1 引言

      近年來，高速切削（xuē）技術獲得了（le）迅（xùn）速的發展，各（gè）種高速切削（xuē）加工機床不斷湧現，應用範圍也越來越廣。目前，高速切削加工技術已經成功應用到模具（jù）製造領域。應用高速切（qiē）削進行模具製（zhì）造，具有以下優點：

      高速切削大大提高加工效率，不僅機床轉速高、進給快，而且粗、精加工可（kě）一次完成，極大地提高了模具生產（chǎn）率。結合CAD/CAM技術，模具的製造周期可縮短約40%。

      高（gāo）速切削可加工淬硬鋼（gāng），硬度可達（dá）60HRC左右，表麵粗糙度低於（yú）Ra0.6μm，取（qǔ）得以銑代磨的加工效果，不僅節省了大量修模時間，還提（tí）高了加工的表麵質量。

      因此，發（fā）展模具（jù）高速切削技術對促進我國（guó）模具技術發展以及（jí）應對（duì）新（xīn）挑戰是一個有效途徑。而模具高（gāo）速切削技術（shù）的發（fā）展，是建立在機（jī）床、刀具（jù）、CAD/CAM係統（tǒng）的快速發（fā）展的（de）基礎之上的，本文（wén）重點探討模具高速切（qiē）削刀具（jù）技術。

      2 刀具材料

      在高速切削（xuē）過程中，刀具和（hé）切屑之（zhī）間溫度很高，既有熱的性質，又有化（huà）學特性，所以刀具材料和工件材料的（de）匹配很重要。高速切削刀（dāo）具與加工的模具材料（liào）必須有較小的化學（xué）親和力、優良的力學性能、熱（rè）穩（wěn）定性和（hé）良好的抗衝擊、耐磨損和（hé）抗熱疲（pí）勞的特性。選擇刀具（jù）的4大要素為：模具材（cái）料、刀具材料、工具幾何形狀和切（qiē）削條件。高速加工的刀具材料必須根據模具材料和加工性質來選擇。目（mù）前，陶瓷、立方氮化硼(CBN)、塗層硬質合金等刀（dāo）具均可作為高速（sù）切削模具（jù）鋼件的刀具材料。其中，陶瓷以化學穩定性好，具有良（liáng）好的耐磨性，能以比（bǐ）硬質合金更高的切削（xuē）速度進（jìn）行切削加工，然而它的硬度、韌性低於CBN，可（kě）用於加工硬度<50HRC的模具材料。而CBN以（yǐ）其高（gāo）硬度、極強的耐磨性、高溫化學穩（wěn）定（dìng）性及良好的導熱性，用於（yú）銑削（xuē）淬（cuì）硬鋼、冷硬鑄鐵、鈦合金等材料；塗層硬質合金因塗層不（bú）同而具有切削多（duō）種材料的能力。PCBN(聚晶（jīng）立方氮化硼)則是由（yóu）CBN(立方氮（dàn）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列狀態，因此PCBN硬度均勻，無方向性，具有一致的（de）耐磨性和（hé）抗衝擊性，並具有很高的硬度和耐（nài）熱性(1300℃～1500℃)、優良的化學穩定性和導熱性以及較小的摩擦係數，而且與Fe族元素親和性很低，困此它是高（gāo）速（sù）切削黑色金屬較理（lǐ）想的刀（dāo）具材料。從目前的研究（jiū）結果來看，在所有的模具高速切削刀具材料中，PCBN的性能相對較好（hǎo），是進行淬硬鋼模具加工的主要刀具材料。

      3刀具的磨損

      3.1 刀具的（de）主要（yào）磨損形態

  
      高（gāo）速切削時，刀具的主要（yào）磨（mó）損形態為後刀（dāo）麵磨（mó）損、微崩刃、邊界磨損、片狀剝落、前（qián）刀麵月牙窪磨損、塑性變形等，如圖1所（suǒ）示。

  
      後刀麵磨損是（shì）高速切削（xuē）刀具經常發（fā）生的磨損形式，可看（kàn）作是刀具的正常（cháng）磨損。後刀（dāo）麵磨損帶寬度的加大會使刀具（jù）喪（sàng）失切削性能（néng），在高速切削時常采用後刀麵上均勻磨損區寬度的VB值作為刀具的（de）磨損極限。

      微崩刃（rèn）是在刀具切削刃上（shàng）產生的微（wēi）小（xiǎo）缺口，常發生在斷續高速切削時，通過（guò）選用韌性好的（de）刀具材料、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（lǜ）。通常隻要將刀具微崩刃的大（dà）小控製在磨損限度以內，刀具仍可繼續使用。

