1 引言

      近年來，高速切削（xuē）技術獲得了（le）迅速（sù）的發展，各種高速切削加工機床（chuáng）不斷湧（yǒng）現，應用範圍也越來越（yuè）廣。目前（qián），高速（sù）切削加工技術已經成功應用到模具製造領域。應用高速切削進行模具製造，具有以下優點：

      高（gāo）速切削（xuē）大大提高加工效率，不僅機（jī）床轉速高、進給快，而且粗、精加工可一（yī）次完成，極大地提高了模具生產率。結合CAD/CAM技術，模具的製造（zào）周期可縮短約40%。

      高速切削（xuē）可加工淬硬鋼，硬度可達60HRC左右，表麵粗糙度低於Ra0.6μm，取得以銑代磨的加工效果，不（bú）僅節省（shěng）了大（dà）量（liàng）修模時間，還提高了加工的表麵質量。

      因（yīn）此，發展模具高速切（qiē）削技術對促（cù）進我國模具（jù）技術發展以及應對新挑戰是一個有效途徑。而模具高速切削技術的發展，是建立在機床、刀具、CAD/CAM係統的快速發展的基礎之上的，本文重點探討模具高（gāo）速切削刀具技（jì）術。

      2 刀（dāo）具材（cái）料

      在高速切削（xuē）過程中，刀具和切屑之間溫度很高，既有熱的（de）性（xìng）質，又有化學特性，所以刀具材料和工件材料的匹配很重要。高速切削刀具與加工的（de）模具材料必須有較小的化學親和力、優良（liáng）的力學（xué）性能（néng）、熱穩定性和良好的（de）抗衝（chōng）擊、耐磨損和抗熱疲勞的特性。選擇刀具的4大要素為：模具（jù）材料（liào）、刀具材料、工具幾何形狀和切削條件。高速加工的刀具材料必須根據模具材料和加（jiā）工性質（zhì）來選（xuǎn）擇。目（mù）前，陶瓷、立方氮化硼(CBN)、塗層硬質（zhì）合金等刀具均可作（zuò）為高速切削模具鋼件的刀具材料。其中，陶瓷以化學穩定（dìng）性好，具（jù）有（yǒu）良好的耐磨性，能以比硬質合金更高的切削速度進行切削加工，然而它的硬度、韌性低於CBN，可用於加工硬度<50HRC的模具材料。而CBN以其高硬（yìng）度、極強的耐磨性、高溫化學穩定性及良好的導熱性，用於銑削淬硬鋼（gāng）、冷硬鑄鐵（tiě）、鈦（tài）合金等（děng）材料；塗（tú）層硬質合金因塗層不同而（ér）具有切削多種材（cái）料的（de）能力。PCBN(聚晶立方（fāng）氮化硼)則是由CBN(立方氮化硼)微粉與少量牯結相(Co、Ni或TiC、TiN、Al203)在高溫高壓下燒結而成。PCBN組織中的微小晶粒呈無序排（pái）列狀態，因此PCBN硬度均勻，無方向（xiàng）性，具有一致的耐磨性和（hé）抗衝擊性，並具有很高的硬度和耐熱性(1300℃～1500℃)、優良的化學穩定性和導熱性以及較（jiào）小的（de）摩擦係數，而且與Fe族元素親和性很低（dī），困（kùn）此它是高速切削黑（hēi）色金屬較理想的刀具材料。從目前的研究結果來看，在所有（yǒu）的模具高速切削刀具材料中，PCBN的性能相對較好，是進行淬硬鋼模具加工（gōng）的主要刀具材料。

      3刀具的磨損

      3.1 刀具（jù）的主要磨（mó）損形態（tài）

  
      高速（sù）切削時，刀具的主（zhǔ）要磨損形（xíng）態（tài）為（wéi）後刀麵磨損、微崩刃、邊界磨損、片狀剝落、前刀麵月牙窪磨損、塑性變形等，如圖（tú）1所示。

