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高 速切削(HSC)加工作為一種先進的切削技術，自二十世紀八十年代以來得到了日益廣泛的應用。高速加工採用遠高於常規加工的切削速度和進給速度，不僅可 提高加工效率，縮短加工工時，同時還可獲得很高的加工精度。隨著高速主軸技術的發展，與其配套的新型刀具不斷出現，同時對高速加工工藝參數的優化研究也在 不斷深人，使得高速切削技術的理論研究和應用都得到了長足的發展。
高速加工的主要優點有:1、切削力降低03%左右，特別適合剛性差的零 件，2、由於加工時對刀具和工件進行了冷卻潤滑，減少了切削熱對工件的影響，特別適 合加工易熱變形的工件;3、激振頻率遠遠高於機床和工藝系統的固有頻率，加工平穩，振動小，加工表面質量好4;、能極大地提高生產效率。但是，高速切削采 用的高壓大流量冷卻方式會增加環境污染、提高生產成本、減少刀具的耐用度、加大機床腐蝕等一系列問題。
為了解決上述問題，目前採用的方法 一種是改變切削液的使用參數和用量，研製新型的無污染的綠色切削液;另一種是在切削過程中停止使用切削液，採用干切削， 它能從根本上徹底解決切削液帶來的問題。干切削技術是上世紀九十年代為適應全球日益高漲的環保要求和可持續發展戰略而發展起來的一項綠色切削加工技術，目 前歐美、日本等工業發達國家非常重視干切削的研究，干切削技術已經成功應用到了生產領域，並且取得了良好的經濟效益。
高速切削因具有降低 切削力，工件熱變形小等特點，為實現干切削提供了有利條件，高速干切削的目標不僅要限制或停止使用切削液，而且要保證高的加工效率和加 工質量。但在高速干切削中，因缺乏切削液的冷卻潤滑和排屑作用，會導致切削區刀具與工件的摩擦加劇，切削力增大，切削溫度上升，切削振動增強以及排屑不暢 等情況，會影響機床加工性能和刀具使用壽命，降低加工質量。因此，需要從刀具、機床和輔助工藝等方面來進行研究並優化，使高速干切削技術能得到更廣泛的應 用。
1高速干切削的刀具技術
高速干切削的刀具要承受比濕切削更高的溫度，刀具與切屑和刀具與工件接觸面上的摩擦係數也要盡可能的小，而且還要求刀具有利於斷屑、排屑和散熱，這就需要從刀具材料、刀具塗層以及刀具結構的優化等幾個方面來解決。
1.1刀具材料
刀 具材料的迅速發展是高速干切削得以實施的工藝基礎。高速干切削時要求刀具材料與被加工材料的化學親和力要小，必須具有良好的耐熱性，極高的紅硬性和熱韌 性。目前適用於干式加工的刀具材料有超細高的切削溫度，具有較高的強度和衝擊韌度，適用於製作干切削的鑽頭和銑刀。PCD(聚晶金剛石)和CVD金剛石塗 層刀片有很高的硬度和熱導率，適合高速干切削有色金屬(如銅合金，鋁合金)以及欽合金和耐磨的高性能複合材料，但不能加工黑色金屬。CBN(立方氮化硼) 的硬度和耐磨性僅次於金剛石，有優良的紅硬性、化學穩定性和低摩擦係數，是高速干切削HRC50以上淬硬鋼和冷硬鑄鐵等黑色金屬的理想刀具材料。
金屬陶瓷的硬度和衝擊性好，熱硬性差，故多用於精加工和半精加工。陶瓷具有硬度高、化學穩定性和抗粘結性好、摩擦係數低等優點，是相對廉價的干切削刀具材料，但其強度、韌性和抗衝擊性能差，適用於灰鑄鐵和鋼的高速干切削。
1.2刀具結構的優化
干 切削刀具的失效形式主要是月牙窪磨損，所以一般都採用較大的前角以減少切屑與前刀面的接觸面積。為彌補大前角對刃口強度的削弱，常配以加強刃甚至前刀面 上帶有加強筋。較大的正前角、鋒利而強有力的切削刃有利於斷屑。總之，干切削刀具的結構設計必須考慮斷屑和排屑的問題。對韌性材料的加工來說，斷屑非常關 鍵，目前車刀三維曲面斷屑槽方面的設計製造技術已經比較成熟，可針對不同的工件材料和切削用量很快設計出相應的斷屑槽結構與尺寸，並能大大提高切屑折斷能 力和對切屑流動方向的控制能力。
