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高 速加工技术的迅猛发展 ,加工过程中使用的切削液用量越来越大<1> ,其流量有时高达 80～ 10 0Ｌ/ｍｉｎ。但大量切削液的使用造成了非常突出的负面影响 :( 1)零件的生产成本大幅度提高 ,在零件加工的总成本中 ,切削液费用约占 16% ,而刀具的费用只占总成本的4% <2> 。 ( 2 )造成对环境的严重污染 ,如把未经处理的切削液排入江河湖海 ,就会污染土地、水源和空气 ,严重影响动植物的生长 ,破坏生态环境。 ( 3)直接危害车间工人的身体健康 ,目前生产中广泛使用的水基切削液含有对人体有害的化学成分。在切削 (磨削 )过程中 ,切削液受热挥发形成烟雾 ,在车间常常弥漫着难闻的异味 ,会引起操作工人肺部和呼吸道的诸多疾病 ,人手和切削液直接接触 ,还会诱发多种皮肤病 ,直接影响工人健康。上述负面影响 ,已成为机械工业发展的一大障碍。这就使人们会提出这样一个问题 :机械加工中能不能不用或少用切削液呢 ?干切削 (ＤｒｙＣｕｔｔｉｎｇ)技术就是在这样的历史背景下应运而生 ,并从90年代中期以来迅速发展起来的。干切削技术起源于欧洲 ,目前在西欧各国也最为盛行。据统计现在已有8%左右的德国企业采用了干切削技术。到 2 0 0 3年 ,德国制造业将有 2 0 %以上采用干切削技术<4> 。在干切削研究和应用方面 ,目前德国处于国际领先地位。日本已开发成功不使用切削液的干式加工中心。装有液氮冷却的干切削系统 ,从空气中提取高纯度氮气 ,常温下以5～ 6个大气压的压力将液氮送往切削区 ,可顺利实现干切削。我国成都工具研究所、山东工业大学和清华大学等单位对超硬刀具材料及刀具涂层技术进行过系统的研究 ,陶瓷刀具在我国目前已形成了一定的生产能力 ,这些都为干切削技术的研究与应用打下了初步的技术基础。北京机床研究所最近开发成功了能实现高速干切削的ＫＴ系列加工中心<6> 。2　切削液的功能和实现干切削的主要难点　　干切削并不是简单地停止使用切削液就能实现的。必须分析在停用切削液以后 ,会出现什么问题 ?应采取什么措施来消除这些不利影响 ?为此 ,首先应对切削液在机械加工中的作用和功能有一个全面、深入的认识。在机械加工中 ,切削液主要有三大功能 :( 1)润滑功能———当切削液进入切削区以后 ,它就会渗入到刀具、工件和切屑之间的接触面 ,形成一层润滑膜。这层润滑膜可减少切削过程的摩擦 ,减小切削力 ,减轻切屑与刀具的粘结现象并抑制积屑瘤的产生 ,有利于改善加工表面技术质量。( 2 )冷却功能———切削过程所消耗的能量 90 %以上都转化为切削热。切削液能有效地把切削热从机床的加工区迅速带走 ,从而大大降低机床切削区的温升 ,提高刀具的耐用度和工件的加工精度。( 3)协助排屑与断屑———切削液作为高压大流量的冲洗剂 ,能把细小的切屑冲离工件或刀具 ,将切屑迅速从机床中排出 ,以利于提高零件的加工精度和刀具的使用寿命。带状切屑则主要靠刀具的几何结构来实现断屑 ,但高压切削液对断屑和排屑也起一定的辅助作用。进行干切削时 ,由于缺少了切削液的上述润滑、冷却和辅助排屑与断屑等作用 ,因而切削热会急剧增加 ,机床加工区温度明显上升 ,刀具耐用度大大降低。要使干切削得以顺利进行 ,达到或超过湿加工时的加工质量、生产率和刀具耐用度 ,就必须从刀具、机床和工件各方面采取一系列的措施。因此干切削技术是一项庞大的系统工程 ,其中最大的难点在于如何提高刀具在干切削中的性能 ,同时也对机床结构、工件材料及工艺过程等提出了新的要求。3　干切削的刀具技术　　刀具能否承受干切削时巨大的热能 ,是实现干切削的关键。主要措施有 :( 1)采用新型的刀具材料干切削不仅要求刀具材料有很高的红硬性和热韧性 ,而且还必须有良好的耐磨性、耐热冲击和抗粘结性。图 1列出了几种刀具材料的硬度与温度的关系。由图可见 ,陶瓷刀具 (Ａｌ2 Ｏ3,Ｓｉ3Ｎ4)、金属陶瓷 (Ｃｅｒｍｅｔ)等材料的硬度在高温下也很少降低 ,即具有很好的红硬性 ,因此很适合于一般目的的干切削。可是这类材料一般较脆 ,热韧性不好 ,不适用于进行断续切削。立方氮化硼 (ＣＢＮ)、聚晶金刚石 (ＰＣＤ)、超细晶粒硬质合金等超硬刀具材料则广泛用于干切削。图 1　不同材料硬度与温度的关系( 2 )采用涂层技术对刀具进行涂层处理 ,是提高刀具性能的重要途径。涂层刀具分两大类 :一类是“硬”涂层刀具 ,如ＴｉＮ、ＴｉＣ和Ａｌ2 Ｏ3等涂层刀具。这类刀具表面硬度高 ,耐磨性好。另一类是“软”涂层刀具 ,如 :ＭｏＳ2 、ＷＳ等涂层刀具 ,这类涂层刀具也称为“自润滑刀具” ,它与工件材料的摩擦系数很低 ,只有 0 .0 1左右 ,能减小切削力和降低切削温度。切削实验表明 ,无涂层丝锥只能加工 2 0个螺孔 ;用ＴｉＡｌＮ涂层丝锥时可加工 10 0 0个螺孔 ,而ＭｏＳ2 涂层的丝锥则可加工 40 0 0个螺孔。高速钢和硬质合金经过ＰＶＤ涂层处理后 ,可以用于干切削。原来只适用于进行铸铁干切削的ＣＢＮ刀具 ,在经过涂层处理后也可用来加工钢、铝合金和其他超硬合金。实际上 ,涂层有类似于冷却液的功能 ,它产生一隔热层 ,使热不会或很少传入刀具 ,从而能在较长的时间内保持刀尖的坚硬和锋利。涂层还有在高速干切削中保持刀具材料不受化学反应的作用。在发展干切削技术过程中 ,要特别注意涂层刀具的有效应用。( 3)优化刀具参数和切削用量刀具的几何参数和结构设计必须满足干切削对断屑和排屑的要求。断屑槽在韧性材料加工中对断屑起着很关键的作用。目前在车刀三维 曲面断屑槽方面的设计制造技术已经比较成熟,可针对不同的工件材料和切削用量 ,很快设计出相应的断屑槽结构与尺寸 ,并能大大提高切屑折断能力和对切屑流动方向的控制能力。高速加工有切削力小、散热快、加工过程稳定性好等优点 ,高速切削技术与干切削技术的有机结合 ,将获得生产效率高、加工质量好和无环境污染等多重利益。4　干切削的机床技术　　设计干切削机床时要考虑的特殊问题主要有两个 :一个是切削热的散发 ;另一个是切屑和灰尘的排出。干切削时在机床加工区产生的热量较大 ,如不及时从机床的主体结构排出去 ,就会使机床产生热变形 ,影响工件加工精度和机床工作可靠性。对于一些无法排出的热量 ,则相关部件应采取隔热措施。为了便于排屑 ,干切削机床应尽可能采用立式主轴和倾斜式床身。工作台上的倾斜盖板可用绝热材料制成 ,将大量热切屑直接送入螺旋排屑槽。采用吸气系统可防止工作台和其它支承部件上热切屑的堆积。内置的循环冷气系统用以提高机床工艺系统的热稳定性。在加工 区的某些关键部位设置温度传感器,用以监控机床温度场的变化情况 ,必要时通过数控系统进行精确的误差补偿。过滤系统可将干切削过程中产生的尘埃颗粒滤掉并被抽风系统及时吸走。产生灰尘的加工区应和机床的主轴部件及液 压、电气系统严加隔离。此外还可以通过对这些部件施加微压,以防止灰尘的侵入。对铝合金或纤维等增强塑料进行干切削时 ,必须采用高速加工中心或其它高速数控机床 ,其主轴转速一般高达2 5 0 0 0～ 60 0 0 0ｒ/ｍｉｎ ,主电动机功率 2 5～60ｋＷ ,通常都采用“电主轴”的传动结构方式 ;进给速度高达 60～ 10 0ｍ/ｍｉｎ ,加速度 2～ 8ｇ(ｇ =9.81ｍ/ｓ2 ) ,为普通数控机床的 10倍以上 ,现已逐步用直线伺服电动机替代滚珠丝杠来实现高速进给运动<8> 。5　干切削的工艺技术　　工件材料在很大程度上决定了实施干切削的可能性。干切削的“工件材料 /加工方法”的组合如下表所示。由表可见 ,超硬合金和钢最难于进行干切削。难于进行干切削的工件材料和加工方法组合表工件材料加　工　方　法车削铣削铰削攻丝钻孔铸　铁钢×××铝合金××超硬合 金×××××复合材料　　注:×表示难于进行干切削铝合金传热系数高 ,在加工过程中会吸收大量的切削热 ;热膨涨系数大 ,使工件发生热变形 ;硬度和熔点都较低 ,加工过程中切屑很容易与刀具发生“胶焊”或粘连 ,这是铝合金干切削时遇到的最大难题。解决这一难题的最好办法是采用高速干切削。在高速切削中 ,95 %～98%的切削热都传给了切屑 ,切屑在与刀具前刀面接触的界面上会被局部熔化 ,形成一层极薄的液态薄膜 ,因而切屑很容易在瞬间被切离工件 ,大大减小了切削力和产生积屑瘤的可能性 ,工件可以保持常温状态 ,既提高了生产效率 ,又改善了铝合金工件的加工精度和表面质量<1> 。为了减少高温下刀具和工件之间材料的扩散和粘结 ,应特别注意刀具材料与工件之间的合理搭配。例如 ,金刚石(碳元素Ｃ)与铁元素有很强的化学亲合力 ,故金刚石刀具虽然很硬 ,但不宜于用来加工钢铁工件。钛合金和某些高温合金中有钛元素 ,因此也不能用含钛的涂层刀具进行干切削。又如ＰＣＢＮ刀具能够对淬硬钢、冷硬铸铁和经过表面热喷涂的硬质工件材料进行干切削 ,而在加工中、低硬度的工件时 ,其刀具寿命还不及普通硬质合金的寿命高硬车是一种“以车代磨”的新工艺 ,用于某些不适宜进行磨削的回转体零件的加工 ,是一种高效的干切削技术。在对氮化硅 (Ｓｉ3Ｎ4)工件进行硬车时 ,由于该材料有极高的抗拉强度 ,使任何刀具都很快破损。可采用激光辅助切削 ,用激光束对工件切削区进行预热 (见图 2 ) ,使工件材料局部软化 (其抗拉强度由75 0ＭＰａ降至 40 0ＭＰａ) ,则可减小切削阻力 30 %～ 70 % ,刀具磨损可降低 80 %左右 ,干切削过程中的振动也大为减小 ,大大提高了材料切除率 ,使干切削得以顺利进行。