  
      後刀（dāo）麵磨損是高速（sù）切削刀具經常發（fā）生的磨損形式，可（kě）看作是刀具的正常磨損。後刀麵磨損帶寬度的（de）加（jiā）大會使刀（dāo）具喪失切削性能，在高速切（qiē）削時常采用後刀麵上均勻磨損區寬度（dù）的VB值作為刀具的磨損極限。

      微崩刃是在（zài）刀具切削刃上產生的微小缺口，常發（fā）生在（zài）斷續高速切削時，通過選用韌性好的刀具（jù）材料、減小進給量、改變刀具主偏（piān）角以增加（jiā）穩定性等措施，可減小微崩刃的發生概（gài）率。通常隻要將刀具微崩刃的大小控製在磨損限度以（yǐ）內，刀具仍可繼續使用。

      邊界磨損發生在（zài）刀具後刀麵的刀（dāo）——工接觸（chù）邊緣處，形（xíng）狀通常為一狹長溝槽，因此也（yě）稱為溝槽磨（mó）損。高速切削不鏽鋼（gāng）、高溫（wēn）合金(如Inconel718)時刀具（jù）容易發生邊界磨損，其原因是（shì）工件表麵的加工硬化（huà）使刀具——工件接觸邊界的工件（jiàn）材料硬度最高。加（jiā）工外圓時，刀——工（gōng）接觸（chù）邊（biān）界的切削速度最（zuì）高，因此也容易形成邊界磨損。

      片狀剝落多發生在刀具的（de）前、後刀麵上，其原因是刀——屑或刀（dāo）——工接觸區的接觸疲勞或熱應力疲勞所致。當剝落（luò）很小（xiǎo）時，被認為是磨損；但在很多情況下，由於疲勞裂紋源距刀（dāo）具表（biǎo）麵（miàn）具有一定深度，裂紋擴展後所形成的剝落塊（kuài）往往大於刀具的磨損限度，一旦發生剝落，即可使刀具失效，形成（chéng）剝落破損（sǔn）。

      前刀麵月牙窪也是高速（sù）切削加工（gōng）中（zhōng）一種磨（mó）損形式。塑性變形多發生在切削溫度較高而（ér）刀具紅硬性較差的切（qiē）削條件下，超硬刀具材料在切削速度很高時也可能發生塑（sù）性變形現（xiàn）象。

      3.2 常用的幾種刀具材料的磨損

      陶瓷刀具  陶瓷刀具具有硬度高、耐磨（mó）性能及高溫力學性能優良、化學穩定性好、不易與金屬發（fā）生粘結等特點。陶瓷刀具的最佳切削速度通常可比硬質合金刀具（jù）高3～10倍，適用於高速切削鋼、鑄鐵及其（qí）合金（jīn）等。陶瓷刀具用於高速切削時，切削溫度可高達800℃～1000℃甚至更高，切（qiē）削壓力也很大。因此，陶瓷刀具的磨損是機械磨損與化學（xué）磨損（sǔn）綜合作用的（de）結果-“，在高速切削（xuē）時以高溫引起的粘結磨損、氧化磨損和擴散磨損為主。

  
      立方氯化硼刀（dāo） 具立方氮化硼(CBN)是氮化硼的致（zhì）密相，PCBN的CBN含（hán）量、晶（jīng）粒尺寸、粘結（jié）相等（děng）均會影（yǐng）響其性能：CBN含量越高，PCBN的硬（yìng）度和導熱性也越高；CBN晶（jīng）粒尺寸越大，其抗破損性越弱，刀刃鋒利性越差；采用（yòng）金屬材料（liào）Co、Ni作為粘結相時，PCBN有較好的韌性和導電性（xìng），采用陶瓷材料作為粘結相時則具（jù）有較好的熱穩定性。

