切削加工技術(shù)系統(tǒng)和刀具應(yīng)用技術(shù)三要素

從20世紀(jì)八十年代開始，在信息技術(shù)等高新技術(shù)的帶動(dòng)下，機(jī)械加工技術(shù)進(jìn)入了“高速、高效、智能、復(fù)合、環(huán)保”的發(fā)展新階段，出現(xiàn)了高速（效）切削、近凈成形、柔性化加工、五軸加工、復(fù)合加工機(jī)床、網(wǎng)絡(luò)制造、綠色制造等新的制造技術(shù)及裝備，為制造業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品、提高加工效率和加工質(zhì)量、降低制造成本、縮短交貨周期、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、降低能源和資源消耗發(fā)揮了重要的作用。在上述新加工工藝及裝備中，切削加工的新技術(shù)及刀具的進(jìn)展尤為突出，已成為當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)十分重要的基礎(chǔ)工藝之一，也是金屬加工企業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品、新工藝、應(yīng)用新材料和建立創(chuàng)新體系不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)。

     隨著現(xiàn)代切削技術(shù)的發(fā)展，刀具應(yīng)用技術(shù)發(fā)揮著越來越重要的作用。一把刀具最終能否為用戶創(chuàng)造效益，不僅在于當(dāng)初創(chuàng)新的設(shè)計(jì)和精心的制作，而且最后要靠符合加工條件的正確使用。目前，刀具制造商正是通過向用戶提供配套的刀具應(yīng)用技術(shù)，滿足用戶提高加工效率、降低制造成本和提高加工質(zhì)量的需要，或開發(fā)新產(chǎn)品、應(yīng)用新材料的需要，并實(shí)現(xiàn)對用戶的創(chuàng)新服務(wù)。因此，刀具應(yīng)用技術(shù)已成為刀具制造商的核心技術(shù)之一，越來越受到重視。對于刀具用戶企業(yè)，提高刀具的使用技術(shù)不僅可以發(fā)揮企業(yè)現(xiàn)有的切削加工潛力，提高加工效率，而且可為今后開發(fā)新產(chǎn)品和新工藝打下基礎(chǔ)。

    金屬切削加工是一個(gè)多因素的復(fù)雜過程，使刀具的應(yīng)用技術(shù)包含著很廣泛的內(nèi)容。本講座通過對切削加工過程的分析，抓住構(gòu)成并影響切削過程的主要因素，作為刀具應(yīng)用技術(shù)共性基礎(chǔ)內(nèi)容加以探討，希望能對刀具的正確使用有所幫助。

    圖1是車削加工的簡圖和相關(guān)的術(shù)語，切削過程發(fā)生在刀具與工件相互作用的切削區(qū)，工件材料經(jīng)過切削區(qū)以后轉(zhuǎn)變?yōu)榍行�，沿前刀面排出。切削區(qū)的放大圖給出了刀具與工件相互作用的細(xì)節(jié)。切削時(shí)，工件上需要切除的材料層，進(jìn)入變形區(qū)，在刀具前刀面的作用下，發(fā)生變形和晶格的滑移，并沿著假想的滑移面OA產(chǎn)生剪切，變成切屑排出。排出時(shí)，切屑底面的新鮮金屬表面與前刀面在OB段產(chǎn)生劇烈的摩擦，形成了前刀面摩擦區(qū)。而從刀尖下滑過的已加工表面，因材料的回彈作用與后刀面在OC段產(chǎn)生摩擦，形成了后刀面摩擦區(qū)。刀具就這樣在變形區(qū)和摩擦區(qū)的力和熱的共同作用下工作著。

    由上可見，刀具和工件材料是切削加工的主體。然而，要實(shí)現(xiàn)切削加工的全過程還需要相應(yīng)的支撐技術(shù)。作為一門金屬加工的工藝技術(shù)，金屬切削加工工藝可用圖2所示的技術(shù)系統(tǒng)來描述。該系統(tǒng)包括三部分內(nèi)容：切削工藝系統(tǒng)、切削機(jī)理、切削加工效果，在圖中用虛線劃分，分述如下：

第一部分是由機(jī)床、刀具和被加工工件組成的切削技術(shù)的工藝系統(tǒng)。機(jī)床和刀具是實(shí)現(xiàn)切削加工必不可少的工藝裝備，依靠機(jī)床提供的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，由具備切削功能的刀具將工件上多余的金屬以切屑的形式將其切除，按預(yù)定的要求實(shí)現(xiàn)對工件的切削加工過程。為了進(jìn)一步了解切削過程，有必要將刀具、機(jī)床和工件的技術(shù)內(nèi)涵加以細(xì)化。

    刀具是切削加工的主體之一，參與切削加工的刀具包含著三個(gè)主要的技術(shù)內(nèi)涵，即刀具材料和涂層、幾何角度、刀具結(jié)構(gòu)。刀具必須由特殊的刀具材料制造，并具有確定的幾何形狀和適用的結(jié)構(gòu)，三者共同賦予刀具切削的功能，同時(shí)又決定著刀具的切削性能。因此，有關(guān)這三個(gè)因素的內(nèi)容、作用是切削技術(shù)的重要內(nèi)容。

