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一、与高速铣削和多功能车削中心相适应的刀具及切削技术
在 切削加工方面，寄希望于建立快捷生产体制的刀具产品，首推高速铣削刀具。目 前，加工中心等机床主轴与刀具的连接方式，在欧洲已普遍采用HSK刀柄，并已制定出ISO标准。日本国内正在推广采用这种工具系统。迄今为止，日本厂商已 开发出多种工具系统，连接方式更是五花八门，用户在选购时感到十分困惑。因此，日本机床生产厂和终端用户都希望开发一种适用于车削中心的HSK工具系统。 目前，日本共有16家工具企业和夹头生产厂在联合开发此种产品，不久即可进行批量生产。这对于提高加工效率、降低生产成本和提高加工质量均可得到极为良好 的效果。
Sodick公司开发出一种三轴直线电机驱动小型加工中心（工作台尺寸400mm×600mm），这是一种适用于高速铣削加 工的机型，主轴最高转速达到40000r/min，与其他同类机床相比，成本降低至50%以下。为了在高速铣削条件下保证加工精度和刀具寿命，该机床采用 了热装式工具夹持系统。这种趋势今后还将继续发展下去。如MMC神钢工具公司开发的适用于热装式工具夹持系统的立铣刀系列产品，这些立铣刀尽可能保持最小 程度的伸出量，可进行稳定的高速铣削加工。许多生产热装式夹紧系统的企业推出的产品大都采用欧洲生产的电磁感应加热方式。日本YES电子工业公司自行开发 的新型电磁感应加热装置，商品名MEGAHEATER。这是一种袖珍热装设备，它采用新型电磁感应方式，克服了以往电磁感应易受干扰的不良影响，电源（称 作mega加热器）为盒式结构，可节省设备占用空间，而且设计新颖，便于操作。
为了简化生产程序，实现超短交货期限，车削中心和五轴 控制的加工中心需用大量多功能刀具。MAZAK公司就为车削中心开发出一系列多功能刀具，这些刀具按照NC程序的指令进行切削，一把刀具可完成内外圆切 削、内外螺纹切削、镗削、立铣等多种加工，从坯料到复杂形状的工件，可由一道工序完成。牧野铣床制作所在立式加工中心上安装分度装置，利用机床自身的多轴 控制功能，可在一道工序内完成多个部位的切削加工。
二、一般切削刀具的最新动向
涂层处理是大幅度提高刀具性能的重 要手段。目前，在硬质合金（超细晶粒硬质合金）基体表面涂覆碳化物、氧化铝、氮化物的刀具使用已相当广泛。日立工具公司纳米涂层技术的最新成果，是开发出 TiSiN和CrSiN涂层立铣刀，两种涂层材料的粒径均为5nm，前者可高速加工50～70HRC的高硬度钢，后者可高速高精度加工43HRC的软钢及 预淬硬钢。两种涂层的硬度和抗氧化性能均优于其他涂层，在延长刀具寿命、缩短加工周期等方面，有着突出的效果。
住友电工公司开发出了 DLC（Diamond Like Carbon，类金刚石）涂层铣刀刀片，这种刀片最宜用于铝合金等有色金属的干式切削加工。采用DLC涂层的硬质合金立铣刀、钻头等产品，有着优异的表面 润滑性能，是干式切削的理想刀具品种。以往深孔加工是很难采用干式切削的。不二越公司推出了一种长钻头，可进行半干式（MQL）深孔加工，加工孔深度为钻 头直径的20倍，此种钻头也是经过DLC涂层处理的。DUET公司开发出一种金刚石与硬质合全烧结成一体的Beam钻头，特点是不存在焊接缺陷，使用寿命 长，切削锋利度优异，可重磨，并可制作φ0.4mm的小直径钻头。Beam钻头主要用于铝合金、纤维增强塑料（CFRP）、金属基复合材料、工程陶瓷等材 料的高速孔加工。