  
      一（yī）般（bān）認為（wéi），CBN刀具的磨損是由於切削過程中的高溫、高壓、切（qiē）屑與前刀麵間的摩擦以及工件材料中有關化學元素（sù）與之發生粘結、親和而（ér）引起的，即其磨損機製主要包（bāo）括：氧化磨損和（hé）相變磨損；粘結磨損；摩擦磨損；顆粒剝落與微崩刃。造成CBN刀具磨損的E述多種因素並非隻是獨立存在、單獨作用，而是相互影響、共同加劇，如（rú）氧化磨損和相（xiàng）變磨損（sǔn）必然伴隨著粘結（jié）磨損（sǔn），並出現摩擦磨損、剝落磨損和微（wēi）崩磨損。

      塗層刀具塗層刀具具有很強的抗氧（yǎng）化性能和抗粘結性能，因而具有良好（hǎo）的耐磨性和抗月牙窪磨損能力。塗層的（de）摩擦係數較低，能有效降低切削時的切削力及切削溫度，因而可大大提高刀具耐用度。塗（tú）層刀具用於高速（sù）切（qiē）削（xuē）時，由於切削溫度較（jiào）高，可使塗層（céng）與（yǔ）基體的結合強度削弱，容（róng）易產生剝落、崩碎等損（sǔn）傷（shāng）。

      硬質合金 刀具硬質合金一般用來（lái）進行硬度（dù）較低的模（mó）具鋼(<30HRC)的高速切削加工。在切削速度較低時，其磨損形式為粘著磨損；在切削速度較高時，其磨損形式為氧化和擴散磨損。

      4 刀具係統（tǒng）的動平衡技術

      刀具係（xì）統(刀刃——刀柄——刀盤——夾（jiá）緊裝置)不平衡（héng）會縮短刀具壽命，增加停機時間，並會增大加工表麵粗（cū）糙度，降低工件加工尺寸精度和主（zhǔ）軸軸承使用壽命。高（gāo）速切削刀具係統的平衡更為重要。一般來說，對於小型刀具，平衡修正（zhèng）量隻有百分之幾（jǐ）克（kè）；對於緊密型刀具，采用靜平衡即可；對於懸伸長度（dù）較大的刀具則必須（xū）進（jìn）行動平衡。引起高速切（qiē）削（xuē）刀具係統不平衡的（de）主要因素有：刀具（jù）的平衡極限和殘餘不平衡度、刀具結構不平衡、刀柄不對稱、刀具及夾（jiá）頭的安裝(如單刃鏜刀)不對稱等。設刀具在距離旋轉中心e(mm)處存在等效的不平衡質量m(g)，則刀具不平衡量U(gmm)可定（dìng）義為刀具不平衡（héng）質量與其偏心距的乘積，即U=m×e。設G為反映（yìng）刀具平衡（héng）量與旋轉速度G(r/ram)之間關（guān）係的參數，則（zé）

  
      圖2為因刀具不平衡引（yǐn）起的離心力與主軸轉速和刀具不平衡量的關係。離心力會使主軸軸承受到方向不斷變化的徑向力作用而加速磨損（sǔn）並引起機（jī）床振動（dòng），甚至可能造成事（shì）故。當主軸轉速提高時，慣性離心力將（jiāng）以平方倍數增（zēng）大。因此，高速切削刀具(主要是旋轉刀具)使用前除進行靜平衡外還必須進行動平衡，應根據其使用速度範圍進行平衡，以實現最佳加（jiā）工效益。對高速切削刀具進行（háng）平衡時，首先需對刀（dāo）具、夾頭（tóu）、主軸等各個元件單獨進（jìn）行平衡，然後對刀具與夾頭組合體進行平衡，最後將刀（dāo）具連同主軸一起進行（háng）平衡。推薦采用微調螺釘（dìng）進行精細平衡，或直接采（cǎi）用（yòng）內裝動平衡機構的鏜刀，通過轉動（dòng）補（bǔ）償環移動內部（bù）配重以補償刀具不平衡量。目前國內外尚無統一的（de）刀具平（píng）衡標準，對采用IS01940-1標準中的G值作為平衡標準也有不同看法。國外一些（xiē）企業以G1(即（jí）刀具以10000r/min的轉（zhuǎn）速回轉時，回轉（zhuǎn）軸與（yǔ）刀具中心軸線的偏心距為1μm)作為平衡標準；有（yǒu）的企業（yè）對轉速6000r/min以上的高速切削刀具以G2.5作為平（píng）衡標準。