      邊界磨損發生在刀具後刀麵的刀——工接觸邊緣（yuán）處，形狀通常為一狹長溝（gōu）槽，因此（cǐ）也（yě）稱為溝槽磨損。高速切削不（bú）鏽鋼、高溫合金(如Inconel718)時刀具容易發生邊（biān）界磨損，其原因是工件表麵的加工硬化使刀具——工件接觸邊界（jiè）的工件材料硬度最高。加工（gōng）外圓時，刀——工接觸邊界的切削速度最高，因此也容易形成（chéng）邊界磨損。

      片（piàn）狀（zhuàng）剝落多發生在刀具的前、後刀麵上，其原因是刀——屑或刀——工（gōng）接觸（chù）區的接觸（chù）疲勞或熱應力疲（pí）勞所致。當剝落很小時，被認為是磨損；但在很多情況下，由於疲（pí）勞裂紋源距刀具表麵具有一定深度，裂（liè）紋擴展後所形成的剝落塊往往大於刀具的磨損限度，一旦發生剝落，即可使刀具失效，形成剝落破損。

      前刀麵月（yuè）牙窪也是高速切削加工中一種磨（mó）損形式。塑性變形多發生在切（qiē）削溫度較高而刀具紅硬性較差的切削條件下，超硬刀具材料在切削速度很高時（shí）也可能發（fā）生塑性變形現象。

      3.2 常用（yòng）的幾種刀具材料的（de）磨損

      陶瓷（cí）刀具  陶瓷刀具具（jù）有硬度高、耐磨性能及高溫力學性能優良（liáng）、化學穩定性好、不易與金屬發生粘結等（děng）特點。陶瓷刀具的最佳切削速度通常（cháng）可比硬質合（hé）金（jīn）刀具高3～10倍，適用於高速切削鋼、鑄鐵及其合金等。陶（táo）瓷（cí）刀具用於高（gāo）速切削時，切（qiē）削溫度可高達800℃～1000℃甚至更（gèng）高，切削壓力（lì）也很大。因此，陶（táo）瓷刀具的磨損是機械磨損與（yǔ）化學（xué）磨損綜合作（zuò）用的結果-“，在高速切（qiē）削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 具立方氮化硼(CBN)是氮（dàn）化硼的致密相，PCBN的CBN含量、晶粒尺寸、粘結相（xiàng）等均會影（yǐng）響其性能：CBN含量越高（gāo），PCBN的硬度和導熱性也越高；CBN晶粒尺寸越大，其抗破損性越弱，刀刃鋒利（lì）性越差；采用金屬材（cái）料Co、Ni作為粘結相時，PCBN有較好的（de）韌性（xìng）和導電性，采（cǎi）用陶瓷材料作為粘結相（xiàng）時則具有較好的熱穩（wěn）定性。

  
      一般認為，CBN刀具的磨損是由於切削過程（chéng）中的高溫、高壓、切屑與前刀麵間的摩（mó）擦以及（jí）工件材料中有關化學元素與之發生粘結、親和（hé）而引起的，即其磨損機製主（zhǔ）要包（bāo）括：氧化磨損和相（xiàng）變磨損；粘結磨（mó）損；摩擦磨損（sǔn）；顆（kē）粒剝落與微崩刃。造成CBN刀具磨損的E述多種因素並（bìng）非隻是獨立存（cún）在、單獨作用，而是相互影響、共同加劇，如氧化磨（mó）損和相變磨損必然伴隨著粘結磨損，並出現摩擦磨損、剝落磨損和微崩磨損。

      塗層刀具塗層刀具具有很強的抗氧化性能和抗粘結性能（néng），因（yīn）而具有良好的耐磨性和抗月牙（yá）窪磨損能力（lì）。塗層的摩擦係數較低，能（néng）有效降低（dī）切削時的切削力（lì）及切削溫度，因而可大大提高刀（dāo）具耐用度。塗層刀具用於高速切削（xuē）時，由於切削（xuē）溫度較高，可（kě）使（shǐ）塗層與基體的結合強度削弱，容易產生剝落、崩碎（suì）等損（sǔn）傷。

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

      4 刀具係統（tǒng）的動平衡技術

      刀具係統(刀刃——刀柄——刀盤——夾緊裝置)不平衡會縮短刀具壽命，增加停機時間，並會增大加工表麵粗糙度，降低工件加工尺寸精（jīng）度和主軸軸承（chéng）使用壽命。高速切削刀具係統（tǒng）的平衡更為重要。一般來說，對於（yú）小型刀具（jù），平衡修正量（liàng）隻（zhī）有百分之幾克；對於緊密型刀具，采用靜平衡即（jí）可；對於懸伸長度較大的刀具則必須進行動平衡。引起高速切削刀具（jù）係統不平衡的主要因素有：刀具的平衡極限和殘（cán）餘（yú）不平衡度、刀具結構不平衡（héng）、刀柄不對（duì）稱、刀具及夾頭的安裝(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）義為刀具不平衡質量與其（qí）偏心距的乘積，即U=m×e。設（shè）G為（wéi）反映刀具平衡量與旋轉速度G(r/ram)之間關（guān）係的參數，則