刀具材料的开发极为活跃，除上述涂层产品外，还有增大涂层厚度以提高切削性能的涂层刀片T9000系列（东芝Tungaoy公司）、具有优异抗破损性能的陶瓷刀片HW2系列（日本特殊陶瓷公司）等，这些刀片都超过了以往的同类产品，具有良好的切削性能。
除 了上述适用于干式切削的刀具品种外，还开发出了许多可提高加工效率的刀具产品。如MMC神钢工具公司开发的多功能立铣刀MRALE ORBIT，这是一种仿形加工专用短刃型刀具，特点是刀尖圆弧R的尺寸精度非常高，可进行大进给量切削，应用范围十分广泛。三菱综合材料公司开发出一种可 转位式立铣刀，刀片形状独特，切削主分力作用于轴向，侧刃不进行切削，由靠近底部的切削刃进行切削，因此，切削十分平稳。这种立铣刀的切削深度为 1.5～2.Omm，每齿进给量为3.5mm，与其他立铣刀相比，进给量大幅度提高。京瓷公司推出一种多功能立铣刀，类似刀具早已在市场上出售，但京瓷公 司在刀片形状上作了较大改进，可有效降低切削力，刀片底刃部分为横向平置。此种立铣刀可进行切槽、切侧壁、钻孔、倾斜沉腔铣削等多种加工。ISCAR公司 2002年新开发的蝶形铣刀刀片，该刀片带8个切削角，厚度较大，沿切向安装，可进行大进给量的稳定切削加工，生产效率提高2.5～3.8倍，现已被汽车 行业大量采用。
为了减轻铣刀刀体重量，提高切削效率，许多厂家开发出铝合金刀体高速面铣刀，如Sandvik公司的Coromant 590面铣刀、住友公司的RF型面铣刀等产品。这些铝合金刀体面铣刀在高速回转帅80mm的刀具转速为17000r/min时，具有很高的抗离心力特性， 刀片夹紧牢固，不易脱落和甩出，刀片槽较大，刀片和刀体均不易被切屑擦伤。
另外，OSG公司推出一种硬质合金丝锥，将其安装在加工中心上，利用机床三轴控制功能形成行星运动，一把丝锥即可完成内螺纹、外螺纹、右旋螺纹、左旋螺纹等多种攻丝加工，此种丝锥对攻丝加工合理化作用极大。
三、引人注目的微小直径刀具
目前，日本国内制造业为了摆脱经济不景气的困境，采取的有效措施之一，便是生产附加值高的产品。这类产品的特点是许多零件必须经过微细形状加工，而且，为了提高这些产品的市场竞争力，几乎在所有制造领域都要求进行高效率高精度加工。
随 着加工形状微细化的迅速发展，对刀具的要求也必然是直径更加微小，精密程度更加严格，使用寿命更加延长。如三菱综合材料公司开发出一批小直径立铣刀系列产 品，其中，球头立铣刀、方头立铣刀的最小直径为φ0.2mm，刀头最大长度为1.5mm，均为涂层硬质合金制品。日进工具公司推出一种直径为φ50μm的 硬质合金立铣刀，主要用来进行深度为50μm的细槽加工，据称，这是当前立铣刀中直径最小的品种。利用小直径立铣刀进行微细形状加工，尽管效率很高，但对 切削后的加工面进行修整却非常困难，用户希望能够用一把立铣刀完成最终的加工工序。在通常情况下，高精度形状加工耗用的切削时间往往需要数小时。因此，对 微细形状加工所用刀具也就提出了更高的要求，即切削性能（刃尖振摆精度、加工表面粗糙度等）和刀具寿命都应比一般刀具更为优异。日进工具公司的φ1mm CBN立铣刀，当加工条件为转速120000r/min，进给速度5000mm/min，切削深度0.02mm时，刀具寿命达到10小时以上，加工表面粗 糙度达Ry1μm以内。该立铣刀前角为负值，切削刃形状经过特殊设计，在高速回转时，具有良好的抗冲击性能。
钻头的小直径化进展很快。住友电工公司推出一种MDSS型硬质合金钻头，最小直径仅为φ30μm，最大加工深度为2D。该公司还生产一种φ0.2mm的硬质合金钻头，最大加工深度高达1OD （D为钻头直径）。