   
      5刀具與機床的連接技術

      高速切削用的刀具尤其是（shì）高速旋轉刀具，由於旋轉速度（dù）很（hěn）高，無論從保（bǎo）證加工精（jīng）度方麵考慮，還是（shì）從操作安全方麵考慮，對（duì）它的裝夾技（jì）術都有很高的要求。彈簧夾頭、螺釘（dìng）等傳統的刀具（jù）裝（zhuāng）夾方法已經不能（néng）滿足高速加（jiā）工的需要。開發新型的刀柄（bǐng）和（hé）刀具夾（jiá）頭已經成為高速刀具技術的一個重要組成部分一。HSK刀柄是一種新型的高速錐形刀柄，其接口采用錐麵和端（duān）麵兩麵同時（shí）定位（wèi）的方式（shì），刀柄位中空，錐體長度較短，有利（lì）於實現換刀輕（qīng）型化及高（gāo）速化。由（yóu）於采用（yòng）端麵定位，完全（quán）消除了（le）軸向定位誤差，使高速、高精度加工成為可能。這種刀柄（bǐng）在高速加工中（zhōng）心中應（yīng）用很普遍，被譽為（wéi）“21世紀的刀柄”。

      1987年美國肯納金屬(Kennametal)公司及德國威（wēi）迪亞(Widia)公司（sī）聯合研製了1:10短錐空心（xīn）KM刀柄，並首次（cì）提出了（le）端麵與錐度雙定位原理。KM刀柄采（cǎi）用1:10短錐配合，錐柄（bǐng）的長度僅（jǐn）為標準7:24錐柄長度的1/3，由於配合錐度較（jiào）短，部分解決了端麵與（yǔ）錐麵同時定（dìng）位鎖產生（shēng）的（de）幹涉問（wèn）題。刀柄設計成中空的結構，在拉杆（gǎn）軸向拉力作用下，短錐可徑向收縮，實現端麵與錐麵同時接觸定位。由於（yú）錐度配合部分有較大的過盈量(0.02mm～0.05mm)，所需的加工精度比標準的（de）7:24長錐配合所需要（yào）的精度低。與（yǔ）其他類型的空心錐連接相比，相同法蘭外徑所采用的錐（zhuī）柄直徑較小，主軸錐（zhuī）孔在高（gāo）速（sù）旋（xuán）轉時的擴張量小，高速性能好。這種係統的主要缺點時（shí）：主軸端部需（xū）要重新設計，與傳統的7:24錐連接不兼容（róng）；短錐（zhuī）的自鎖會使換刀困難；由於錐柄是空心的，所以不能用作刀具的夾緊（jǐn），夾緊所需（xū）由刀（dāo）柄的法蘭實現，這樣增加了刀具的懸伸量，對於連接剛度有一定的削（xuē）弱。由於端麵接（jiē）觸定位是以空心短錐和主軸變形為前提實現的（de），主軸的膨脹會（huì）惡化主軸軸承的（de）工作條件，影響軸承（chéng）的壽命。

      另外（wài），還有Sandvik公司（sī）生產的CAPTO刀柄、日（rì）本株（zhū）式會（huì）社日研工作所的NC5刀具係統、BIG PLUS刀柄、H.F.C刀柄、3LOCK刀柄、WSU刀柄（bǐng）以及SHOWA D-F-C刀柄等許（xǔ）多適合於高速切削加工的刀（dāo）柄（bǐng）。但目前來看，高速切削刀柄仍然以HSK和KM刀柄為主，它們的應用範圍最廣，且代表將來高速切削刀柄發展的（de）主流方（fāng）向（xiàng）。