    與機(jī)床相關(guān)的切削技術(shù)內(nèi)涵有切削參數(shù)、工序類別、切削條件等。機(jī)床為刀具實(shí)施各種切削工序提供了一個(gè)技術(shù)平臺(tái)，包括刀具切削所需要的動(dòng)力、刀具與工件的相對運(yùn)動(dòng)、提供冷卻潤滑的條件、可靠地夾持刀具和工件。其中刀具與工件相對運(yùn)動(dòng)的速度，有主運(yùn)動(dòng)的切削速度和輔助運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給速度，是切削加工中兩個(gè)主要的切削參數(shù)。切削加工要求機(jī)床有足夠的功率和系統(tǒng)的剛性、高的運(yùn)動(dòng)速度和自動(dòng)化程度，以及運(yùn)動(dòng)和定位的精度。因此，機(jī)床的性能對切削加工的效果好壞起著十分重要的作用，并與切削加工的水平密切相關(guān)。了解和掌握機(jī)床的性能，正確地運(yùn)用和操作機(jī)床是做好具體切削加工的前提。機(jī)床和刀具兩者相互促進(jìn)共同推動(dòng)切削加工技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。

    工件是切削加工的對象，也是切削技術(shù)的主體之一。工件尺寸精度、表面質(zhì)量的要求、工件的材料和結(jié)構(gòu)都影響著切削的過程，切削參數(shù)的設(shè)置和刀具幾何角度的設(shè)計(jì)必須適應(yīng)具體的工件特點(diǎn)。尤其是工件材料的可加工性，對切削過程的影響十分顯著，已成為切削加工重要的技術(shù)內(nèi)容。目前，需要切削加工的工程材料已經(jīng)超出了金屬材料的范圍，非金屬材料和新型的人工合成材料越來越多地被用作工程材料，成為切削加工的新領(lǐng)域。

    切削技術(shù)系統(tǒng)的第二部分是金屬切除過程的機(jī)理部分，包括切削變形過程及伴隨著的兩個(gè)重要的物理現(xiàn)象：切削力和切削熱。來自切削變形區(qū)的切削力和切削熱傳遞著切削過程內(nèi)部的信息，并對切削過程產(chǎn)生很大的影響。刀具擠壓、切離金屬所需要的力和刀具與工件、切屑摩擦的力構(gòu)成了切削系統(tǒng)的作用力，機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)必須克服這些力并提供足夠的功率。切削力使機(jī)床、刀具和工件產(chǎn)生變形，影響加工的精度；作用在刀具上的切削力和摩擦力造成刀具的磨損與破損。在刀具與工件相對運(yùn)動(dòng)中，由切削力作的功所產(chǎn)生的熱量也造成工藝系統(tǒng)的變形和加劇刀具的磨損與破損。

    減小切削力和切削熱、降低切削溫度從而減慢刀具的磨損，防止刀具的破損，成為設(shè)置切削參數(shù)和選擇刀具的重要依據(jù)。由于刀具磨損和失效是切削力和切削熱造成的直接后果，磨損大小、快慢、形貌和失效的特征都與切削力和切削熱有關(guān)，因此是分析和了解切削過程的重要依據(jù)，是掌握刀具應(yīng)用技術(shù)的關(guān)鍵。圖3是車刀的典型磨損圖，表示了刀尖周圍各部位的磨損形貌，對其它刀具也具有代表性。圖4是車刀在力和熱的作用下出現(xiàn)的各種磨損、破損的形貌和原因，采取有效措施減緩磨損或防止破損是貫穿于刀具應(yīng)用技術(shù)的主線。

目前高速鋼刀具約占世界刀具銷售總量的35%。世界刀具消費(fèi)市場按產(chǎn)品銷售去向統(tǒng)計(jì)，通用機(jī)械和汽車制造約各占35%，航空航天約占10%，其中不乏高速鋼刀具。

    目前高速鋼刀具約占世界刀具銷售總量的35%。世界刀具消費(fèi)市場按產(chǎn)品銷售去向統(tǒng)計(jì)，通用機(jī)械和汽車制造約各占35%，航空航天約占10%，其中不乏高速鋼刀具。