随 着印刷电路板配线的高密度化和微型化，超小直径PCB钻头的开发得到进一步重视。目前φ0.1～φ0.2mm的PCB钻头使用已较广泛，有一部分特小直径 PCB钻头（φ0.075～φ0.05mm）已开始使用。众所周知，人的头发粗细大致为φO.1mm，注射针头的内经约为0.4mm，互相对比可知， φ0.05mm的PCB钻头比头发丝还细小。
在微小直径钻削加工中，除必须选择适宜的机床外，还应特别注意以下问题：导向孔的形状与 精度、高速回转（φ0.2mm钻头的转速在30000r/min以上）条件下工具的振摆精度、间断进给次数及重复精度等。这些因素都是进行稳定切削所必须 具备的条件，在微细钻削加工中，稍有疏忽，便会严重影响加工效果。
预计，今后对微细形状加工所用刀具的需求将迅速增长，随之，对此类 刀具及相关设备的开发也会受到高度重视。已开发出一种高速主轴头，将其装配在加工中心等机床上，即可实现高速回转，这对微细形状切削加工是极为有利的，目 前，这类主轴头已批量投放市场。UNION公司推出一种测量刀具刃尖振摆精度的随机测量装置，该装置可在刀具回转的情况下进行测量，这对判断切削过程中刀 具的振摆精度极为方便。这些相关装置的开发与利用，为高效率高精度微细形状切削加工的有效进行，提供了更为便捷的途径。

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在不锈钢的切削上，建议采用镀铬或氮化处理的锯片。而非使用镀钛锯片，因为市面上假货泛滥，常有业者以材质较差的锯片做蒸镀，但是由于其基材本身便 不够精确，反而未能提供最佳切削结果，且蒸镀之后，钢板遇热变形，少数业者的克服方法，即是敲打使其平坦。当锯片再次切削时，遇热变形又产生了，敲打只能 短暂维持并非长久。并且不锈钢虽为难削材，但其特性并非十分坚固，主要是其切屑容易黏住刀具，因此归为难削材。而镀铬锯片则是针对不锈钢的特性而设计，在 摩擦及切削皆有充分的考量。但是齿型也是影响切削效果的重要因素，因此在购买锯片时，切勿忘记注明是用于切削不锈钢，如此在开齿时方能加以区别，以便研磨 出不锈钢专用齿形。切勿有错误观念，以为锯片硬就是好，更别认为镀钛锯片就可所向无敌，可以用来切削所有材质的工件，在国外针对不同材质皆有不同的锯片设 计。 　　其实就算是镀钛锯片也有许多分别，就像是简称不锈钢，但是不锈钢的303，304，316等也都各有不同。镀钛也是如此，除 了镀膜厚度不同，镀 的是氮化钛，白金钛，氮化铝钛等也有不同。其硬度更是千差万别。切勿花了钱又当冤大头。国内的镀钛大部分为装饰钛，中看不中用，用过几次就掉得差不多了。 针对国内专门切割非常薄壁的不锈钢管(0.3~0.4mm)，我们推荐使用德国Re-Bo的白钢刀具，虽然单片的购买成本较高,但是非常耐用,切面很平 整。

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一.铣削加工　　 　 　铣削操作为使用具有一个或一个以上之切刃并绕著某一固定轴旋转的刀具来进行切削的操作，切削时刀具固定而工件进给以完成加工。由切削所产生的切 屑形状可以更进一步区别出此切削操作与其他金属切削操作不同的地方，铣削所产生的切屑一般都是短而不连续的碎片，在此强调的是，铣削时会产生不连续切屑是 由于刀具的几何形状所造成的；而不是如车削加工一样不连续切屑是由于切屑的破裂所产生的。对于大多数的铣削操作而言，未变形的切屑厚度由切屑的一端到另外 一端都一直在改变，最大切屑厚度可能发生在切屑的任一端或者是在靠近切屑中央的位置，但这完全视切削过程而定。铣削时由于切屑成规则性的不连续变化，使得 切削力与切削温度也呈周期性的变化，而并非稳定状态。当刀具切入工件时，刀尖会受到强烈的冲击陡震，接著是切削负载一直在改变。当刀具切入工件时，刀具表 面是冷的，但是在切屑形成过程中逐渐受到加热，当切屑形成以后又开始受到冷却，直到下一个切入动作产生。刀具切入时的陡震现象对刀具本身的寿命很不利，而 冷却周期则是有帮助的，除非所使用的材料对于热陡震很敏感。　　