此外，為了加速刀具的冷卻以降低切削溫度，也可採用熱管式刀具或液氮冷卻刀具。如圖1，用液氮冷卻刀具的 方法，在車刀的前刀面倒裝了一個金屬帽狀物，其內 腔與刀片的表面共同組成一個封閉的空間。帽狀物上有液氮的人口和出口。在干切削過程中，液氮在封閉的空間內不斷地流動，吸收刀片上的切削熱，使刀具不產生 過高的溫升，始終保持良好的切削性能，順利實現干切削。
1.3刀具塗層
採用高速干切削，若僅僅使用目前 已有的熱穩定性好的刀具材料和優化刀具幾何形狀，仍不能達到很好的效果。因此，採用在刀面上塗覆隔熱性好的硬塗層和具有固 體潤滑性能的軟塗層，使刀具能承受更高的切削溫度。塗層的作用一是提供了低摩擦層，減少了刀具與工件表面之間的摩擦和粘結，相當於切削液的潤滑作用;二是 在刀具和切削之間起到隔熱作用，阻止切削熱向刀具傳播，相當於切削液的冷卻作用。
塗層材料可分為軟塗層和硬塗層。基於MoS2和WC/C 的軟塗層主要用於對塗層的滑動性能要求非常高的場合。硬塗層主要有TiN、TiCN、TiALN 等，TiALN具有很好的耐熱性和耐高溫性，硬度高達HV3500，工作溫度高達79℃，而且因為添加了AL，使刀具的抗氧化性能大大提高，是高速加工和 干切削最常用的材料。ITN在干切削時可作為一種"通用塗層"，主要用於干攻絲(鑄鐵絲錐除外)，TiN塗層用在整體硬質合金銑刀上效果很好。
在 高速干切削刀具中常常使用多層復合塗層，把硬塗層和軟塗層結合在一起，即在一道塗覆工序中採用兩種物理氣相沉積工藝，先產生硬塗層TiALN，然後再在 其上面採用濺射法產生WC/C軟塗層，可以有效提高刀具的壽命。目前新的塗層技術如高硬度、高熱穩定性的金剛石薄膜塗層，CBN薄膜塗層，由多種塗層材料 不同組合構成的納米級塗層等，均得到了長足的發展，其所具有的優異抗磨損及自潤滑性能，使其更能適用於多種材料的高速干切削。
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切削領域中的難加工材料www.tool-tool.com
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在切削加工中，通常出現的刀具磨損包括如下兩種形態：(1)由於機械作用而出現的磨損，如崩刃或磨粒磨損等；(2)由於熱及化學作用而出現的磨損，如粘結、擴散、腐蝕等磨損，以及由切削刃軟化、溶融而產生的破斷、熱疲勞、熱龜裂等。
切 削難加工材料時，在很短時間內即出現上述刀具磨損，這是由於被加工材料中存在較多促使刀具磨損的因素。例如，多數難加工材料均具有熱傳導 率較低的特點， 切削時產生的熱量很難擴散，致使刀具刃尖溫度很高，切削刃受熱影響極為明顯。這種影響的結果會使刀具材料中的粘結劑在高溫下粘結強度下降，WC(碳化鎢) 等粒子易於分離出去，從而加速了刀具磨損。另外，難加工材料中的成分和刀具材料中的某些成分在切削高溫條件下產生反應，出現成分析出、脫落，或生成其他化 合物，這將加速形成崩刃等刀具磨損現象。
在切削高硬度、高韌性被加工材料時，切削刃的溫度很高，也會出現與切削難加工材料時類似 的刀具磨損。如切削高硬度鋼時，與切削一般鋼材相 比，切削力更大， 刀具剛性不足將會引起崩刃等現象，使刀具壽命不穩定，而且會縮短刀具壽命，尤其是加工生成短切屑的工件材料時，會在切削刃附近產生月牙窪磨損，往往在短時 間內即出現刀具破損。