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刀 具材料的进步极大地推动着切削加工技术的发展。从碳素工具钢刀具、高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具到金刚石和立方氮化硼刀具 ,刀具材料的每一次革新几乎都给切削加工业带来一次革命。特别是近三十年来 ,作为切削加工最基本要素的刀具材料得到了迅速发展 ,采用各种高纯超细的氧化物、氮化物、碳化物、硼化物和合金元素制造的新型刀具材料不断涌现 ,材料的物理机械性能和切削加工性能都有了很大的提高 ,应用范围也不断扩大。开发的新型刀具材料如纳米复合刀具、纳米涂层刀具、晶须增韧陶瓷刀具、梯度功能刀具材料等为现代切削加工业提供了新的选择。目前国 际上广泛应用的刀具材料主要有:高速钢刀具、硬质合金刀具、超硬刀具等 ,刀具材料的牌号多达上千种。随着科学技术的发展 ,对工程材料也提出了愈来愈高的要求。各种轻质强韧材料、新型航空航天材料、核能材料、复合材料、生物材料、功能材料、纳米材料、稀土材料、新型金属或非 金属材料等的应用日益广泛。面对如此种类繁多的工件材料,如何正确选择刀具材料进行切削加工 ,以提高切削加工生产率、降低加工成本和减小资源消耗 ,是一个需要高度重视的问题。长期以来 ,国内外机械加工企业选择刀具材料的方式以传统的试切法和参照以往经验为主。在加工某一新型材料时 ,往往需要使用多种刀具材料进行重复切削试验 ,研究分析刀具的磨损、破损方式及其原因 ,通过比较从中选择最佳的刀具材料。这种方法盲目性大 ,造成人力、财力和资源的大量浪费。而许多企业根据经验来选择刀具 ,往往不能选择到最佳刀具材料 ,造成切削加工生产率低下、切削加工成本增加、刀具材料资源 (尤其是一些贵重的合金元素 )浪费严重每一品种的刀具材料都有其特定的加工范围 ,只能适应一定的工件材料和切削速度范围。不同的刀具或同种刀具加工不同的工件材料时刀具寿命往往会存在很大的差别 ,因此所谓的万能刀具是不存在的。“工欲善其事 ,必先利其器”这句中国名言已成为国内外的共识。所以 ,合理选用刀具是成功进行切削加工的关键。每一品种的刀具材料都有其最佳加工对象 ,即存在切削刀具与加工对象的合理匹配问题。切削刀具与加工对象的匹配主要是指二者的力学性能、物理性能和化学性能的匹配 ,以获得最长的刀具寿命和最大的切削加工生产率。结合笔者已进行的研究 ,本文将对切削刀具与加工对象的合理匹配进行综合评述。　　2　切削刀具与加工对象的力学性能匹配切削刀具与加工对象的力学性能匹配主要是指刀具与工件材 料的强度、韧性、硬度等力学性能参数应相互匹配。不同力学性能的刀具(如高速钢刀具、硬质合金刀具、超硬刀具等 )所适合加工的工件材料有所不同。通常 ,刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度 ,刀具硬度一般要求在 60ＨＲＣ以上。高硬度的工件材料必须用更高硬度的刀具来加工 ,如立方氮化硼和陶瓷刀具能胜任淬硬钢 (4 5～ 65ＨＲＣ)、轴承钢 (60～ 62ＨＲＣ)、高速钢 (ＨＲＣ >62 )、工具钢 (5 7～ 60ＨＲＣ)和冷硬铸铁等材料的精车加工 ,并可实现以车代磨。此外 ,刀具材料的硬度越高 ,其耐磨性就越好。具有优良高温力学性能的刀具特别适合高速切削加工。高速切削采用的切削速度比常规切削高出几倍甚至十几倍 ,因此切削温度很高。为此 ,高速切削时要求刀具材料不仅要有良好的室温力学性能 ,还应具有优异的高温力学性能 ,且其高温力学性能比室温力学性能更为重要。尽管陶瓷刀具的室温强度较低 ,但当温度升高时 ,其抗弯强度降低很少。如切削温度达 10 0 0℃左右时 ,其抗弯强度值仅比室温时略低。陶瓷刀具优良的高温性能使其适于高速切削 ,允许的切削速度比硬质合金高 2～ 10倍。高温高硬度的Ｓｉａｌｏｎ陶瓷刀具也可作为高温切削刀具。硬质合金在温度高于 5 0 0℃时因粘结相变软而硬度急剧下降 ,所以不适于用作高温切削刀具。各种刀具材料的硬度随温度的变化见图 1。决定硬脆刀具 (如硬质合金和陶瓷 )磨损的主要因素是其力学性能。Ｅｖａｎｓ等人<1,2> 的研究表明 ,硬脆材料固有的脆性是导致其磨损的主要原因。因图 1　各种刀具材料的硬度随温度的变化此 ,他建立了陶瓷刀具材料的硬度、断裂韧性等力学性能与其磨损特性的关系式 ,即Ｖ∝ 1Ｋ3/ 4 ＩＣＨ1/ 2 ∑ｎ1 Ｐ5/ 4 (1)式中 ,Ｖ为磨损体积 ,ＫＩＣ为断裂韧性 ,Ｈ为硬度 ,ｎ为磨粒数 ,Ｐ为垂直作用于磨粒上的力。Ｗａｙｎｅ等人<3～> 对Ａｌ2 Ｏ3、Ａｌ2 Ｏ3/ＴｉＣ和Ａｌ2 Ｏ3/ＴｉＢ2 等陶瓷刀具的磨料磨损特性进行了试验 ,结果表明 :公式 (1)能定性反映刀具材料的磨损与其力学性能的关系 ,但理论计算结果与实际测量值有一定差异 ,主要原因是式 (1)中没有考虑陶瓷材料微观结构的影响。　　3　切削刀具与加工对象的物理性能匹配切削刀具与加工对象的物理性能匹配主要是指刀具与工件材料的熔点、弹 性模量、导热系数、热膨胀系数、抗热冲击性能等物理性能参数应相互匹配。具有不同物理性能的刀具(如高导热和低熔点的高速钢刀具、高熔点和低热胀的陶瓷刀 具、高导热和低热胀的金刚石刀具等 )所适合加工的工件材料有所不同。加工导热性差的工件时 ,应采用导热性较好的刀具 ,以使切削热可迅速传出而降低切削温度。金刚石的导热系数为硬质合金的 1.5～ 9倍 ,为铜的 2～ 6倍 ,由于导热系数及热扩散率高 ,切削热容易散出 ,故刀具切削部分温度低。金刚石的热膨胀系数比硬质合金小几倍 ,约为高速钢的 1/ 10 ,因此金刚石刀具不会产生很大的热变形 ,这对尺寸精度要求很高的精密加工刀具来说尤为重要。立方氮化硼的导热性虽不及金刚石 ,但却大大高于高速钢和硬质合金。随切削温度的提高 ,ＣＢＮ刀具的导热系数逐渐增加 ,可使刀尖处切削温度降低 ,减少刀具的扩散磨损并有利于高速精加工时加工精度的提高。ＣＢＮ的耐热性可达到 140 0～ 15 0 0℃ ,比金刚石的耐热性 (70 0～ 80 0℃ )几乎高一倍由于高速切削所采用的切削速度比常规切削时高几倍甚至十几倍 ,切削温度很高 ,因此高速切削刀具的失效主要取决于刀具材料的热性能 (包括刀具的熔点、耐热性、抗氧化性、高温力学性能、抗热冲击性能等 )。高速干切削、高速硬切削和高速加工黑色金属的最高切削速度主要受限于刀具材料的耐热性 ,因此要求刀具材料的熔点高、导热性好、氧化温度高、耐热性好、抗热冲击性强。如高速加工钢、铸铁等黑色金属时 ,最高切削速度只能达到加工铝合金时的 1/ 3～ 1/ 5 ,其原因是切削热易使刀尖发生热破损。在高速切削低导热性及高硬度材料 (如钛合金、耐热镍基合金、高硬度合金钢等 )时 ,易形成锯齿状切屑 ,而高速铣削过程中则会产生厚度变化的断续切屑 ,它们都会导致刀具内的热应力发生高频率的周期变化 ,从而加速刀具的磨损。　　4　切削刀具与加工对象的化学性能匹配刀具的磨损是机械磨损和化学磨损综合作用的结果。机械磨损主要包括磨料磨损、粘结磨损、 塑性磨损和微观断裂等。化学磨损主要是指在高温下刀具材料的组分与工件材料发生的化学反应、化学溶解以及刀具与工件间元素的扩散等。