1.切削过程中，由于切削负载是呈周期性的变化，此提供了引起工具机任一部份之振动的自然模态所需的能量，此种振动会使得表面粗度很差，而且将使刀具寿命降低。　　

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许多可转位刀片钻头的问题在于它们是由两个刀片的切削刃交叠而生成正确的切削直径，所以即使钻头有两个排屑槽，刀片的功能是形成一个单刃但不对称的切削 刃。这种设计在本质上是不平衡的。因此，可转位钻头必须在进入切削时放慢进给速度和减小进给量，迫使用户在经济性和生产率之间进行权衡。 不平衡的切入过程的另一问题是孔的精度。典型地，可转位钻头的中心刀片首先切入，这会产生很大的径向切削力，容易引起钻杆偏斜。一旦钻头偏离中心，它就不能加工出高精度的孔。

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2005年8月 国务院总理温家宝视察了钻石工业园。总理叮嘱道：“要加快用先进技术改造传统产业的步伐。老企业要焕发青春，必须走技术改造的路子，提高企业的技术水平和 竞争力”。故此株硬集团提出的研发战略是：不断提高自主创新能力，把增强自主创新能力作为科学技术发展的战略基点和调整产品结构、转变增长方式的中心环 节，大力提高原始创新能力、集成创新能力和引进消化吸收再创新的能力。要立足车削刀具材料、槽型做精做优，突出车削刀具优势，成为全球在车削领域最具有竞 争能力的刀具品牌；坚持不懈地追求配套刀具的品种和质量上的完善，在配套刀具、尤其是铣刀的品种系列质量达到或超过世界先进水平；发挥整体刀具的质量、成 本优势，大力推进标准化工作，成为全球最具有性价比的整体刀具生产基地；把技术服务当成为客户服务，传递价值最有效的途径，为客户提供全套的刀具服务，把 进入轿车行业的刀具配套作为刀具配套服务能力最重要的目标。

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难 加工材料的界定及具体品种，随时代及专业领域而各有不同，例如，宇航产业常用的超耐热合金、钛合金及含有碳纤维的复合材料等，都是该领域的难加工材料。 宇航业的工程技术人员开展了加工技术的研究与开发工作，已经研究出适合该领域使用的切削工具和加工方法。近年来，机械制品多功能、高功能化的发展势头十分 强劲，要求零件必须实现小型化、微细化。为了满足这些要求，则所用材料必须具有高硬度、高韧性和高耐磨性，而具有这些特性的材料其加工难度也特别大，因此 又出现了新的难加工材料。难加工材料就是这样随着时代的发展及专业领域的不同而出现，其特有的加工技术也随着时代及各专业领域的研究开发而不断向前发展。
另一方面，随着信息化社会的到来，难加工材料切削技术信息也可通过因特网互相交流，因此，今后有关难加工材料切削加工的数据等信息将会更加充实，加工效率也必然会进一步提高，本文以难加工材料的切削加工为核心，介绍该技术近年来的发展动向。
切削领域中的难加工材料
在切削加工中，通常出现的刀具磨损包括如下两种形态：(1)由于机械作用而出现的磨损，如崩刃或磨粒磨损等；(2)由于热及化学作用而出现的磨损，如粘结、扩散、腐蚀等磨损，以及由切削刃软化、溶融而产生的破断、热疲劳、热龟裂等。
