰，橢圓度很小。有可能將五銖錢穿在方軸上然后裝夾在木質(zhì)的車床上，用手拿著工具進(jìn)行切削。

　　八世紀(jì)的時(shí)候我國(guó)就有了金屬切削車床。到了明代，手工業(yè)有了很大的發(fā)展，各種切削方法，有了較細(xì)的分工。如：車、銑、鉆、磨等等。從北京古天文臺(tái)上的天文儀器可以看出當(dāng)時(shí)采用了與五、六十年代類似的加工方法。這也就說(shuō)明當(dāng)時(shí)就有較高精度的磨削、車削、銑削、鉆削等等。其動(dòng)力是畜力和水力。

　　清末，由于政府腐敗和外國(guó)的侵略使我國(guó)的科學(xué)技術(shù)發(fā)展停滯不前，金屬加工也處于落后的狀態(tài)。

　　解放前，我國(guó)的工業(yè)已經(jīng)十分落后，根本沒(méi)有自己的機(jī)床，工具制造業(yè)。就連高速鋼這樣的工具材料，麻花鉆這樣的普通工具都不能制造。

　　解放后，我國(guó)的機(jī)床也有了長(zhǎng)足的發(fā)展。機(jī)床和工具制造業(yè)也從無(wú)到有，從小到大。

　　七八十年代，工具材料進(jìn)一步得到發(fā)展，硬質(zhì)合金和高速鋼的規(guī)格和品種不斷增加。如：涂層硬質(zhì)合金、立方碳化硼，陶瓷等等。到了八十年代數(shù)控、數(shù)顯設(shè)備也開(kāi)始發(fā)展起來(lái)了。由于受當(dāng)時(shí)電子設(shè)備、微機(jī)、傳輸?shù)扔绊�，沒(méi)有太大的發(fā)展空間。隨著電子設(shè)備、微機(jī)、傳輸速率的快速發(fā)展，數(shù)控、數(shù)顯設(shè)備也快速發(fā)展起來(lái)了。

　　現(xiàn)今，我國(guó)機(jī)床制造也已基本上成熟了，特別是在普通機(jī)床上。準(zhǔn)確來(lái)講機(jī)床是先進(jìn)制造技術(shù)的載體，機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量、更新速度、應(yīng)變能力、效率在相當(dāng)程度上取決于機(jī)床。我國(guó)現(xiàn)在對(duì)機(jī)床的需求將是中檔數(shù)控機(jī)床、加工中心和專用機(jī)床為主。其他機(jī)床相對(duì)要少得多了。而我國(guó)的尖端數(shù)控機(jī)床和自動(dòng)化生產(chǎn)線的制造還不能與世界強(qiáng)手相比。

　　但是，我國(guó)在軍事，航空等方面還需要精密、復(fù)合、智能的設(shè)備。這也就要求我們奮發(fā)圖強(qiáng)趕上他們，在這樣的環(huán)境下也確定了我國(guó)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向，向復(fù)合、高速、智能、精密、環(huán)保等方面的發(fā)展，完善我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)及技術(shù)規(guī)范，開(kāi)發(fā)數(shù)控機(jī)床的智能化和網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)；進(jìn)一步研究并聯(lián)加工技術(shù)和集車、磨、銑、鉆、鉸、鏜等工序于一身的集成技術(shù)，減少加工中的裝夾次數(shù)；攻克高水平電主軸、直線電機(jī)、高速滾珠絲杠等功能部件制造技術(shù)，提高產(chǎn)品性能和技術(shù)水平；推廣機(jī)械加工中的無(wú)冷卻、無(wú)潤(rùn)滑、無(wú)氣味等技術(shù)，減少機(jī)床使用中對(duì)環(huán)境的污染。

　　而普通機(jī)床也不能少，在小規(guī)模的生產(chǎn)廠家普通機(jī)床是必不可少的，這些廠家主要以修配和小批量生產(chǎn)為主，一些民品的精度不是很高，普通機(jī)床完全可以滿足他們的需要。