      6 刀具的安全性

      高（gāo）速切削刀具安全性涉及的主（zhǔ）要對象是高速旋轉的銑（xǐ）刀和鏜刀，尤其是高速（sù）銑刀（dāo），因為高速銑削是（shì）目前（qián）高速切削應用的主要工藝。加（jiā）工實踐表（biǎo）明，普通銑刀的結構和強度不能適應高速切削（xuē）的要（yào）求，因（yīn）此高速銑刀安全（quán）性（xìng）的研究更具有緊迫性和現（xiàn）實性。

      7 刀具監測（cè）技術

      高速切削刀具監測技（jì）術對於高速切削加工的安（ān）全性十（shí）分重要。刀具監（jiān）測技術主要包括通過監測切削力以控製刀具磨損；通過監測機床功率以間接獲得刀具磨（mó）損（sǔn）信息；監測刀具斷裂(破損)等。目前國內外對高速切削刀具監測技術的研究（jiū）及開發應用還不夠充（chōng）分。

      由於聲發射信號對刀（dāo）具載荷比較敏感，因此（cǐ）MyeonyChang Kang等利用聲發射對（duì）高速切削中（zhōng）的刀具狀況（kuàng）和刀具（jù）磨損進行監測，並取得了（le）較好的效果。另外Jean-Ha Kim等（děng）利用數碼照（zhào）相機和專用夾具進行高速切削刀具磨損的研究。

      8 刀具的幾（jǐ）何參數（shù）的選擇（zé）

      刀具的幾何參數的選擇會對高速切（qiē）削及其刀具的壽命產生巨大（dà）的影響，也是我們應予以高度重視的部分。
高速切削刀具與普通刀具前後（hòu）角相比，一般高速切削比普通切削的前角約小10°。，後角約大5°～8°。同時（shí）HSC刀具的切削部位應盡量短，以提（tí）高刀具的剛性和減小刀刃的破損（sǔn）率。

      高速（sù）切削（xuē）時，刀具的（de）合理（lǐ）幾何（hé）參數依據加工材料的不同而不同，在加工工具鋼時（shí），起重要作用的（de）刀具幾何角度是α0、γ0等，HSC時刀具的合理70、咖的經驗值（zhí）見表1。此（cǐ）外，為獲得較佳的刀具幾何參數，還可以采用合適的刀體材料和安全的結構，使用較短的（de）切（qiē）削刃，提高刀具的（de）整體剮性；采用較大的刀尖角，合適的斷屑措施等。

      綜上（shàng）所（suǒ）述，大力發（fā）展（zhǎn）模具高速切（qiē）削刀具技術，就要從以下幾個方麵展開（kāi）工作：

      研製（zhì）和（hé）開發新的刀具材料(主要是研製開發新的具有更高韌（rèn）性的陶（táo）瓷刀具（jù）和具有更（gèng）高（gāo）性能的塗層刀具)，同時進行（háng）PCBN刀具（jù）切削性能的研（yán）究，推廣其（qí）應用範圍（wéi）。

      進行模具高速切削刀具磨損機理的研究，進一步提高刀具壽命做好（hǎo）刀具的動平衡，防止刀（dāo）具的甩飛和破損，保證工作人員的安全。進（jìn）一步加強刀具監測技術的研究（jiū），以獲得良好的加工質量（liàng）優化高速切削刀具的（de）結（jié）構，積累（lèi）適當（dāng）的（de）模具高速切削加工參數，建立模具高速切削數據庫（kù），以便有（yǒu）效的利用刀具，提高刀具（jù）的壽命。

      大力（lì）推進有限元模擬技術在高速切削（xuē）刀具（jù）技術中的應（yīng）用。目前，我國高速切削地應用還遠遠落後於發達國家的一個主要原（yuán）因就在於刀具技術的落後，因（yīn）此研製出適合高速切削的刀具是促進我國高速切（qiē）削發展和應用的一個主要途徑。