切削加工和刀具技术的现状与发展www.tool-tool.com－BW Professional Cutter Expert www.tool-tool.com

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摘要：对国际先进制造技术研讨会(ISAMT’2001)暨中国高校切削与先进制造技术研究会第七届年会的有关论文进行了综合评述，分析了国内切削加工和刀具技术的现状，并对今后的发展策略提出了建议。

1 引言
国际先进制造技术研讨会(ISAMT’2001)暨中国高校切削与先进制造技术研究会第七届年会于2001年10月在南京举行。大会共征集到论文200多篇，其中关于切削技术方面的论文33篇，刀具与刀具材料方面的论文32篇，论文内容涉及制造领域中现代切削技术的新发展、刀具新材料和新结构、切削机理实验研究以及计算机技术在切削与刀具领域的开发与应用等。现对会议宣读和交流论文中的相关内容作一综合评述。
2 现代切削技术的发展
20世纪90年代以来，激烈的市场竞争推动以机械制造技术为先导的先进制造技术以前所未有的速度和广度向前发展。高生产率和高质量是先进制造技术追求的两大目标。高速切削、精密和超精密切削是当前切削技术的重要发展方向，已成为切削加工的主流技术。
高速切削技术
高速切削的主要内容包括高速软切削、高速硬切削、高速干切削、大进给切削等。高速切削是一个相对概念，对其切削速度范围的界定目前国内外专家尚未达成共识。通常认为高速加工时的切削速度比常规切削速度高5～10倍以上。
中国工程院院士艾兴教授在所作“高速切削刀具材料的发展及其合理应用”主题报告中指出，在高速切削时，随着切削速度的提高，切削力减小，切削温度的增加渐趋缓慢，生产效率和加工质量提高，从而可降低制造成本，缩短产品开发周期。高速切削大致可使切削力减小15%～30%，表面质量提高1～2级，切削速度和进给速度提高15%～20%，制造成本降低10%～15%。高速切削现已广泛应用于航空、航天、汽车、摩托车、模具、机床等工业中对钢、铸铁、有色金属及其合金、高温耐热合金、碳纤维增强塑料等复合材料的加工中，其中以铝合金和铸铁的高速加工最为普遍。目前高速加工各种材料的切削速度：普通钢和铸铁为 500～2000m/min(钻、铰削100～400m/min，攻丝100m/min，滚齿300～600m/min)，淬硬钢(35～65HRC)为 100～400m/min，结构铝合金为3000～4000m/min，高硅铝合金为500～1500m/min，镍基、钴基、铁基和钛合金等超级合金为 90～500m/min。高速加工追求的切削速度目标为：铣削加工：铝及其合金为10000m/min，铸铁为5000m/min，普通钢为 2500m/min；钻削加工(机床主轴转速)：铝及其合金为30000r/min，铸铁为20000r/min，普通钢为10000r/min。大进给目标：进给速度Vf=20～50m/min，每齿进给量fz=1.0～1.5mm/z。
高速切削技术不只是切削速度的提高，它的发展主要取决于刀具技术(包括刀具材料、涂层刀具结构、刀柄和装夹系统、刃磨和动平衡、检测和监控系统等)和高速机床技术(包括电主轴、直线电机进给系统、数控与伺服系统、轴承及润滑、刀库等)的进步，而正确选用刀具与机床经常起着决定性作用。德国 Darmstadt工业大学H.Schulz教授在“高速切削机床”一文中详尽介绍了选用高速机床时应注意的问题，给与会代表很大启发。
随着环境保护法律法规的严格实施，作为绿色制造工艺的干切削日益受到人们的高度重视。据国外企业统计，在集中冷却加工系统中，切削液占加工总成本的14% ～16%，刀具成本仅占2%～4%。据测算，如果20%的切削加工采用干式加工，制造总成本可降低1.6%。因此，干切削是未来切削加工的发展方向。目前倡导的干切削并不是简单地去掉原有工艺中的切削液，也不是消极地通过降低切削参数来保证刀具使用寿命，而需要采用耐热性更好的新型刀具材料及涂层，设计合理的刀具结构与几何参数，选择最佳切削速度，形成新的工艺条件。干切削是实现清洁高效加工的新工艺，是制造技术向高速切削发展总趋势的组成部分，也是随着人类社会进步和生产力发展而出现的新型切削方式，它的推广应用推动着刀具材料、涂层技术、机床结构、加工条件和刀具结构技术的不断发展。目前，干切削技术在车削、镗削和铣削上的应用日益广泛，在钻削、拉削和滚齿方面也有重大突破。上海大众汽车有限公司、上海交通大学、哈尔滨理工大学、哈尔滨工业大学等单位在“干切削及其应用”等有关论文中详细介绍了干切削的机理和实施该工艺的途径，以及采用激光辅助加工干切削、使用最少量润滑液(MQL)的准干切削 (Near Dry Cutting)、用压缩空气冷风切削以及采用氮气进行干切削等加工方法。
精密和超精密切削
发展尖端技术、国防工业和微电子工业都离不开通过精密和超精密加工制造的精密零件和产品。通常将加工精度在0.1～1µm，加工表面粗糙度在 Ra0.02～0.1µm的加工称为精密加工；而将加工精度高于0.1µm，加工表面粗糙度小于Ra0.01µm的加工称为超精密加工。超精密加工可达到纳米(nm)级水平。该领域主要包含三个分支：①精密和超精密切削加工；②精密和超精密磨削加工；③精密电子束和离子束等特种加工。