  
      圖2為因刀具不（bú）平衡引（yǐn）起（qǐ）的離心力與主軸轉速和刀具不平衡量的關係。離心力會使（shǐ）主（zhǔ）軸（zhóu）軸承受到方向不（bú）斷變化的徑向力作用而加速磨損並引起機床振動，甚至可能造（zào）成事故。當主軸轉速（sù）提高時，慣性離（lí）心力將以（yǐ）平方倍數增大。因此，高速切削刀具(主要是旋轉刀具)使用前（qián）除進行（háng）靜平衡外還必須進行動平衡，應根據其使用（yòng）速度範圍進行平衡，以實現最佳加工效益。對高（gāo）速切削刀具（jù）進行平衡時（shí），首先需對刀具、夾頭、主軸等各個（gè）元件（jiàn）單獨進（jìn）行平（píng）衡，然後對刀具與夾頭組合（hé）體進行平衡，最後將刀具連同主軸一起進（jìn）行平衡。推薦采用（yòng）微調螺釘進行精細平衡，或直接采用（yòng）內裝動（dòng）平衡機構的鏜刀，通過轉動補償環移動內部配重以（yǐ）補（bǔ）償刀具不平衡量（liàng）。目前國（guó）內（nèi）外尚無統（tǒng）一的（de）刀具平（píng）衡標準，對采用IS01940-1標（biāo）準中的G值作為（wéi）平衡標準也有不同看法。國外一些企業以G1(即刀具以10000r/min的轉速回轉時，回轉軸與刀具中心軸線的偏心距為1μm)作為平衡標準；有的企業對轉速6000r/min以（yǐ）上的高速切削（xuē）刀具以G2.5作為平衡標（biāo）準。

   
      5刀具與機床的連接（jiē）技（jì）術

      高速切削用（yòng）的刀具尤其（qí）是高速旋轉刀具（jù），由於（yú）旋轉速度很高，無論從保證加工精度方麵（miàn）考慮，還是（shì）從操作安全方麵考慮，對它的裝（zhuāng）夾技術都有很（hěn）高的（de）要（yào）求。彈簧夾頭、螺釘等（děng）傳統的刀具裝夾方法已經不能滿足高速加工的（de）需要。開發新型的刀柄和（hé）刀具夾頭已經成為高速刀具技術的（de）一（yī）個重要組成部分一。HSK刀柄是（shì）一種新型的高速錐形刀柄，其接口采用錐麵和端麵兩麵同時定位的方（fāng）式，刀柄位中空，錐體長（zhǎng）度較（jiào）短，有利於實現換刀輕型化及高速化。由於采用端麵定位，完（wán）全消除了軸向定位誤差，使高速、高精度加工成為可（kě）能。這（zhè）種刀柄（bǐng）在高速加工中心中應用很普遍，被譽為“21世紀的刀（dāo）柄”。

      1987年（nián）美國肯納金屬(Kennametal)公司及德國（guó）威迪亞(Widia)公司（sī）聯合研製了1:10短錐空（kōng）心KM刀柄，並首次（cì）提出了（le）端麵與錐度雙定（dìng）位原理。KM刀柄采用（yòng）1:10短錐配合，錐柄的（de）長度僅為標準7:24錐柄長度的1/3，由（yóu）於配合錐度較短，部分解決了端麵（miàn）與錐麵同時定位鎖產生的幹涉問題。刀柄設計（jì）成（chéng）中空的結構，在拉杆軸向（xiàng）拉力作用（yòng）下，短錐可徑向收縮，實現端麵與錐麵同時接觸定位。由於錐度（dù）配合部分有較（jiào）大的（de）過盈量(0.02mm～0.05mm)，所需的加工精度（dù）比標（biāo）準的7:24長錐配合所需（xū）要的精度低。與其他類型的空心錐連接相比，相同法蘭外徑所采用的錐柄直徑較小，主軸錐孔在高速旋轉時的（de）擴張量小，高速性能好（hǎo）。這種係統的主要缺點時（shí）：主軸端部需要重新設計，與傳統的7:24錐連接（jiē）不兼容；短錐的自鎖會使換（huàn）刀困難；由於錐柄是空心的，所以不能用作刀具（jù）的夾緊，夾緊所需由刀（dāo）柄的法蘭實現，這樣增加（jiā）了刀具的懸伸（shēn）量，對於連接剛度（dù）有一定的削弱（ruò）。由於端麵接觸定位是（shì）以空心（xīn）短（duǎn）錐和主軸變（biàn）形為前提實現的，主軸的膨脹會惡化主軸軸承的工作條件，影響軸承的壽命。