已有的研究表明:刀具 切削加工时的磨损与所加工的工件材料和切削条件密切相关 ,在不同的切削条件下加工不同的工件材料时 ,占主导地位的磨损机制有所不同。如在低速切削时 ,由于温度较低 ,其磨损机制往往表现为磨料磨损 ;而在高速切削时高温引起的化学反应、氧化磨损和扩散磨损则占主导地位。由于在高温下工件材料硬度有所下降 ,因而磨料磨损逐渐减小 ,如图 2所示。化学磨损与切削温度密切相关 ,其表达式为<6>Ｋ =Ａｅｘｐ-ＥＲＴ (2 )式中 ,Ｋ为化学磨损量 ,Ａ为常数 ,Ｅ为由刀具和工件材料组合所决定的活化能 ,Ｔ为绝对温度 ,Ｒ为气体常数。切削刀具与加工对象的化学性能匹配主要是指刀具与工件材料的化学亲和性、化学反应、扩散、粘结和溶解等化学性能参数应相互匹配。具有不同 组分的刀具 (如高速钢刀具、硬质合金刀具、超硬刀具等 )所适合加工的工件材料有所不同。当刀具与工件中的元素化学亲和性强 (易产生化学反应、相互粘结或扩散 )时 ,应设法回避。如含有ＳｉＣ颗粒或ＳｉＣ晶须的刀具材料在加工镍基合金时表现出优良的切削性能 ,但在加工钢件时刀具材料却发生急剧磨损。这是因为ＳｉＣ很容易在切削高温作用下与工件材料中的Ｆｅ产生化学反应<3> ,其反应式为4Ｆｅ +ＳｉＣ→ＦｅＳｉ+Ｆｅ3Ｃ (3)图 2　刀具切削加工时的磨损Ａｌ2 Ｏ3陶瓷的化学惰性大于ＴｉＣ和ＷＣ。即使在熔化温度时 ,Ａｌ2 Ｏ3 与钢也不起化学反应 ;其次 ,Ａｌ2 Ｏ3在铁中的溶解率比ＷＣ要低 4～ 5倍。因此 ,切削加工钢件时 ,Ａｌ2 Ｏ3陶瓷刀具的扩散磨损很小。另外 ,Ａｌ2 Ｏ3陶瓷中含有铝元素 ,因此Ａｌ2 Ｏ3 陶瓷刀具在加工铝及铝合金时存在较大化学亲和力 ,很容易出现较大的粘结磨损和扩散磨损。Ａｌ2 Ｏ3/ＴｉＣ和Ａｌ2 Ｏ3/ (Ｗ ,Ｔｉ)Ｃ等陶瓷刀具中均含有铝及钛元素 ,用这类陶瓷刀具加工钛及钛合金、铝及铝合金时也存在较大的化学亲和力 ,因此应避免用此类刀具加工铝、钛及其合金。Ｓｉ3Ｎ4 基陶瓷刀具在铸铁和镍基合金的切削加工中得到广泛应用。Ｓｉ3Ｎ4 基陶瓷高速切削铸铁时主要发生磨料磨损 ,而高速切削碳钢时主要发生化学磨损。化学磨损本身在陶瓷刀具的总磨损量中所占比例一般并不大 ,但化学磨损的重要作用在于它能大大加剧机械磨损 ,如化学溶解及扩散作用会引起陶瓷表面强度减弱 ,加剧刀具与工件间的粘结 ,从而导致严重的粘结磨损和微观断裂磨损。

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面 对21世纪市场的剧急竞争，我国的冷铸轧辊制造业必须提高对市场变化和客户不同要求的快速反应能力，使自己生产的轧辊质量好，生产效率高，成本低。采用 PCBN进行高速干切削(DryCutting)“一次过”(One-Pass Machining)的加工技术加工大型冷铸轧辊是实现上述要求的最有前途的先进制造技术。本文仅就我校几年来，采用自己研制的PCBN刀具，在普通车床 上运用高速干切削“一次过”的加工技术，加工大型冷铸轧辊所获得的结果，综述如下。二、高速干切削“一次过”加工大型冷铸轧辊的优点 高速干切削“一次过”的加工技术加工大型冷铸轧辊的加工质量和生达到或超过传统的加工方法，并能产生显著的社会效益和经济效益。产效率随着高速切削机理、 大功率高速主轴单元、高加减速直线进给电机、磁悬浮以及动静压气浮、液压高速主轴轴承、超硬刀具材料、高性能的控制系统等一系列领域中，关键技术的解决， 使得高速干切削“一次过”的加工已具备了基本条件。高速干切削加工冷铸轧辊的优点，主要有以下几方面：1.保护环境，避免危害工人健康切削加工中加注冷却 液，会使生产环境恶化，长期接触冷却液，可感染皮肤病与气管炎等，给工人健康与安全造成威胁。所以许多国家规定出严格的环卫标准，例如，由美国环境保护局 (EPA)规定，要求空气中有害物质的允许含量，由原来的5.0mg/m3下降到0.5mg/m3。且空气中的有害物质允许的颗粒(PM)(直径大小)由 原来的10μm下降至2.5μm这样的标准，它需要高精度的冷却液过滤装置、空气净化设备等，所花费用是相当可观的，。而要达到就其这一个缺点，已大大超 过使用冷却液带来的优点。而且随着切削速度的日益提高，冷却液的用量急剧增加，不但增加了生产成本，而且造成严重的环境污染，并直接危害工人健康。2.提 高刀具的使用寿命一般认为，切削中加注冷却液可以提高刀具的使用寿命。然而从美国Micnigan技术大学(MTU)在切削速度为V＝ 130～１000m/min条件下，所作的切削试验证明，加注冷却液切削，由于加注过程的不连续性与冷却程度的不均匀性，使刀具产生不规则的冷热交替变 化，容易使切削刃产生裂纹，极大地降低了刀具的使用寿命。实验表明，用PCBN刀具进行干式切削，刀具寿命反而高于湿式切削，如图1所示。图1 干切和湿切铸铁时PCBN刀具寿命的对比3.提高加工质量，提高生产效率高速切削冷铸轧辊，最大的好处一是可以大幅度地减少切削时间，二是在车削工序中， 既切除大量的多余材料，又可达到很高的加工精度和表面质量，可省去后续的磨削加工。这种粗精加工同时完成的综合加工技术称为 “一次过”技术。因此，采用高速干切削“一次过”加工技术加工大型冷铸轧辊，可以在同一台车床上完成轧辊粗加工和精加工，避免了重新装夹，有利于提高精度 和提高生产效率，而“以车代磨”也可大大降低生产成本。三、高速干切削大型冷铸轧辊对 PCBN刀具的要求 采用高速干切削“一次过”的加工技术加工大型冷铸轧辊，刀具的切削条件更为恶劣，对刀具的要求主要有以下几方面：1.能承受更高的切削温度。2.应具有优 良的红硬性。3.刀具的寿命要长，尤其要有很高的刀具耐用度。4.应具备良好的抗冲击性能，不易崩刃打刀。5.刀片在刀体上定位与夹紧牢固、安全可靠。 6.刀具应锋利，在硬态切削时，切入抗力小，加工质量好。四、“一次过”PCBN刀具我校研制的高速干切削“一次过”PCBN刀具的结构、制造技术及其具 有的切削性能如下。1.PCBN刀具的结构(见图2)图 2 PCBN车刀其中，刀片采用优选的PCBN复合片，其形状如图3所示。图 3 PCBN刀片刀杆采用40Cr，经热处理，要确保刀片定位精度高，定位夹紧牢固、安全可靠。2 .PCBN刀具的这种刀片制造的关键技术是刃磨。制造技术PCBN刀具的刃磨是保证刀具性能的关键，刀具刃磨质量的好坏，直接影响刀具的耐用度。车削冷铸 轧辊PCBN刀具的前后刀面要经过粗磨、半精磨、精磨及研磨等刃磨工序，金刚石粒度用180＃～400＃，在精磨研磨各工序中，磨削力及研磨力要控制在 270N以下，以减少被磨削表面“松动层”的厚度及“松动”程度，降低表面粗糙度。PCBN刀具的刃口锯齿度≤0.04mm。刃磨后的刃口磨有0.02m m的棱边。3.高速干切削“一次过”PCBN刀具的性能特点1)允许采用的切削用量ap＝1 .5～4mm；f＝0.1～0.5mm/r；v＝80～800m/min；2)冲击韧性好该刀具在上万次冲击作用下不崩刃打刀，曾在北京量具刃具厂成功切 削高速钢立铣刀刀齿。立铣刀： 50mm，切削用量为n＝1600r/min，ap＝3mm，f＝0.08mm/r。该刀具经十几个冷铸轧辊厂家使用，均没有出现打刀现象。3)刀具硬 度高，寿命长，尤其是耐用度高该刀具可加工高铬白口铸铁轧辊，也可加工HRC70的高强度合金钢。该刀具寿命是硬质合金刀具的50～100倍以上，如图4 所示。图4 切削冷激铸铁时的寿命4)硬态切削切入抗力小，加工质量好当采用：ap＝1.2～3mm；f＝ 0.1mm/r；v＝90～500m/min时，在工艺系统刚性好和车床精度较高条件下，加工表面粗糙度可达Ra0.4μm以下。五、结束语采用高速干切 削“一次过”加工技术加工冷铸轧辊是一种很有前途的先进制造技术，这一先进的制造技术在我国冷铸轧辊厂推广应用，将产生显著的社会效益和经济效益。

BW Bewise Inc. Willy Chen willy@tool-tool.com bw@tool-tool.com www.tool-tool.com skype:willy_chen_bw mobile:0937-618-190 Head &Administration Office No.13,Shiang Shang 2nd St., West Chiu Taichung,Taiwan 40356 TEL:+886 4 24710048 / FAX:+886 4 2471 4839 N.Branch 5F,No.460,Fu Shin North Rd.,Taipei,Taiwan S.Branch No.24,Sec.1,Chia Pu East Rd.,Taipao City,Chiayi Hsien,Taiwan