切 削难加工材料时，在很短时间内即出现上述刀具磨损，这是由于被加工材料中存在较多促使刀具磨损的因素。例如，多数难加工材料均具有热传导率较低 的特点，切削时产生的热量很难扩散，致使刀具刃尖温度很高，切削刃受热影响极为明显。这种影响的结果会使刀具材料中的粘结剂在高温下粘结强度下降，WC (碳化钨)等粒子易于分离出去，从而加速了刀具磨损。另外，难加工材料中的成分和刀具材料中的某些成分在切削高温条件下产生反应，出现成分析出、脱落，或 生成其他化合物，这将加速形成崩刃等刀具磨损现象。
在切削高硬度、高韧性被加工材料时，切削刃的温度很高，也会出现与切削难加工材料时类 似的刀具磨损。如切削高硬度钢时，与切削一般钢材相比，切削 力更大，刀具刚性不足将会引起崩刃等现象，使刀具寿命不稳定，而且会缩短刀具寿命，尤其是加工生成短切屑的工件材料时，会在切削刃附近产生月牙洼磨损，往 往在短时间内即出现刀具破损。
在切削超耐热合金时，由于材料的高温硬度很高，切削时的应力大量集中在刃尖处，这将导致切削刃产生塑性变形；同时，由于加工硬化而引起的边界磨损也比较严重。
由于这些特点，所以要求用户在切削难加工材料时，必须慎重选择刀具品种和切削条件，以获得理想的加工效果。
难加工材料在切削加工中应注意的问题
切 削加工大致分为车削、铣削及以中心齿为主的切削(钻头、立铣刀的端面切削等)，这些切削加工的切削热对刃尖的影响也各不相同。车削是一种连续切 削，刃尖承受的切削力无明显变化，切削热连续作用于切削刃上；铣削则是一种间断切削，切削力是断续作用于刃尖，切削时将发生振动，刃尖所受的热影响，是切 削时的加热和非切削时的冷却交替进行，总的受热量比车削时少。
铣削时的切削热是一种断续加热现象，刀齿在非切削时即被冷却，这将有利于刀 具寿命的延长。日本理化研究所对车削和铣削的刀具寿命作了对比试验，铣 削所用刀具为球头立铣刀，车削为一般车刀，两者在相同的被加工材料和切削条件(由于切削方式不同，切削深度、进给量、切削速度等只能做到大体一致)及同一 环境条件下进行切削对比试验，结果表明，铣削加工对延长刀具寿命更为有利。
利用带有中心刃(即切削速度=0m/min的部位)的钻头、球头立铣刀等刀具进行切削时，经常出现靠近中心刃处工具寿命低下的情况，但仍比车削加工时强。
在切削难加工材料时，切削刃受热影响较大，常常会降低刀具寿命，切削方式如为铣削，则刀具寿命会相对长一些。但难加工材料不能自始至终全部采用铣削加工，中间总会有需要进行车削或钻削加工的时候，因此，应针对不同切削方式，采取相应的技术措施，提高加工效率。
切削难加工材料用的刀具材料
CBN的高温硬度是现有刀具材料中最高的，最适合用于难加工材料的切削加工。新型涂层硬质合金是以超细晶粒合金作基体，选用高温硬度良好的涂层材料加以涂层处理，这种材料具有优异的耐磨性，也是可用于难加工材料切削的优良刀具材料之一。
难加工材料中的钛、钛合金由于化学活性高，热传导率低，可选用金刚石刀具进行切削加工。CBN烧结体刀具适用于高硬度钢及铸铁等材料的切削加工，CBN成分含量越高，刀具寿命也越长，切削用量也可相应提高。据报道，目前已开发出不使用粘结剂的CBN烧结体。
金刚石烧结体刀具适用于铝合金、纯铜等材料的切削加工。金刚石刀具刃口锋利，热传导率高，刃尖滞留的热量较少，可将积屑瘤等粘附物的发生控制在最低限度之内。在切削纯钛和钛合金时，选用单晶金刚石刀具切削比较稳定，可延长刀具寿命。
涂 层硬质合金刀具几乎适用于各种难加工材料的切削加工，但涂层的性能(单一涂层和复合涂层)差异很大，因此，应根据不同的加工对象，选用适宜的涂 层刀具材料。据报道，最近已开发出金刚石涂层硬质合金和DLC(Diamond Like Carbon)涂层硬质合金，使涂层刀具的应用范围进一步扩大，并已可用于高速切削加工领域。