在切削超耐熱合金時，由於材料的高溫硬度很高，切削時的應力大量集中在刃尖處，這將導致切削刃產生塑性變形；同時，由於加工硬化而引起的邊界磨損也比較嚴重。
由於這些特點，所以要求用戶在切削難加工材料時，必須慎重選擇刀具品種和切削條件，以獲得理想的加工效果。
難加工材料在切削加工中應注意的問題
切 削加工大致分為車削、銑削及以中心齒為主的切削(鑽頭、立銑刀的端面切削等)，這些 切削加工的切削熱對刃尖的影響也各不相同。車削是一種連續切削，刃尖 承受的切削力無明顯變化，切削熱連續作用於切削刃上；銑削則是一種間斷切削，切削力是斷續作用於刃尖，切削時將發生振動，刃尖所受的熱影響，是切削時的加 熱和非切削時的冷卻交替進行，總的受熱量比車削時少。
銑削時的切削熱是一種斷續加熱現象，刀齒在非切削時即被冷卻，這將有利於刀 具壽命的延長。日本理化研究所對車削和銑削的刀具壽命作了對比試 驗，銑削所用刀 具為球頭立銑刀，車削為一般車刀，兩者在相同的被加工材料和切削條件(由於切削方式不同，切削深度、進給量、切削速度等只能做到大體一致)及同一環境條件 下進行切削對比試驗，結果表明，銑削加工對延長刀具壽命更為有利。
利用帶有中心刃(即切削速度=0m/min的部位)的鑽頭、球頭立銑刀等刀具進行切削時，經常出現靠近中心刃處工具壽命低下的情況，但仍比車削加工時強。
在切削難加工材料時，切削刃受熱影響較大，常常會降低刀具壽命，切削方式如為銑削，則刀具壽命會相對長一些。但難加工材料不能自始至終全部採用銑削加工，中間總會有需要進行車削或鑽削加工的時候，因此，應針對不同切削方式，採取相應的技術措施，提高加工效率
切削難加工材料用的刀具材料
CBN的高溫硬度是現有刀具材料中最高的，最適合用於難加工材料的切削加工。新型塗層硬質合金是以超細晶粒合金作基體，選用高溫硬度良好的塗層材料加以塗層處理，這種材料具有優異的耐磨性，也是可用於難加工材料切削的優良刀具材料之一。
難加工材料中的鈦、鈦合金由於化學活性高，熱傳導率低，可選用金剛石刀具進行切削加工。CBN燒結體刀具適用於高硬度鋼及鑄鐵等材料的切削加工，CBN成分含量越高，刀具壽命也越長，切削用量也可相應提高。據報道，目前已開發出不使用粘結劑的CBN燒結體。
金剛石燒結體刀具適用於鋁合金、純銅等材料的切削加工。金剛石刀具刃口鋒利，熱傳導率高，刃尖滯留的熱量較少，可將積屑瘤等粘附物的發生控制在最低限度之內。在切削純鈦和鈦合金時，選用單晶金剛石刀具切削比較穩定，可延長刀具壽命。
塗 層硬質合金刀具幾乎適用於各種難加工材料的切削加工，但塗層的性能(單一塗層和復合塗層)差異很大，因此，應根據不同的加工對象，選用適 宜的塗層刀具材 料。據報道，最近已開發出金剛石塗層硬質合金和DLC(Diamond Like Carbon)塗層硬質合金，使塗層刀具的應用範圍進一步擴大，並已可用於高速切削加工領域。
切削難加工材料的刀具形狀
在 切削難加工材料時，刀具形狀的最佳化可充分發揮刀具材料的性能。選擇與難加工材料特點相適應的 前角、後角、切入角等刀具幾何形狀和對刃尖進行適當處理， 對提高切削精度和延長刀具壽命有很大的影響，因此，在刀具形狀方面決不能掉以輕心。但是，隨著高速銑削技術的推廣應用，近來已逐漸採用小切深以減輕刀齒負 荷，採用逆銑並提高進給速度，因此，對切削刃形狀的設計思路也有所改變。