Welcome to BW tool world! We are an experienced tool maker specialized in cutting tools. We focus on what you need and endeavor to research the best cutter to satisfy users’ demand. Our customers involve wide range of industries, like mold & die, aerospace, electronic, machinery, etc. We are professional expert in cutting field. We would like to solve every problem from you. Please feel free to contact us, its our pleasure to serve for you. BW product including: cutting tool、aerospace tool .HSS Cutting tool、Carbide end mills、Carbide cutting tool、NAS Cutting tool、Carbide end mill、Aerospace cutting tool、Фрезеры’Carbide drill、High speed steel、Milling cutter、CVDD(Chemical Vapor Deposition Diamond )’PCBN (Polycrystalline Cubic Boron Nitride) ’Core drill、Tapered end mills、CVD Diamond Tools Inserts’PCD Edge-Beveling Cutter(Golden Finger’PCD V-Cutter’PCD Wood tools’PCD Cutting tools’PCD Circular Saw Blade’PVDD End Mills’diamond tool ‘Single Crystal Diamond ‘Metric end mills、Miniature end mills、Специальные режущие инструменты ‘Пустотелое сверло ‘Pilot reamer、Fraises’Fresas con mango’ PCD (Polycrystalline diamond) ‘Frese’Electronics cutter、Step drill、Metal cutting saw、Double margin drill、Gun barrel、Angle milling cutter、Carbide burrs、Carbide tipped cutter、Chamfering tool、IC card engraving cutter、Side cutter、NAS tool、DIN tool、Special tool、Metal slitting saws、Shell end mills、Side and face milling cutters、Side chip clearance saws、Long end mills、Stub roughing end mills、Dovetail milling cutters、Carbide slot drills、Carbide torus cutters、Angel carbide end mills、Carbide torus cutters、Carbide ball-nosed slot drills、Mould cutter、Tool manufacturer.

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精 密和超精密加工已经成为在国际竞争中取得成功的关键技术 ,许多现代技术产品需要高精度制造 ,如发展尖端技术 ,发展国防工业 ,发展微电子工业等都需要精密和超精密加工制造出来的仪器设备 目前 ,在工业发达国家中 ,一般工厂能稳定掌握的加工精度是 1 μｍ ,与此相应 ,通常将加工精度在 0 1～ 1 μｍ ,加工表面粗糙度在Ｒａ0 0 2～ 0 1 μｍ之间的加工方法称为精密加工 ,而将加工精度高于 0 1 μｍ ,加工表面粗糙度小于Ｒａ0 0 1 μｍ的加工方法称为超精密加工<1> 超精密切削属于金属切削的一种 ,自然服从金属切削的普遍规律 ,但它也有不少特殊规律 ,这是由于金刚石刀具特殊的物理化学性能和切削层极薄造成的 超精密切削加工是一项内容广泛的新技术 ,它的加工精度和表面质量是由所使用的超精密机床设备、金刚石刀具、切削加工工艺、计量和误差补偿技术、操作者的技术水平、环境支持条件等多种因素综合影 响的结果 1　目前研究现状及应用领域常用符号含义 :ＰＣＤ———高温高压合成的聚晶金刚石 ;ＣＶＤ金刚石和ＰＣＶＤ金刚石———化学气相沉积 (低压 )聚晶金刚石 (以涂层形式的薄膜和自由的可钎焊的无衬底厚膜 ) ;ＣＢＮ———立方氮化硼 ;ＰＣＢＮ———聚晶立方氮化硼 ;ＣＶＤＣＢＮ———化学气相沉积立方氮化硼 超硬材料是指金刚石和立方氮化硼 ,它们的硬度比其它刀具材料高出好几倍 金刚石是自然界中最硬的物质 ,ＣＢＮ的硬度仅次于金刚石 ,近年来 ,超硬刀具材料发展迅速 金刚石刀具材料分为 5类 :①天然金刚石 (ＮａｔｕｒａｌＤｉａｍｏｎｄ) ②人造聚晶金刚石 (ＰＣＤ) ,以石墨为原料 ,经高温高压制成 ③人造聚晶金刚石复合片 (ＰＣＤ/ＣＣ) ,以硬质合金为基底 ,表面有 0 5ｍｍ厚的聚晶金刚石 ,制造方法与ＰＣＤ相同 ④金刚石薄膜涂层刀具 (ＣＤ) ,用ＣＶＤ工艺 ,在刀具表面涂覆一层厚约1 0～ 2 5μｍ的薄膜 ⑤金刚石厚膜刀具 (ＴＦＤ) ,亦采用ＣＶＤ工艺 ,在另一基体上涂 0 2ｍｍ以上的厚膜 ,再将厚膜切割成一定的大小 ,然后焊在硬质合金刀片上使用 ＰＣＤ刀具具有非常高的耐用度 (比硬质合金刀具寿命高几十倍以上 ) ,稳定的尺寸加工精度(可加工几千～几万件 ) ,以及良好的工件表面粗糙度 主要加工对象是有色金属、非金属材料及含有Ａｌ2 Ｏ3的木工材料 ,如铜、铝等有色金属及其合金、陶瓷 ,各种纤维和颗粒加强的复合材料、塑料、橡胶、石墨、玻璃、木材等 ,还能对上述材料作超精密加工 ,但忌加工钢铁及其它铁族金属 国产主要品种有 :ＰＣＤ木工锯片及修边刀 ,ＰＣＤ转位式刀片 ,ＰＣＤ活塞系列刀具 ,ＰＣＤ轮毂刀具 ,ＰＣＤ整流子刀具 ,ＰＣＤ表壳、首饰刀具 ,各种ＰＣＤ焊接式车刀、镗刀 ＰＣＤ、ＰＣＢＮ和人工合成单晶金刚石均是在高温和高压下合成的 ,而ＣＶＤ金刚石是在低压下制备的碳基气体和氢气的混合物在高温和低于大气压的压力下分解形成金刚石沉积在基体上 沉积出的是交互生长极好的金刚石 ,形貌呈柱状结构非常致密 ,随着生长条件不同 ,ＣＶＤ金刚石也呈现出不同的晶粒尺寸和结构 ,ＣＶＤ金刚石不需金属催化剂 ,因此它的热稳定性接近天然金刚石根据不同的应用需要选择不同的ＣＶＤ沉积工艺可以合成出晶粒尺寸和表面形貌差别很大的金刚石 由于对刀具性能的要求是多种多样的 ,所以可能要多种不同晶粒尺寸的ＣＶＤ才能满足各种应用的需要 实际上ＣＶＤ金刚石刀具有两种形式 ,第一种是在适当基体上沉积厚度小于30 μｍ的薄层 (薄膜 ) ,例如ＩＳＯ刀片和麻花钻头的刃口是两种典型的薄涂层 第二种是沉积厚度达 1ｍｍ的无衬底金刚石层 (厚膜 ) ,如果需要它可以钎焊在基体上<2> 金刚石涂层硬质合金刀具是涂层技术发展的一项重大突破 ,首次应用这一新工具材料的是瑞典山特维克公司 ,其ＣＤ1 81 0牌号采用精心设计的梯度烧结硬质合金作为基体 ,进行新型的等离子体活化化学气相沉积 (ＰＡＣＶＤ)金刚石涂层 ,解决了涂层与基体粘结力较差的问题 采用改进的低压等离子体工艺及设备 ,能够经济地批量生产金刚石涂层硬质合金刀具 金刚石涂层硬质合金刀具具有比ＰＣＤ刀具更复杂的几何形状 ,适合于加工铝等非铁材料 ,其寿命是未涂层硬质合金刀具的几十倍 ,不低于ＰＣＤ刀具的寿命<3> 金刚石刀具有 :车刀、铣刀、镗刀等品种 ,80 %以上用于汽车和摩托车行业 ,其它则用于家用电器 ,普通机械等领域金刚石刀具在汽车和摩托车行业中主要用于加工发动机活塞的裙部、销孔、汽缸体、变速箱、化油器等 由于这些部件材料含硅量较高 (1 0 %以上 ) ,并且大多采用流水线方式大批量生产 ,对刀具的使用寿命要求较高 ,硬质合金刀具难以胜任 ,而金刚石刀具耐用度是硬质合金刀具的 1 0～ 50倍 ,可保证零部件尺寸稳定性 ,并可大大提高切削速度、加工效率和工件的表面质量 国外工业金刚石领域最著名的是英国ＤｅＢｅｅｒｓ公司 ,其生产的ＳＹＮＤＩＴＥ聚晶金刚石已商品化 ,广泛应用于 :①加工铝、铜、黄铜、青铜、贵金属、未淬火及烧结的硬质合金等有色金属和合金 ②加工木材 (尤其是实心木和胶合板、ＭＤＦ等复合木材 ) ,塑料 (包括加强塑料 )、橡胶和陶瓷、石材及矿物材料 ③作为耐磨零件的加固物体 ,例如一个直径 60 0ｍｍ镶有ＳＹＮＤＩＴＥ(ＰＣＤ)聚晶金刚石的锯片 ,就可锯切 1 1 1× 1 0 4 ｍ、2 0 0ｍｍ厚重叠刨花板 ,无需重磨 ,这相当于硬质合金锯片使用寿命的 1 0 5倍 这种性能不只限于锯片 ,直铰或方形的刨花刀以及其它一些不同类型的修边刀具 ,只要镶上ＳＹＮＤＩＴＥ都可延长刀具寿命 ,尤其是用于锯切中纤维、定向刨花板、胶合板、水泥板等 ＰＣＢＮ按其制造工艺分 :有由ＣＢＮ经高温高压直接结合成烧结块的 ,也有加金属或陶瓷粘合剂再经高温高压烧结成的 按成品复合方式分 :有单独ＣＢＮ烧结块 ,也有ＣＢＮ/硬质合金复合烧结的ＰＣＢＮ复合片 以ＰＣＢＮ复合片刀具的切削性能为主进行介绍 :(1 )具有较高的硬度和耐磨性ＣＢＮ晶体结构与金刚石相似 ,化学键类型相同 ,晶格常数相近 ,因此具有与金刚石相近的硬度和强度 ＣＢＮ微粉的显微硬度为ＨＶ80 0 0～ 90 0 0 ,其烧结体ＰＣＢＮ的硬度一般为ＨＶ30 0 0～ 50 0 0 (2 )具有很高热稳定性 ＣＢＮ的耐热性可达1 40 0～ 1 50 0℃ ,ＰＣＢＮ在 1 0 0 0℃时的硬度还高于陶瓷或硬质合金的常温硬度 ,因此刀具尖端的相对高温不会对它产生任何不利影响 ,相反还能起到加速切削作用 (3)具有优良的化学稳定性 ＣＢＮ的化学惰性特别大 ,在 1 2 0 0～ 1 30 0℃时也不与铁系材料发生化学反应 ,与碳在 2 0 0 0℃时才发生反应 ;在中性还原性的气体中 ,对酸碱都是稳定的 ,它对各种材料的粘结扩散作用比硬质合金小得多 (4)具有较好的导热性 在各类刀具材料中ＣＢＮ的导热性仅次于金刚石 ,大大高于硬质合金 ,而且随着温度升高 ,ＰＣＢＮ的导热系数增加 (5)具有较低的摩擦系数 与不同材料间的摩擦系数ＣＢＮ为 0 1～ 0 3,硬质合金为 0 4～6 ,随着切削速度的提高 ,摩擦系数是减小的 ＰＣＢＮ刀具的最大特点是可以车削硬度大于ＨＲＣ45的黑色金属零件 ,由于ＰＣＢＮ与铁族金属不产生亲和力 ,可用于轴承钢 (ＨＲＣ60～ 62 )、工具钢 (ＨＲＣ57～ 60 )、高速钢 (ＨＲＣ62 )等材料的切削加工 ,用于灰铸铁零件的“高速切削” ;淬硬钢的“硬态加工”(切削硬度ＨＲＣ45～ 70 )、可实现“以车代磨”及“干式切削” ,大幅度提高加工效率 国产主要品种有 :发动机缸体缸孔精加工ＰＣＢＮ刀具 ;齿轮、连杆硬态加工ＰＣＢＮ刀具 ;缸套加工ＰＣＢＮ刀具 ;耐磨铸铁加工ＰＣＢＮ刀具 ;表面喷涂焊材料加工ＰＣＢＮ刀具 ;粉末冶金零件加工ＰＣＢＮ刀具等ＣＢＮ多角复合刀片的出现是超硬材料开发的一大进展 ,以往的ＰＣＢＮ复合刀片生产工艺是先制备出ＣＢＮ复合片 ,再切割成小块 ,然后焊接在硬质合金基体上 ,其缺点是存在焊接应力 ,现在能将ＣＢＮ切削刃直接复合到合金基体的多个部位上 ,消除了焊接应力 ,提高了刀片的利用率 ,降低了加工成本 立方氮化硼涂层正在研究开发之中 ,主要是由于ＣＢＮ涂层工艺复杂 ,特别是成膜困难、粘附不牢 ,—旦达到实用阶段其市场前景不容低估 ＣＢＮ刀具现在的生产工艺是高温高压烧结 ,如能中低温涂覆沉积生成薄膜或无衬底厚膜 ,对于降低成本 ,广泛推广使用具有诱人前景 2　超精密加工的影响因素对于金刚石刀具需要关注两个比较重要的问题 :一是晶面的选择 ,金刚石晶体是各向异性 ,用于制造刀具需要晶体定向 ,再就是金刚石刀具的研磨质量———刃口半径 ,它关系到切屑变形和最小切削厚度 ,刃口半径越小则最小切削厚度越小 ,切削厚度小过一定界限就不能正常切削 国外研磨最好的金刚石刀具 ,刃口半径可以小到数纳米 ,而国内目前研磨的金刚石刀具 ,刃口半径只能达到 0 1～ 0 3μｍ 目前刀具刃口半径测量用ＳＥＭ ,刃口半径小于 0 0 1 μｍ时 ,测量就是一个难题 工件材料对超精密切削有重要影响 ,其主要原因有 :①表面出现不纯物 ,造成不规则的空穴和划伤 ;②结晶的晶界出现阶梯 ;③加工工件有残留变形和残留应力 ;④对金刚石刀具的亲和性 ,产生粘结现象等

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切 削加工时刀具性能的优劣直接影响切削加工的效率和加工精度。高性能的刀具能成倍地提高生产效 率,且能方便地得到最佳尺寸精度、形状精度和表面质量的零件,因此,提高刀具性能一直是机械制造领域不断探索和研究的课题之一。为提高机械零件耐磨性和机 械的使用寿命,很多结构钢制造的机械零件都需淬火处理。使零件获得高的硬度,然后采用磨削或电火花加工,以得到最终形状和精度。但这些加工方法的加工效率 通常均低于切削加工。为了提高加工效率,在当今,随着机床和刀具性能的提高,以车代磨和以铣代磨在机械工业中逐步得到应用。若单从加工刀具考虑,提高对淬 火钢的铣削加工效率和加工质量,可有:研究铣削机理和铣削参数的优化;采用新的刀具材料; 改进刀具结构;提高刀具表面涂层性能等几条技术路径。本文针对淬火钢铣削加工,在介绍各类硬质合金特性的基础上,从刀具表面涂层着手,用不同涂层材料的整 体硬质合金立铣刀,进行切削实验,比较涂层的性能,并通过适应淬硬钢切削加工的FX涂层立铣刀的应用,探索对高硬度金属材料进行高速铣削加工的方法。适合 淬硬用铣削加工的刀具材料　　淬硬钢本身硬度高一般均HRC >50,因此,对切削刀具材料的要求极为苛刻,故常采用硬质合金、陶瓷或CBN刀具加工。由于CBN价格高且韧性不好,陶瓷的抗冲击韧性差,抗弯强 度小,对断续切削不太适应,进给速度范围低,故较少用于切除率大的淬硬钢的铣削加工。所以更多的、更经济是采用各种新型硬质合金材质刀具。新型硬质合金基 本上有6类,简介如下:1.添加钽、铌元素的(WC)基硬质合金。能提高常温硬度,高温强度与硬度。在P类硬质合金中添加钽、铌,可形成M类合金,多添加 钽和钴的含量,则形成韧性高的适合于铣削加工的合金牌号。2.细晶粒和超细晶粒(WC)基硬质合金。以钴为粘结基,增加钴含量,可提高韧性。细化晶粒可提 高硬度和耐磨性,普通硬质合金晶粒尺寸为2～3μm,细晶粒为1～2μm,超细晶粒为0.5μm以下。3.TIC基、Ti(C ,N)基硬质合金。以Ni-Mo为粘结剂,比重小,TiC基合金硬度高,与钢的摩擦系数小, 耐磨性好;Ti(C,N)基硬质合金性能与TiC基近似,强度与抗塑变性能高于TiC基硬质合金。4.涂层硬质合金。用CVD或PVD法在韧性好的硬质合 金基体上,涂覆TiC,Ti( C,N),TiN,Al2O3薄层的涂层硬质合金,可提高硬质合金的切削速度,降低切削力, 增加耐磨性和使用寿命。5.添加稀土元素的硬质合金。添加少量铈、钇等稀土元素,可有效提高硬质合金的韧性,与钢的摩擦系数小,耐磨性好,适用于粗加工和 半精加工。6.梯度硬质合金。是一种各层成分可以根据加工需要加以调节的新型硬质合金。涂层材料与铣削性能　　1.涂层特性刀具涂层自20世纪70年代进 入实用化以来,已从单层、多层或复合涂层进入多元超薄复合多层涂层的新阶段。