關(guān)注高速鋼刀具

    中國刀協(xié)前名譽(yù)理事長沈鴻先生曾說過：“刀具雖小、威力無窮。”事實(shí)上，切削工具也是機(jī)械加工中最具活力的一個(gè)因素。中國作為一個(gè)制造大國其機(jī)床消費(fèi)已是世界第一，制造企業(yè)加大刀具投入提高生產(chǎn)效率以獲取更大效益，帶動(dòng)了切削刀具采購量的快速增長。目前國外切削工具在中國的年銷售額已達(dá)5億美元，其中山特維克可樂滿的年銷售額達(dá)到10億元人民幣,近十年的平均增長率達(dá)23%。國內(nèi)650家工具企業(yè)2007年前三個(gè)季度的刀具銷售額達(dá)118億元人民幣，同比增長27.1%。巨大的市場前景引發(fā)了對刀具產(chǎn)業(yè)的投資熱，國內(nèi)如株洲鉆石和廈門金鷺的可轉(zhuǎn)位刀具項(xiàng)目，江蘇天工引進(jìn)絲錐生產(chǎn)線、磨制鉆生產(chǎn)線項(xiàng)目等，外資如肯納金屬的天津工廠和伊斯卡的大連工廠以及山特維克對廈門金鷺的參股等，既有硬質(zhì)合金也有高速鋼切削工具，以上表明：高速鋼刀具在現(xiàn)代制造中占有不可替代的一席之地，我們要關(guān)注高速鋼切削工具，大力發(fā)展高速鋼切削工具。

    高速鋼材料及高速鋼刀具技術(shù)近年有了很大的發(fā)展，主要表現(xiàn)在：第一，M42、M35和中國特有的鋁高速鋼（俗稱501或M2Al）等高性能高速鋼熱處理硬度可達(dá)到HRC69～70，粉末冶金高速鋼涂層滾刀切削鋼齒輪的速度已達(dá)到150～180m/min或更高，粉末冶金高速鋼絲錐在灰鑄鐵上加工螺紋的切削速度達(dá)到65m/min；第二，與硬質(zhì)合金相比，高速鋼的強(qiáng)度高、韌性好，是制造復(fù)雜刀具和鉆孔刀具的首選材料，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界33%的銑刀、95%的絲錐、51%的麻花鉆、81%的齒輪刀具、86%的拉刀和95%的鋸片是用高速鋼制造的。其中又有70%的齒輪刀具、50%的拉刀、20%的立銑刀和10%的絲錐用粉末高速鋼制造；第三，高速鋼刀具刃口鋒利、切削輕快、切削中工件不易產(chǎn)生加工硬化，在不銹鋼、鎳基合金和鈦合金一類材料的加工中有其優(yōu)勢。我們在切削這一類難加工材料時(shí)，不應(yīng)局限于硬質(zhì)合金的圈子，也可試用前角大、刃口鋒利的高速鋼車、銑刀具。

    歐洲有一個(gè)叫High Speed Steel Research Forum的機(jī)構(gòu)，通過研發(fā)和培訓(xùn)致力于高速鋼技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。抽空瀏覽它的網(wǎng)頁（www.hssforum.com)，一定會(huì)有收獲。

    目前高速鋼刀具約占世界刀具銷售總量的35%。世界刀具消費(fèi)市場按產(chǎn)品銷售去向統(tǒng)計(jì)，通用機(jī)械和汽車制造約各占35%，航空航天約占10%，其中不乏高速鋼刀具。曾在波音公司工作的美國朋友和外貿(mào)公司的老總給我傳遞了這樣的信息：飛機(jī)制造中要使用大量高速鋼麻花鉆，如果某種麻花鉆能在載重汽車的彈簧鋼板上鉆7～8個(gè)孔就可能被波音公司接受。

    中國現(xiàn)在是世界高速鋼和高速鋼刀具生產(chǎn)大國，高速鋼和高速鋼刀具（主要是麻花鉆）的產(chǎn)量和出口量都是世界第一。2006年上工、江蘇天工、江蘇飛達(dá)、哈量和成量的高速鋼切削工具麻花鉆產(chǎn)品還同獲中國名牌產(chǎn)品榮譽(yù)稱號(hào)，紛紛打進(jìn)了歐、美工業(yè)切削工具市場，表明中國的高速鋼切削工具無論在產(chǎn)業(yè)規(guī)模和產(chǎn)品質(zhì)量上都有了很大的進(jìn)步。

    經(jīng)濟(jì)學(xué)家預(yù)計(jì)中國經(jīng)濟(jì)的快速增長和制造業(yè)的高速發(fā)展至少還將持續(xù)10年，這些為切削工具行業(yè)提供了空前的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。目前高速鋼刀具約占國內(nèi)刀具總量的75%，但粉末冶金高速鋼材料和一些高檔高速鋼刀具還大量依賴進(jìn)口。我們要大力發(fā)展高速鋼切削工具，包括開發(fā)新的高速鋼牌號(hào)特別是粉末高速鋼，開發(fā)更多更好的高速鋼刀具并努力提高應(yīng)用水平。相信經(jīng)過全體切削工作者的共同努力，通過對刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)、制造工藝和應(yīng)用技術(shù)上全方位的創(chuàng)新，一定能把中國高速鋼切削工具的開發(fā)和應(yīng)用水平提到一個(gè)新的高度，為振興中國的切削技術(shù)做出實(shí)實(shí)在在的貢獻(xiàn)。