切削难加工材料的刀具形状
在 切削难加工材料时，刀具形状的最佳化可充分发挥刀具材料的性能。选择与难加工材料特点相适应的前角、后角、切入角等刀具几何形状和对刃尖进行适 当处理，对提高切削精度和延长刀具寿命有很大的影响，因此，在刀具形状方面决不能掉以轻心。但是，随着高速铣削技术的推广应用，近来已逐渐采用小切深以减 轻刀齿负荷，采用逆铣并提高进给速度，因此，对切削刃形状的设计思路也有所改变。
对难加工材料进行钻削加工时，增大钻尖角，进行十字形修 磨，是降低扭矩和切削热的有效途径，它可将切削与切削面的接触面积控制在最小范围之内，这 对延长刀具寿命和提高切削条件十分有利。钻头在钻孔加工时，切削热极易滞留在切削刃附近，而且排屑也很困难，在切削难加工材料时，这些问题更为突出，必须 给以足够的关注。
为了便于排屑，通常在钻头切削刃后侧设有冷却液喷出口，可供给充足的水溶性冷却液或雾状冷却剂等，使排屑变得更为顺畅， 这种方式对切削刃的冷却效 果也很理想。近年来，已开发出一些润滑性能良好的涂层物质，这些物质涂镀在钻头表面后，用其加工3～5D的浅孔时，可采用干式钻削方式。
孔 的精加工历来采用镗削方式，不过近来已逐渐由传统的连续切削方式改变为采用等高线切削这类间断切削方式，这种方式对提高排屑性能和延长工具寿命 均更为有利。因此，这种间断切削用的镗削刀具设计出来后，立即被应用于汽车零件的CNC切削加工。在螺纹孔加工方面，目前也采用螺旋切削插补方式，切螺纹 用的立铣刀已大量投放市场。
如上所述，这种由原来连续切削向间断切削的转换，是随着对CNC切削理解的加深而进行的，这是一个渐进的过程。采用此种切削方式切削难加工材料时，可保持切削的平稳性，且有利于延长工具寿命。
难加工材料的切削条件
难加工材料的切削条件历来都设定得比较低，随着刀具性能的提高，高速高精度CNC机床的出现，以及高速铣削方式的引进等，目前，难加工材料的切削已进入高速加工、刀具长寿命化的时期。
现 在，采用小切深以减轻刀具切削刃负荷，从而可提高切削速度和进给速度的加工方式，已成为切削难加工材料的最佳方式。当然，选择适应难加工材料特 有性能的刀具材料和刀具几何形状也极为重要，而且应力求刀具切削轨迹的最佳化。例如，钻削不锈钢等材料时，由于材料热传导率很低，因此，必须防止切削热大 量滞留在切削刃上，为此应尽可能采用间断切削，以避免切削刃和切削面摩擦生热，这将有助于延长工具寿命和保证切削的稳定。用球头立铣刀对难加工材料进行粗 加工时，工具形状和夹具应很好配合，这样可提高刀具切削部分的振摆精度和夹持刚性，以便在高速回转条件下，保证将每齿进给量提高到最大限度，同时也可延长 工具寿命。
结束语
如前所述，难加工材料的最佳切削方法是不断发展的，新的难加工材料不断出现，对新材料的加工总是不断 困扰着工程技术人员。最近，新型加工中心、切 削工具、夹具及CNC切削等技术发展非常迅速，而且在切削加工之外，CNC磨削、CNC电加工等技术也得到空前的发展，难加工材料的加工技术选择范围已大 为扩展。
当然，有关难加工材料加工信息的收集与对该技术的深入理解，还不能尽如人意，正因为如此，而对难加工材料的不断涌现，人们总是感到加工技术有些力不从心。
例 如，前述车削加工由连续切削向间断切削转换，便有利于延长工具寿命，新型涂层硬质合金刀具的使用，使难加工材料切削技术水平得到进一步提高。在 难加工材料的切削加工中应特别重视工具寿命的稳定，不仅工件材料要和刀具性能妥善配伍，而且对加工尺寸、加工表面粗糙度、形状精度等的要求也极严格，因 此，不仅应特别注意刀具选用，对工件的夹持方式等相关技术也不能掉以轻心。