      另外，還有Sandvik公司（sī）生產（chǎn）的CAPTO刀柄、日本株式會社（shè）日研工作所的NC5刀具（jù）係統（tǒng）、BIG PLUS刀柄（bǐng）、H.F.C刀柄、3LOCK刀柄、WSU刀柄以及SHOWA D-F-C刀柄等許多適合於高速切削加工的刀柄。但目前來看，高（gāo）速切削刀柄仍然以HSK和KM刀（dāo）柄為主（zhǔ），它們的（de）應用範圍最廣，且（qiě）代表將來高（gāo）速切削刀柄發展的主流方向。

      6 刀具的安全性（xìng）

      高速切削刀具安全性涉及（jí）的主要（yào）對象是高速旋轉的（de）銑刀（dāo）和鏜刀，尤其是高速（sù）銑刀，因為高（gāo）速銑削是目前高速切削應用的主要工藝。加工實踐表明，普通銑刀的結（jié）構和強度不能適應高速切削的要求，因此高速銑刀安全（quán）性（xìng）的研究（jiū）更具有緊迫性和現（xiàn）實性。

      7 刀具監測技術（shù）

      高速切削刀具監測技術（shù）對於高速切削加工的安全性十分重要。刀具（jù）監測技術（shù）主要包括通過監測切削力以控（kòng）製（zhì）刀具磨損；通過監測機床功率以間（jiān）接獲得刀具磨損（sǔn）信息；監測刀具斷（duàn）裂(破損)等。目前國內外對高速切削刀具（jù）監測技術的研究及開發應用（yòng）還不夠充（chōng）分。

      由於聲發射信號對刀具載荷比（bǐ）較敏感，因（yīn）此MyeonyChang Kang等利用聲發射對高速切削中的刀（dāo）具狀況（kuàng）和刀具磨損進（jìn）行監測，並取得了（le）較（jiào）好（hǎo）的效果。另外Jean-Ha Kim等利用數碼照相機和專（zhuān）用夾具進行高速切削刀具磨損的研究。

      8 刀具（jù）的幾（jǐ）何參數的（de）選（xuǎn）擇

      刀具的幾何參數的選擇（zé）會對高速切削及其刀具（jù）的壽命（mìng）產生巨大的影響，也（yě）是（shì）我們應予以高度重視的部分。
高速切（qiē）削刀具與普通刀具前後角相比，一般（bān）高（gāo）速切削比普（pǔ）通切削的前角約小10°。，後角約大5°～8°。同時HSC刀具（jù）的切削（xuē）部（bù）位應盡量短，以提高（gāo）刀具的剛性和減（jiǎn）小刀刃的破損率。

      高速切削時，刀具的合理（lǐ）幾何參數依據加（jiā）工材料的不同而不同，在加工工具鋼時，起重要（yào）作用的（de）刀具幾何角（jiǎo）度是α0、γ0等（děng），HSC時刀具的合理70、咖的經驗值見（jiàn）表1。此（cǐ）外，為獲得較佳的刀具幾何參數，還（hái）可以采用合適的刀體材料和安全的結構，使用較（jiào）短的切削刃，提高刀具的整體剮性（xìng）；采用較大的刀尖角，合適的（de）斷屑措施等。

      綜上所述，大（dà）力發（fā）展模具高（gāo）速切削刀（dāo）具技術，就要從以下幾個方麵展開工作：

      研製和開發新的刀具材料（liào）(主要（yào）是研（yán）製開（kāi）發新的具有更高韌性（xìng）的陶瓷刀具和具有更高性能的塗層刀具)，同時進行PCBN刀具切削性能的研（yán）究，推廣其應用範圍。

      進行模具高（gāo）速切削刀具磨（mó）損機理的研究，進（jìn）一步提高刀具壽命做好刀具的動平衡，防止刀（dāo）具的甩飛和破損，保證工作人員（yuán）的安（ān）全。進一步（bù）加強（qiáng）刀具（jù）監測技術的研究，以（yǐ）獲得良好的加工質量優化高速切（qiē）削刀具的結構（gòu），積累適當的模具高速切削加工參數，建立模具高速切削數據庫，以便有效的利用（yòng）刀具，提高刀具的壽命。

      大力推進（jìn）有限元（yuán）模擬技術在高速切削刀具技術中的應用。目前（qián），我國高速切削地應用還遠遠落後於發達（dá）國家（jiā）的（de）一個（gè）主（zhǔ）要原因就（jiù）在於刀具技術的落後，因此（cǐ）研製出適合（hé）高速切削的刀具是促進我國高速（sù）切削發展和應用（yòng）的一個主要途徑。