　　刀具材料的發(fā)展及現(xiàn)狀

　　在現(xiàn)代機(jī)械加工中，刀具材料以硬質(zhì)合金和高速鋼用得最多，幾乎各占一半。高速鋼的發(fā)明和應(yīng)用，已有整整一個(gè)世紀(jì)的歷史，硬質(zhì)合金則已有半個(gè)世紀(jì)。但二者均研制出許多新品種，其性能不斷提高，在機(jī)械加工中發(fā)揮著重要作用。近年來(lái)，隨著數(shù)控加工技術(shù)的迅猛發(fā)展以及數(shù)控機(jī)床的普遍使用，要實(shí)現(xiàn)高效率、高穩(wěn)定性、長(zhǎng)壽命加工。超硬刀具的應(yīng)用也日漸普及起來(lái)，同時(shí)引入了許多先進(jìn)的切削加工概念，如高速切削、硬態(tài)加工、高穩(wěn)定性加工、以車代磨、干式切削等。超硬刀具已成為現(xiàn)代切削加工中不可缺少的重要手段。

　　(一)超硬刀具

　　超硬刀具主要包括金剛石刀具和立方氮化硼刀具，其中以人造金剛石復(fù)合片(PCD)刀具及立方氮化硼復(fù)合(PCBN)刀具占主導(dǎo)地位。

　　(1)PCD金屬切削刀具

　　PCD金屬切削刀具可利用PCD材料的高硬度、高耐磨性、高導(dǎo)熱性及低摩擦系數(shù)實(shí)現(xiàn)有色金屬及耐磨非金屬材料的高精度、高效率、高穩(wěn)定性和高表面光潔度加工。此類刀具從結(jié)構(gòu)上主要可分為焊接式PCD刀具和可轉(zhuǎn)位式PCD刀片。近年來(lái)焊接式PCD刀具中發(fā)展較快的品種是帶標(biāo)準(zhǔn)刀柄的PCD刀具，如帶柄PCD銑刀、PCD鏜刀、PCD鉸刀等，刀柄型式主要為圓柱柄、錐柄和HSK柄。這種刀具(尤其是多齒刀具)的特點(diǎn)是切削刃對(duì)刀柄的跳動(dòng)小(如刃長(zhǎng)為30mm的HSK柄PCD銑刀的切削刃跳動(dòng)僅為0.002mm)，尤其適合于對(duì)各種有色金屬零件的成形面、孔、階梯孔等進(jìn)行大批量高速加工。例如，采用鋁基體刀盤的PCD高速銑刀(六刃，直徑100mm)，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)20,000r/min以上，切削速度可達(dá)7,000m/min。 　　       可轉(zhuǎn)位式PCD刀片是在硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片上鑲裝一塊PCD刀坯再經(jīng)刃磨而成，可裝夾在各種數(shù)控機(jī)床的刀桿、刀夾或刀盤上，用于高可靠性的大批量加工。隨著數(shù)控機(jī)床、加工中心及自動(dòng)生產(chǎn)線的日益普及，可轉(zhuǎn)位式PCD刀片的使用越來(lái)越多，其刀具耐用度較硬質(zhì)合金刀具可提高幾十倍。

　　(2)PCBN金屬切削刀具

　　PCBN金屬切削刀具也可分為焊接式PCBN刀具和可轉(zhuǎn)位式PCBN刀片兩類。

　　焊接式PCBN刀具是將PCBN刀坯焊接在鋼基體上經(jīng)刃磨而成，主要有車刀、鏜刀、鉸刀等。PCBN刀具大多用于耐磨黑色金屬的加工，因此其刀尖角不能太小，刀具前角一般為-5°～5°，后角一般為3°～10°，斷續(xù)切削時(shí)一般采用負(fù)倒棱。

　　轉(zhuǎn)位結(jié)構(gòu)的PCBN刀片(主要為車刀片和銑刀片)一般是在可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀片的一個(gè)角上鑲焊一塊PCBN刀坯，經(jīng)刃磨而成�？紤]到刀坯較貴及重磨等原因，一般只做成一個(gè)刀尖。隨著焊接工藝質(zhì)量的提高，其剪切強(qiáng)度可達(dá)0.78kg/m2。隨著PCBN刀坯尺寸越做越小，不重磨PCBN刀片的價(jià)格也隨之降低。