如TiCN,TiAlN多元超薄复合涂层与TiC,TiN,Al2O3等涂层 的多层涂覆,加上新型硬质合金基体,在改善涂层的韧性,增强涂层与基体的结合强度,提高涂层耐磨性等方面取得了显著成就,实现了对淬硬钢的铣削加工。立铣 刀各种常用涂层的基本特性如下:1)TiN涂层　呈金黄色,硬度HV2000,开始氧化的温度为600℃,密着强度很好 ,工艺性好,热膨胀系数与高速钢相似,与高速钢附着力好,很早用于立铣刀。2)TiC涂层　呈灰色,硬度HV3000,开始氧化的温度为400℃,密着强 度一般,附着力与耐热性较低, 实际应用常与TiN涂层一起构成复合涂层,以充分发挥硬度高的特性。3)TiCN涂层　呈紫红色,硬度HV2700,开始氧化温度为450℃,密着强度 好,具有TiN,TiC两种涂层的优点,摩擦系数小,对粘结性有抑制作用,在一定的高速切削范围内,效果最好,但当速度更高。超越这一速度范围时,切削性 能会显著降低。4)TiAlN涂层　呈紫黑色,硬度HV280 0,开始氧化的温度为800℃,密着强度很好,附着力很好,耐热性能好,因而适用于切削热高的高速切削和对高硬度钢的切削加工。2.切削性能比较图1　切 削性能比较为确认不同涂层对立铣刀切削性能的实际影响,用无涂层、TiN涂层、TiCN及TiAlN复合涂层4种Φ6mm 的两刃平头整体硬质合金立铣刀,在NC铣床上进行对比切削实验。实验条件和方法:切削机床为 NC铣床,实验用的被切削材料为JISSKD(相当于GBCr12Mo1V冷作模具钢),材料硬度为HRC18。切削方法为铣槽,使用水溶性切削液。切削 深度:3mm;切削宽度:6m m;切削速度:44.5m/min(2360r/min);进给速度:90mm/min(0 .02mm/t)。试验用立铣刀圆周刃磨损幅宽到0.2mm时的切削长度作为耐用度的比较指标。切削实验比较结果如图1所示。硬质合金立铣刀涂层材料不 同,立铣刀的切削性能差异很大, 在比较实验中使用的3种涂层中以TiAlN复合涂层的性能最好。图2　冷却介质的影响TiA lN复合涂层立铣刀在高速切削时,刀具使用寿命与切削速度和冷却介质的关系如图2所示,可以看出在较高的切削速度范围,采用气流冷却时刀具寿命高于水溶液 冷却。这可认为,在高速铣削时 ,冷却气流更容易达到铣刀的切削点,起到较好的冷却作用,从而提高刀具寿命。这也说明TiA lN复合涂层不仅有利于高速切削,而且有利于实现绿色切削和环境保护。淬硬钢切削实验　　采用日本OSG公司生产的FXS-EMSΦ10立铣刀在A55卧 式加工中心上对淬硬钢进行铣削实验。该立铣刀为整体超细晶粒硬质合金,硬度大于HRA92.7,抗弯强度大于2450N/ mm,表面涂层采用FX涂层(是用PVD多层涂覆的TiAlN复合涂层)。被切削材料为JI SSKD,经淬硬至HRC60。侧铣深10mm,切削宽度0.1mm,每刃进给量0.05m m。图3　切削速度对切削状况的影响在实验中发现:不管是顺铣还是逆铣,在切削速度50～7 0m/min附近,均不同程度地出现颤振,这可能是因为低速时切削力过大,机床刚性不足或切削振动接近机床固有振频所致。另一方面,从颤振的程度上看,逆 铣较高,这可能是由于逆铣时切削力垂直分力的大小和方向变化大,夹具刚性不足的缘故。从刀具使用后的磨损情况看,采用顺铣方式时,刀具的磨损量较小。结　 语　　1.整体硬质合金立铣刀,采用涂层后,刀具寿命均有提高,而TiAlN复合涂层有利于高速切削和环境保护。2.用FXS-EMSΦ10整体硬质合金 立铣刀加工HRC60的淬硬钢时,切削速度在100～180m/min范围内,有良好的切 削性能和较高的效率淬硬钢的铣削加工

BW Bewise Inc. Willy Chen willy@tool-tool.com bw@tool-tool.com www.tool-tool.com skype:willy_chen_bw mobile:0937-618-190 Head &Administration Office No.13,Shiang Shang 2nd St., West Chiu Taichung,Taiwan 40356 TEL:+886 4 24710048 / FAX:+886 4 2471 4839 N.Branch 5F,No.460,Fu Shin North Rd.,Taipei,Taiwan S.Branch No.24,Sec.1,Chia Pu East Rd.,Taipao City,Chiayi Hsien,Taiwan

Welcome to BW tool world! We are an experienced tool maker specialized in cutting tools. We focus on what you need and endeavor to research the best cutter to satisfy users’ demand. Our customers involve wide range of industries, like mold & die, aerospace, electronic, machinery, etc. We are professional expert in cutting field. We would like to solve every problem from you. Please feel free to contact us, its our pleasure to serve for you. BW product including: cutting tool、aerospace tool .HSS Cutting tool、Carbide end mills、Carbide cutting tool、NAS Cutting tool、Carbide end mill、Aerospace cutting tool、Фрезеры’Carbide drill、High speed steel、Milling cutter、CVDD(Chemical Vapor Deposition Diamond )’PCBN (Polycrystalline Cubic Boron Nitride) ’Core drill、Tapered end mills、CVD Diamond Tools Inserts’PCD Edge-Beveling Cutter(Golden Finger’PCD V-Cutter’PCD Wood tools’PCD Cutting tools’PCD Circular Saw Blade’PVDD End Mills’diamond tool ‘Single Crystal Diamond ‘Metric end mills、Miniature end mills、Специальные режущие инструменты ‘Пустотелое сверло ‘Pilot reamer、Fraises’Fresas con mango’ PCD (Polycrystalline diamond) ‘Frese’Electronics cutter、Step drill、Metal cutting saw、Double margin drill、Gun barrel、Angle milling cutter、Carbide burrs、Carbide tipped cutter、Chamfering tool、IC card engraving cutter、Side cutter、NAS tool、DIN tool、Special tool、Metal slitting saws、Shell end mills、Side and face milling cutters、Side chip clearance saws、Long end mills、Stub roughing end mills、Dovetail milling cutters、Carbide slot drills、Carbide torus cutters、Angel carbide end mills、Carbide torus cutters、Carbide ball-nosed slot drills、Mould cutter、Tool manufacturer.