用金刚石刀具实施超精密切削已由过去只能加工铜、铝及其合金等有色金属，扩展到加工塑料、陶瓷和复合材料。为了切除极薄切屑，要求金刚石刀具切削刃的刃口半径p极小，经精密研磨的单晶天然金刚石刀具的刃口半径p<0.05～0.1µm，研磨质量高的甚至可达几个nm，可实现纳米级切削。> 45HRC)和冷硬铸铁等硬材料、以车代磨等加工领域跨入到铣削加工领域。该刀具已在上海通用汽车公司(SGM)新建的发动机柔性生产线上使用，取得了良好效果。该刀具铣削发动机缸体平面时，切削速度高达2000m/min，刀具寿命为普通PCBN刀具的4倍。Seco Tools公司还推出了结构新颖、具有冷却通道、可更换硬质合金头部的钻头，其头部有三种不同几何形状，P型硬质合金刀头适用于切削钢，K型硬质合金刀头适于切削铸铁，而刀刃锐利的M型刀头适于钻削高强度钢和耐腐蚀钢。
本次会议对传统刀具和高效刀具的设计、制造及使用也进行了技术交流。如广东韶关学院设计的径向错位量较大(为每转进给量的2～3倍)的单组阶梯式可转位面铣刀、燕山大学研制的可加工硬度55HRC以上大内齿轮(模数m=12mm，齿数z=97)的负前角刮削硬质合金球形滚刀、西安交通大学设计的前角可控的等螺旋角锥形立铣刀、山西太原理工大学设计的齿向开槽的新型插齿刀等，在结构上都有一定特点与创新，用于生产中均取得了较好效果。
电镀金刚石铰刀加工出的孔具有尺寸分散度小、几何形状精度高(可达2µm)、表面粗糙度值小(5 切削机理的研究与刀具CAD
为促进高速切削、精密和超精密切削技术的发展，本次会议上交流了许多有关切削机理及其实验研究方面的论文。
南京航空航天大学对高温合金、钛合金、不锈钢等难加工材料的高速切削进行了系统试验研究，发现切削变形为集中剪切滑移，且滑移区很窄，形成锯齿状不连续切屑，其变形机理完全不同于连续性切屑。为此，作者根据最小能量原理，利用集中剪切滑移的临界条件，推导出集中剪切滑移条件下的切削方程式，为进一步发展高速切削工艺技术建立了理论基础。
山东大学探讨了高速切削时工件材料与刀具材料的匹配、切削方式、刀具几何参数、切削参数、振动和切削液等因素对已加工表面粗糙度的影响，为高速切削加工时切削参数的选择和表面质量的控制提供了依据。
哈尔滨理工大学、哈尔滨工业大学等对PCBN刀具干切削不同硬度的GCr15轴承钢的切削力、切削温度、已加工表面完整性等进行了切削试验研究，发现存在区分普通切削与硬态切削的临界硬度，并得出GCr15轴承钢的临界硬度为50HRC。在临界硬度附近进行切削时，刀具磨损严重，加工表面质量最差。
上海水产大学建立了“工程材料切削加工性的人工神经网络综合评判模型”，各评价指标的权值是从足够多的训练样本中提出的，避免了人为确定权值和隶属函数的主观性，使评价结果更具客观性和可比性。
大连理工大学建立了球头铣刀铣削的计算机预报模型，并进行了数值仿真研究，对改进铣刀设计、优化切削用量和监控切削参数均有现实意义。
Jr.S.Prakash等学者在会上介绍的“微型硬质合金铣刀切削时刀具寿命的预报模型”，J.Wang等人介绍的“斜角切削时允许后刀面磨损的切削预报模型”等均与实验结果相吻合，为精密切削和微量切削提供了理论依据。
CAD/CAM技术的应用可保证刀具设计和制造的高效率和高质量，本次会议上也有不少这方面的论文。例如，焦作工学院在AutoCAD2000平台上开发了一种“成形车刀CAD”软件，对成形车刀的智能设计、参数化绘图具有重要意义。
此外，还有许多关于刀具几何参数、切削用量和工艺过程优化、切削液、切削数据库(如北京第一机床厂在CIMS环境下建立的网络数据库)、振动切削等内容的论文也在会上进行了交流。
6 差距与建议
虽然近十年来我国工具工业有了长足进步，切削技术迅速提高，但与国外先进水平相比仍有巨大差距。据专家分析，我国切削加工及刀具技术的水平与工业发达国家相比大致要落后15～20年。近年来国内轿车工业引进了几条具有国际20世纪90年代水平的生产线，但所用工具的国内供给率只能达到20%的低水平。为改变这种状况，我国工具行业需要加速进口刀具国产化的步伐，必须更新经营理念，从主要向用户“卖刀具”转到为用户“提供成套切削技术，解决具体加工问题”的经营方向上来。要根据自身产品的专业优势，精通相应的切削工艺，不断创新开发新产品。用户行业则应增大刀具费用的投入，充分利用刀具在提高效率、降低成本、缩短Intranet/Extranet，实现最大程度的资源(如切削数据库)共享。建议有关部门将产、学、研各部门的科研力量组织起来，集中优势，一方面积极引进国外先进刀具制造技术，提高刀具产品水平，加快刀具产品(尤其是数控刀具产品)的国产化步伐；另一方面应结合生产实际，系统地推广使用各种先进刀具和先进切削技术。我们相信，通过正确的政策引导和企业的有序竞争，完全有可能使我国的切削加工与刀具技术赶上国外先进水平，并做到有所发展与创新。

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