　　(二)超硬刀具的典型應(yīng)用

　　(1)硬態(tài)加工，以車代磨

　　由于PCBN刀具具有極高的硬度及紅硬性，可使被加工的高硬度零件獲得良好的表面粗糙度，所以采用PCBN刀具車削淬硬鋼可實(shí)現(xiàn)“以車代磨”。應(yīng)用實(shí)例如汽車、摩托車齒輪孔的加工，此類零件材料一般為20CrMnTi，滲碳淬火，表面硬度為60～62HRC，齒輪孔精度為IT6，表面粗糙度Ra≤0.8μm。傳統(tǒng)加工工藝為：機(jī)加工->熱處理->磨削。采用超硬刀具“以車代磨”的加工工藝為：粗加工->熱處理->精加工。新工藝可大幅度提高加工效率，降低加工成本，原采用磨削工藝一班僅能加工100個(gè)小齒輪，現(xiàn)采用PCBN刀具車削(切削參數(shù)V=60～120m/min，f≤0.12mm/r，ap≤0.1mm，一班能加工400個(gè)小齒輪，此外，分?jǐn)偟矫總�(gè)齒輪的加工成本也有所下降。

　　(2)高速切削，高穩(wěn)定性加工

　　在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線上，灰鑄鐵缸體的缸孔精加工是關(guān)鍵工序之一，要求缸孔加工尺寸精度高、表面粗糙度值小、穩(wěn)定性好；由于生產(chǎn)線加工節(jié)拍快，要求切削速度高(通常V≥500m/min)，刀具壽命長(zhǎng)(加工孔數(shù)≥1000)，且倒角、止口、粗精鏜等多個(gè)工位的刀片壽命均應(yīng)滿足耐用度要求。采用PCBN刀具即可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔的高速切削及高穩(wěn)定性加工，其典型切削參數(shù)為：V=500m/min，f=0.2～0.4mm/r，ap=0.2～0.7mm；加工表面粗糙度Ra≤1.6μm，刀具壽命>1,000件。

　　(3)有色金屬的高速、高穩(wěn)定性、低粗糙度加工及鏡面加工

　　采用PCD刀具加工有色金屬時(shí)，由于金剛石硬度高，表面與金屬親合力小，且刀具一般拋光成鏡面，不易產(chǎn)生積屑瘤，因此加工尺寸穩(wěn)定性及表面質(zhì)量都很好，刀具壽命也較長(zhǎng)。

　　例如，采用PCD刀具加工電機(jī)整流子的紫銅換向器，典型切削參數(shù)為：V=300m/min，f=0.08mm/r，ap≤0.15mm，加工表面粗糙度Ra0.1～0.2μm，刀具壽命>5,000件，而采用硬質(zhì)合金刀具則只能加工幾件。

　　采用PCD刀具加工各種硅鋁合金零件，表面粗糙度Ra≤0.1μm，刀具壽命可達(dá)幾千～幾萬(wàn)件，尤其適合汽車、摩托車零件的大規(guī)模生產(chǎn)。

　　采用單晶金剛石刀具，在超精密車床上可實(shí)現(xiàn)鏡面球形加工。機(jī)床采用超精密氣體靜壓主軸及回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，跳動(dòng)量≤0.3μm，工件采用高精度氣動(dòng)卡盤，可實(shí)現(xiàn)快速高精度定位。加工無(wú)氧銅材料時(shí)，表面粗糙度Ra≤0.025μm，圓度≤0.3μm；加工鋁件時(shí)，表面粗糙度Ra≤0.025μm。    

　　(4)干式切削，清潔化加工

　　采用PCBN刀具加工含硼鑄鐵缸套，切削參數(shù)：V=200m/min，f=0.1mm/r，ap=0.2～1mm，加工表面粗糙度Ra≤1.6μm，精度IT6，兩次刃磨間刀具壽命>100件，可實(shí)現(xiàn)“以車代磨”。由于采用干式切削，避免了切(磨)削液及砂輪灰對(duì)環(huán)境的污染，切屑也可回收再利用，符合清潔化生產(chǎn)要求。