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钛 及钛合金高温强度大、热导率低、化学活性高，车削加工时容易粘刀，是一种难车削加工的材料。 从20世纪50年代起，美国和法国就开始对刀具的耐磨性、主切削位置的塑变特性、片状或环状切屑的形成、工件出现的振颤现象、刀具的快速磨损情况等进行了 研究，发现高速切削时，可产生发热（刀尖处尤其明显），刀边部形成磨顶槽或发生塑性变形，刀具磨损快；切削钛合金等硬质材料时，使用多晶金刚石和烧结立方 NB刀具的切速可比使用普通WC刀具稍快。同时还研究了许多钛合金的切削性能，如纯钛，Ti-6Al-4V（Ti-64），VT14，VT15，Ti- 6Al-2Sn-4Zr-6Mo（Ti-6246），Ti- 4.5Al-4.5Mn等。1车削刀具的开发近年来车削刀具发展很快，开发的刀具材料有高速钢、硬质合金、涂层刀具、金属陶瓷、陶瓷、CBN、金刚石等， 表1列出一些刀具的性能特点 <1-8>。刀具选材取决于车床的功率、系统能否承受高速车削、车削量、车削速度等。高速钢刀具适于车削量少、不求工作效率和车床功率较小的 场合使用；硬质合金刀具价格比高速钢的贵，但若考虑刀具寿命，则二者相当，使用硬质合金刀具时，车床刚性和功率要足够大、振动要小，以防崩刃；CBN刀具 的价格是硬质合金刀具的10倍多，其切速可达 100m·min-1或更高，易产生崩刃的场合不能使用此类刀具；金刚石刀具与钛的反应性最低，且硬度、热导率最高，但由于价格昂贵及加工机械引起的刀刃 缺损，现在一般不用。车削刀具一般选择硬质合金不重磨刀具，最适宜的刀具材料是不含钛的K类烧结WC-Co硬质合金。加工刚性低及带键槽等凹陷的部件时， 因车刀易崩刃，钎焊硬质合金刀具和韧性高的高速钢刀具比较适宜。但高速钢刀具在切速高于20m·min-1、短时间切削后，磨损加大，因此不得不降低车削 速度，加工效率很低。天然金刚石刀具和烧结金刚石刀具的切速可高达 200m·min-1～300m·min-1，用天然金刚石刀具切削30 min后，刀具几乎不磨损，以后的磨损仅有0.05mm；但金刚石刀具易崩刃，仅限于切削深度小的精加工，车床刚度必须很高。车削钛及钛合金时，产生锯齿 状切屑，工件容易产生振动，所以刀具前后角角度的选择也很重要。对硬质合金刀具而言，钛的硬度在HB350以上时，前角-5 °～0°的负角型为好；硬度低于HB350时，0°～5°的正角型较合适。刀具的后角以5° ～10°较合理，后角大时，车刀的楔角变小，容易引起崩刃或豁刀；后角小时，刀具的后部与钛摩擦产生大量的热，致使刀具磨损加剧，寿命变短。影响切削性的 主要因素与晶体结构、拉伸强度及与刀具材料是否适应等情况有关。a，a+b钛合金较易切削，b合金强度高，较难车削，特别是断续切削b合金时，刀刃角度若 不合适，易产生崩刃。车削残留有黑皮或有折皱、裂痕的部位时，车削条件比一般切削要求苛刻，此时切速应低一些，刀具的选择也应合理。钛合金的活性非常大， 干式切削时切屑表1 切削刀具的性能特点刀 具 涂 层 涂层厚度 性 能 特 点
86%WC11.5%Co 2.5%Ta（Nb）C PVD-TiN CVD-TiN +Al2O3
2mm～3.5mm 2mm /1.5mm 切速55?m·min-1，进给量0.15mm/r
，CVD涂层刀具切削Ti-64的性能比PVD涂层刀具的好。 Sialon，
Al2O3-ZrO2， Al2O3-TiC陶瓷 无 不宜切削钛合金，刀具上可见
严重的缺口磨损。 WC6%Co 无 无涂层的刀具切削效果最佳，
刀具的耐磨性较好。 TiN，TiC， Al2O3，HfN 刀具的前倾
面、侧面的磨损均比未涂层刀具的快。 NB，TiB2 NB刀具
在切速为250?m·min-1，进给量为0.25?mm/r时，切削30?s后刀具性能仍较佳。 R18钢 R9F5钢 离子氮化涂层 20mm 刀具的压缩
和扭曲性能较好，适宜切削钛合金。涂层20mm～30mm厚时，适宜切削常规结构材料。 94%WC6%Co CNMG120408 -890（883）
无 切削Ti-6246合金时，883型刀具的切速应为60m·min-1或更
低些，进给量为0.25?mm/r；890型刀具的寿命不佳。 PCBN 立方
NB刀具 无 不能高于700℃切削，切速可达185m·min-1～
220m·min-1。 R6M5钢 无 切速应控制在10.8m·min-1～
31.2m·min-1。 SM245 TiN+TiCN 320nm 多层化学沉积法（
MLCVD）制备的刀片涂层比常规的薄300倍，它是由62层TiN和TiCN涂层交替排布而成，每层厚50nm；涂层表面光滑，减少了摩擦和摩擦热，刀具寿命提高400%。 YG8钨钴类硬质合金 无 适宜切
削钛合金。车削钛合金试样时，工件温度限制在50℃以下。车床转速为360r·min-1，进 给量为0.06mm/r，第一、二、三刀进刀深度分别为2mm，1.5mm和1.25mm。 HSS硬质钢 无 刀具侧磨损
与切速呈幂指数关系。进给量应控制在0.08 mm/r～0.12mm/r。切速超过30m·min-1后，钛合金极难加工。 TiCN NCr TiAlN
TiCN涂层刀具切削Ti-64的效果最佳。TiC、TiAlN涂层化学稳定性高，它们在刀具 和切屑之间对热起屏蔽作用；TiN涂层在刀具刀刃部耐磨顶槽磨损。 有时会燃烧。使用水溶性切削油可使刀具寿命延长2倍
， 高速切削（100 ?m·min-1）时，乳浊液型水溶性切削油较合适。2 刀具寿命车削速度对刀具寿命影响很大。车削时切速尽可能低一些，车削热就会减少，刀具寿命延长。若考虑加工效率，使用硬质合金刀具合适的切削速度应为50 m·min-1～ 70 m·min-1。车削钛合金时，进给量、切削深度无特殊要求。但为了保证加工效率，降低切速、增大吃刀深度是必要的。刀具寿命可用侧磨损、切削力、切削温 度、动态切削过程和工件表面精度等进行评价。工件表面质量以表面粗糙度、残余应力等来表述，切削温度和切削力对工件表面质量有很大影响，而且与车刀边部的 状态有关，通常使用单位切削压力和切削力（二者可间接地表征刀刃的状态）来表示切削过程的性质。车削初期，切削力稳步降低，继续车削一段时间后，切削力增 高。切削力开始升高的时间可作为评判刀具寿命的标准，此时刀具寿命可表达为：nT?0.52 6?=C1，其中n?/?m·min-1代表切速，T?/?min为刀具寿命，C?1为常数。与切削力一样，单位切削压力也是先稳步降低，随后增大。大多 数情况下，车削一定时间后，工件―刀具体系温度逐渐升高，随后突然升高。不同切速切削Ti-4.5Al-4.5Mn时，P CBN刀具均在700℃左右切削温度突然升高<5>。用切削温度表征刀具寿命的表达式为：n T?0.545?=C2，其中n?/?m·min-1为切速，T?/?min为刀具寿命，C 2为常数。由上述两式可知，切削钛合金时热量是影响刀具寿命的主要因素。刀具―工件间的界面也对刀具寿命影响很大。界面状况常可用切削力、切削温度及切屑 应变来表征。切屑应变受剪切角和刀具―工件间的倾斜角影响。切削条件一定时，切屑应变随倾斜角的变化而变化。不同切速下，切削一定时间后，切屑应变也会突 然增大。表征刀具寿命时，切屑应变增大所对应的温度（700 ℃）可看成是决定刀具寿命的临界温度。从不同切速下，单位切削压力、切削温度之间的关系中可知，切速较低时，单位切削压力和切削区的温度稳步增大；中等切 速时，刀具性能稳定；切速较高时，刀具性能不稳定。而单位切削压力一定，切速较低及中等时，切屑应变连续增大；切速较高时，切削过程不稳定。3切削磨损机 制钛合金车削时热量较集中<2>，工件的热表面与刀具表面接触并快速发生反应，刀具前倾面严重磨损。车削时由于变形，大部分的热量集中于沿切 削方向非常窄小的主切削带内，磨顶槽是在刀尖处形成的，而不是在远离刀尖处形成的<8>。英国研究人员用含94%WC，6%Co的CNMG 120408-890（或883）刀具切削Ti-6246钛合金时发现<4>，影响刀具耐磨性的机制有许多种，如扩散、摩擦、碎裂及塑性变 形。切速较快、进刀量较多时，碎屑―刀具接触面积减小，刀刃附近温度集中，侧表面磨损加剧，干切时尤其严重。切削初期，侧表面和刀尖均匀磨损；随后刀尖比 侧表面的磨损快得多。切速加快，刀尖附近的侧表面应力更易集中，温度较高，刀具屈服强度降低，刀尖区域的磨损进一步加大。刀具磨损的机制可能是一些碳化物 颗粒引起的磨损。刀刃处于高温和高应力下，发生碎裂，碎片在刀具侧表面和新切工件表面间移动，产生磨损。粘有钛合金的侧表面上还存在均匀磨损，尤其是高速 切削时，溶解-扩散磨损机制起主要作用，刀具和切屑间完全封闭，致使温度升高，这为均匀磨损提供了良好的条件。温度高于800℃，刀具与切屑或工件间紧密 接触，刀具材料原子通过刀具―碎屑或刀具―工件界面扩散、迁移。刀刃材料较脆，车削时刀刃部温度较高、应力较大时，极易产生缺口、掉片、裂纹、断裂。切速 较大、进给量较多时，此现象更易发生。高温高应力下，前倾面上刀具―碎屑接触使二者结合成一体，这是产生缺口和表面分层的主要原因；加工时，机械载荷和热 应力也可使刀具产生掉片和缺口。以100m?min-1的切速、0.35mm/r的进给量切削Ti-6246 10s后，刀尖附近刀刃碎裂现象严重。