對難加工材料進行鑽削加工時，增大鑽尖角，進行十字形修 磨，是降低扭矩和切削熱的有效途徑，它可將切削與切削面的接觸面積控制在最小範圍之 內，這對延長刀 具壽命和提高切削條件十分有利。鑽頭在鑽孔加工時，切削熱極易滯留在切削刃附近，而且排屑也很困難，在切削難加工材料時，這些問題更為突出，必須給以足夠 的關注。
為了便於排屑，通常在鑽頭切削刃後側設有冷卻液噴出口，可供給充足的水溶性冷卻液或霧狀冷卻劑等，使排屑變得更為順暢， 這種方式對切削刃的 冷卻效果也很理 想。近年來，已開發出一些潤滑性能良好的塗層物質，這些物質塗鍍在鑽頭表面後，用其加工3～5D的淺孔時，可採用干式鑽削方式。
孔 的精加工歷來採用鏜削方式，不過近來已逐漸由傳統的連續切削方式改變為採用等高線切削這類間斷切削方式，這種方式對提高排屑性能和延長工 具壽命均更為有 利。因此，這種間斷切削用的鏜削刀具設計出來後，立即被應用於汽車零件的CNC切削加工。在螺紋孔加工方面，目前也採用螺旋切削插補方式，切螺紋用的立銑 刀已大量投放市場。
如上所述，這種由原來連續切削向間斷切削的轉換，是隨著對CNC切削理解的加深而進行的，這是一個漸進的過程。採用此種切削方式切削難加工材料時，可保持切削的平穩性，且有利於延長工具壽命。
難加工材料的切削條件
難加工材料的切削條件歷來都設定得比較低，隨著刀具性能的提高，高速高精度CNC機床的出現，以及高速銑削方式的引進等，目前，難加工材料的切削已進入高速加工、刀具長壽命化的時期。
現 在，採用小切深以減輕刀具切削刃負荷，從而可提高切削速度和進給速度的加工方式，已成為切削難加工材料的最佳方式。當然，選擇適應難加工 材料特有性能的 刀具材料和刀具幾何形狀也極為重要，而且應力求刀具切削軌跡的最佳化。例如，鑽削不銹鋼等材料時，由於材料熱傳導率很低，因此，必須防止切削熱大量滯留在 切削刃上，為此應盡可能採用間斷切削，以避免切削刃和切削面摩擦生熱，這將有助於延長工具壽命和保證切削的穩定。用球頭立銑刀對難加工材料進行粗加工時， 工具形狀和夾具應很好配合，這樣可提高刀具切削部分的振擺精度和夾持剛性，以便在高速回轉條件下，保證將每齒進給量提高到最大限度，同時也可延長工具壽 命。
結束語
如前所述，難加工材料的最佳切削方法是不斷發展的，新的難加工材料不斷出現，對新材料的加工總是不斷 困擾著工程技術人員。最 近，新型加工中心、切削工具、 夾具及CNC切削等技術發展非常迅速，而且在切削加工之外，CNC磨削、CNC電加工等技術也得到空前的發展，難加工材料的加工技術選擇範圍已大為擴展。
當然，有關難加工材料加工信息的收集與對該技術的深入理解，還不能盡如人意，正因為如此，而對難加工材料的不斷湧現，人們總是感到加工技術有些力不從心。
例 如，前述車削加工由連續切削向間斷切削轉換，便有利於延長工具壽命，新型塗層硬質合金刀具的使用，使難加工材料切削技術水平得到進一步提高。在難加工材 料的切削加工中應特別重視工具壽命的穩定，不僅工件材料要和刀具性能妥善配伍，而且對加工尺寸、加工表面粗糙度、形狀精度等的要求也極嚴格，因此，不僅應 特別注意刀具選用，對工件的夾持方式等相關技術也不能掉以輕心。
今後，難加工材料零件的加工將採取CAD/CAM、CNC切削加 工等計算機控制的生產方式，因此，數據庫的建構、工具設計與製作等工具管理 系統的完善，都 極為重要。難加工材料切削加工中，適用的刀具、夾具、工序安排、工具軌跡的確定等有關切削條件的數據，均應作為基礎數據加以積累，使零件生產方式沿著以 IT化為基礎的方向發展，這樣，難加工材料的切削加工技術才能較快地步入一個新的階段...
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