　　以上所說(shuō)的刀具價(jià)格比較貴一些小型生產(chǎn)廠家由于成本的問(wèn)題不會(huì)去大量購(gòu)買。

　　(三)我國(guó)的新型刀具

　　這種添加稀土元素的硬質(zhì)合金是刀具材料新品種之一。稀土元素是指化學(xué)元素周期表中原子序數(shù)57～71(從La到Lu)，再加上21和39 (Sc和Y)，共17個(gè)元素。將某些稀土元素，以一定方式，微量添加到傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金牌號(hào)中，即可有效地提高它們的機(jī)械性能與切削性能。我國(guó)稀土元素資源豐富，對(duì)稀土硬質(zhì)合金的研究開(kāi)發(fā)，領(lǐng)先于其他國(guó)家。已研制出下列牌號(hào)的刀具用稀土硬質(zhì)合金：YG8R(相當(dāng)于ISO K30級(jí)別)、YG6R(K20)、YW1R(M10)、YW2R(M20)、YT5R、YT14R(P20)、YT15R(P10)、YS25R (P25)。還有礦山、地質(zhì)工具牌號(hào)YG11CR。在YG8、YT14、YW1硬質(zhì)合金中添加了Ce、Y等稀土元素后，形成了稀土硬質(zhì)合金YG8R、YT14R、YW1R。YG8R主要用于鑄鐵和有色金屬的粗加工；YT14R主要用鋼材的半精加工；YW1R則為通用牌號(hào)，可用于各種工件材料的半精加工。

　　經(jīng)過(guò)測(cè)試，添加稀土元素后硬質(zhì)合金的組織比較致密；室溫硬度和高溫硬度有所改善；斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度顯著提高，分別提高20%和10%以上。

　　稀土硬質(zhì)合金的耐磨損和使用壽命試驗(yàn)

　　通過(guò)一些試驗(yàn)，稀土硬質(zhì)合金與無(wú)稀土元素的原刀片相比，YG8R、YT14R、YW1R刀片的耐磨性和使用壽命均有不同程度的提高。稀土硬質(zhì)合金與無(wú)稀土元素的原刀片相比，在車削花鍵軸鋼件，便刀尖受沖擊，直至刀尖破損為止。經(jīng)多次重復(fù)試驗(yàn)，在刀尖破損前，YG8R、YT14R、YW1R刀片所能承受的沖擊次數(shù)分別比YG8、YT14、YW1刀片提高1～2倍以上等優(yōu)勢(shì)。

　　稀土元素存在于(W,Ti)C或(W,Ti,Ta,Nb)C固溶體中，能強(qiáng)化硬質(zhì)相；并能抑制WC晶粒不均勻長(zhǎng)大，使之趨向均勻，平均晶粒尺寸有所減小。少量稀土元素還固溶在粘結(jié)相Co中，使粘結(jié)相得到強(qiáng)化。稀土元素富集在WC/Co的相界面處及(W,Ti)C/(W,Ti)C等相界面間，常與雜質(zhì)S、O等化合形成RE2O2 S等化合物，改善了界面上潔凈狀況并提高了硬質(zhì)相與粘結(jié)相的潤(rùn)濕性。由此，稀土硬質(zhì)合金的沖擊韌性、抗彎強(qiáng)度及工作時(shí)的抗沖擊能力明顯得到提高。其硬度、耐磨性及刀具表面上抗擴(kuò)散和抗氧化的能力亦有一定提高。

　　經(jīng)過(guò)電鏡測(cè)試，還發(fā)現(xiàn)稀土硬質(zhì)合金刀片在切削時(shí)表層有富鈷現(xiàn)象，故能降低切屑、工件與刀具間的摩擦系數(shù)，從而可以降低切削力。

　　稀土元素在自然界蘊(yùn)藏豐富，價(jià)格不高，添加在硬質(zhì)合金中可以明顯地提高機(jī)械、物理性能和使用性能，故有廣闊的應(yīng)用前景。