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切 削液具有润滑、冷却、清洗及防锈等作用，对提高切削加工质量和效率，以及减少刀具磨损等均有 显著效果。传统意义上的切削液，主要包括油基切削液和水基切削液，从使用水和动植物油开始，在机械加工中已有很长的发展历史，应用极其广泛。随着现代机械 工业的进步，切削工艺技术的发展对切削液提出了更高的性能要求。另一方面，环境保护和劳动卫生越来越成为人们注意的焦点，因而切削液对生态环境和人类自身 可能造成的不良影响已受到有关法现日益严格的制约。在发达国家，使用切削液加工时所出现的烟雾量也受到限制，一些切削液废液及带有切削液的切屑必须作为有 毒材料来处理，其处理成本不断提高Ｉ’］。在这样的情况下，切削液技术也出现了一些新的发展特点。ｌ高性能、长寿命、低污染切削液及其废液处理技术随着机 械工业整体技术的发展，机床切削速度更快，切削负荷更大、切削温度更高，同时不断有新工艺出现来适应新材料的加工，这都需要新型的高性能切削液满足加工要 求；同时根据劳动卫生和环境保护的要求，切削液中应尽量不含有危害人体健康和生态环境的物质。近年来，我国进口的数控机床、加工中心等先进设备越来越多， 其使用的切削液若从国外进口，运输不便，成本很高，因此，研制高性能切削液以替代进口产品已是当务之急。国内外一些科研单位和企业研制出各种新产品，取得 了良好的经济和社会效益Ｉ’，’‘ｌ。在我国，水基切削液使用范围越来越广，且已开始从乳化液向性能好、寿命长的合成切削液、微乳化液过渡。在发达国家， 微乳化液已普遍使用，正大力研究环保型切削液。研制长寿命切削液，研究延长切削液使用寿命的供液方法，从而减少切削液废液排放量；研究更有效和更经济的废 液处理方法，减少有害污染物在环境中的积累，是国内外切削液研究的一个重要内容门‘］。２切削液的适当用量研究传统的切削液供液方法有浇注法、压力喷射 法、喷雾供液法等，使较大压力和流量的切削液覆盖到切削区，以起到所期望的润滑、冷却、冲洗等作用。在加工条件发生变化时，如在更换工件材料、更换刀具类 型及几何参数的情况下，也没有或很少调整切削液用量。美国密西根技术大学对切削加工中有关切削液的适当用量问题进行了研究，在满足加工要求的情况下，希望 切削液用量最少，使与切削液有关的费用降至最低。它们在福特公司所做的试验中，对切削液的浓度、工件材料、刀具类型及几何参数等都进行了观察与研究，同时 对表面粗糙度、刀具积屑瘤和切削力等作了分析，通过试验得出了最适当的切削液用量。美国Ｔｈｙｓｓｅｎ公司正研究“最小润滑”加工技术，使切削液液流或气 雾通过刀具作用于加工区域，并且切削液的流量由ＣＮＣ程序控制，据称效果十分理想。３传统切削液的替代品研究研究最多的是液氮冷却。氮气是大气中含量最多 的成分，液氮作为制氧工业的副产品，来源十分）“ “阔。使用液氮作为切削液，应用后直接挥发成气体返回大气中，没有任何污染物，从环保方面看，是一种很有前途的切削液替代品。利用液氮冷却的一种方法是将 液氮作为切削液直接喷射到切削区。美国莱特州立人学Ｓ．Ｙ．Ｈｏｎｇ博上用车削加工，印度理工学院Ｓ．Ｐａｌｕｌ用磨削加工对这种工艺技术进行了理论和实 验研究。结果表明，在超低温加工状态下，刀具材料能够保持其优良的切削性能，提高切削效率和加工质量；液氮可显著降低磨削区温度，减少磨削烧伤门“。利用 液氮的另外一种方法是间接利用，不是把液氮直接喷射到切削区。美国林肯大学Ｚ．Ｙ．Ｗａｎｇ在聚晶ＣＢＮ刀具上部的方盒内储存液氮，由进口输人，从出口流 出，循环冷却刀具。用它车削烧结氨化硅时，刀具寿命延长 １０倍，磨损降低ｌ／４。美国标准和技术国际研究所Ｅｖａｎｓ利用液氮冷却刀杆或夹具，用金刚石刀具切削不锈钢，减少了刀具磨损，而加工表面粗糙度低于 Ｒａｏ．０２５。喷气冷却也是利用液氮的一种方法，只不过其直接应用的是被冷却的气体。口本学者研制的喷气冷却磨削系统，利用液氮在热交换器中冷却过的温 度低于一ＳＯ℃的冷却气体直接喷射到磨削区，砂轮采用经过固体润滑剂处理或添加极少量超精植物油ＦＩ｛ＪＣＢＮ磨料。实验表明，磨削后工件材料的残余压应 力比使用磨削液磨削要大，而且残余应力的分布区域变宽，可以显著提高零件的抗疲劳强度和使用寿命ｆ‘’１４干切削由于已经有严格的法规限制某些切削液的使 用，月．废液处理费用极高，如德国每年约耗资１０亿马克。在美国、德国和一些西欧国家正积极研究干式切削工艺（切削中不用切削液）。目前采用干式切削工艺 加工铝、铸铁及其合金已不成问题。美国ＬｅＢｌｏｎｇＭｄｋｌｌｌＯ公司研制的“红月牙”铸铁加工法，采用陶瓷和ＣＢＮ超硬刀具，在高速和大进给加工时， 使热量很快聚集到切削刀具前端产生红热状态，工件被加热到３７１℃时，其屈服强度减小，可获得较高的金属切除率。因为铝材在发动机及动力系统中应用量很 大，铝材的干式切削也受到很大重视，ＢｉｇＴｈｒｅｅ公司的高速金刚石干式加工系统（ １５０００ Ｆ／Ａｎｎ）用于变速箱上铝质通道板的加工，其加工精度为 ０．０５ｍｍ，每小时可加工６００件，与以前磨削加工相比，每年可节约 ３００多万美元Ｉ”］。另外，对钢和镁等材料的干切削工艺也在研究之中 ｌ’‘］在某些场合，可利用激冷的气体及旋风喷雾器来降低切削温度，如喷气冷却。有的学者甚至认为，有朝一日，采用高性能刀具材料，若刀片槽型排屑功能很 好，又能与冷却气体结合使用，就不会再使用切削液了。５讨论近年来，国内外学者都在努力探索不污染环境的切削加工方法，但大都集中在对无切削液的加工工艺 的研究上。从目前情况来看，无论液氮冷却、喷气冷却，还是于切削，都各有其特点和某些潜在优势，也在某些加工领域取得了成功，但也有其局限性。例如，上述 三种加工方法都面！仅切屑形成过程中润滑性差的问题，而不得不使用一些润滑剂。另一个不容忽视的问题是机床和工件的锈蚀。目前的机床主体多为铸铁材料，而 工件上新生的金属表面具有极强的化学活性，直接暴露在空气中均会很快生锈。如果用液氮、喷气或于式切削加工后，再进行机床和工件的防锈处理，无异于将切削 加工工序的环境影响问题转嫁给后续的防锈、清洗工序。此外，没有切削液的辅助，粉尘和切屑处理也颇为棘手。其实，对多数材料而言，湿式材料去除工艺尤其是 湿式磨削工艺的优点是很明显的，问题在于如何克服切削液的负面影响。我们认为，对多数材料和加工种类而言，全面取代湿式切１？ＩＪ和湿式磨削即使可能，也 很遥远，今后在很长一段时期内我们无法回避使用切削液这一现实；而切削液的环境卫生问题是可以逐步研究解决的。出于这种基本估计，对解决机械制造过程的洁 净化问题应该双管齐下，即在研究无切削液加工技术的同时，重视切削液自身的改造和创新，使干式加工和湿式加工两者优势互补。因此，我们提出“从切削液本身 的环境无害化做起，同时开发无切削液加工新技术”的研究方针。应该在以下几个方面开展研究工作：（ｌ）开发对生态环境和卫生保健副作用尽量小、加工性能更 优越的切削液及生物可降解切削液，朝着对人和环境完全无害的绿色切削液方向发展；（２）优化供液方法和供液参数，减少切削液消耗量； （３）研究科学的切削液使用管理技术，尽量延长其使用寿命，减少废液排放；州研究切削液废液的回收利用和无害化处理技术； （５）研究考虑环境影响的切削液的综合评价方法，为企业正确选择切削液提供技术支持；（６）研究各种无切削液的加工方法，尤其是干式切削工艺。研究切削刀 具、工件和机床的最佳工艺 参数，扩大干式切削工艺的应用范围。

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