今后，难加工材料零件的加工将采取CAD/CAM、CNC切削 加工等计算机控制的生产方式，因此，数据库的建构、工具设计与制作等工具管理系统的 完善，都极为重要。难加工材料切削加工中，适用的刀具、夹具、工序安排、工具轨迹的确定等有关切削条件的数据，均应作为基础数据加以积累，使零件生产方式 沿着以IT化为基础的方向发展，这样，难加工材料的切削加工技术才能较快地步入一个新的阶段。

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切 削加工作为制造技术的主要基础工艺，随着制造技术的发展，在 20世纪末也取得了很大的进步，进入了以发展高速切削、开发新的切削工艺和加工方法、提供成套技术为特征的发展新阶段。它是制造业中重要工业部门，如汽车 工业、航空航天工业、能源工业、军事工业和新兴的模具工业、电子工业等部门主要的加工技术，也是这些工业部门迅速发展的重要因素。因此，在制造业发达的 美、德、日等国家保持着快速发展的势头。金属切削刀具作为数控机床必不可少的配套工艺装备，在数控加工技术的带动下，进入了“数控刀具”的发展阶段，显示 出“三高一专”(即高效率、高精度、高可靠性和专用化)的特点。
显而易见，在21世纪初，尽管近净成形技术、堆积成形技术是非常有前途的新工艺，但切削加工作为制造技术主要基础工艺的地位不会改变。从当前制造业发展的趋势中可以看到，制造业发展和人类社会进步对切削加工提出的双重挑战，这也是21世纪初切削加工技术发展的主要趋势。
高速切削将成为新工艺
当前以高速切削为代表的干切削、硬切削等新的切削工艺已经显示很多的优点和强大的生命力，成为制造技术提高加工效率和质量、降低成本的主要途径。
因 此，发展高速切削等新的切削工艺促进制造技术的发展是现代切削技术面临的新任务。当代的高速切削不是切削速度的少量提高，是需要在制造技术全面 进步和进一步创新的基础上，包括数控机床、刀具材料、涂层、刀具结构等技术的重大进步，才能达到的切削速度和进给速度的成倍提高，才能使制造业整体切削加 工效率有显著的提高。把当前的高速切削水平实用化，使我国机加工整体切削效率提高1～2倍，缩小与工业发达国家的差距，是我国从事切削加工与刀具技术的专 业人员在新世纪的努力目标和面临的重大挑战。
硬切削是高速切削技术的一个应用领域，即用单刃或多刃刀具加工淬硬零件，它比传统的磨削加工有效率 高、柔性好、工艺简单、投资少等优点，已在 一些应用领域产生较好的效果。在汽车业，用CBN刀具加工20CrMo5淬硬齿轮(60HRC)内孔，代替磨削，表面粗糙度可达0 .22μm，已成为国内外汽车行业推广的新工艺。
创新加工技术
长期以来，难加工材料如奥氏体不锈钢、高锰钢、淬硬钢、 复合材料、耐磨铸铁等一直是切削加工中的难题，切削效率低，刀具寿命短。随着制造业的发 展，在21世纪这些材料的用量将迅速增加，加工的矛盾将更加突出。与此同时，产品的材料构成将不断优化，新的工程材料也不断问世，而每一种新型材料的采用 都对切削加工提出了新的要求。如 在切削加工比较集中的汽车工业，其发动机、传动器零件中的硅铝合金的比例在持续增加，并开始引入镁合金和新的高强度铸铁，以减轻汽车的重量和节省能耗。又 如在航空航天工业，钛合金、镍基合金以及超耐热合金、陶瓷等难加工材料的应用比例和加工难度也都将进一步增加。能否高效加工这些材料，直接关系到我国汽 车、航空航天、能源等重要工业部门的发展速度和制造业的整体水平，是对切削技术的最大挑战。我们必须从现在开始探索，以从根本上解决难加工材料大量使用及 其品种性能多样化带来的世纪性难题，创新加工技术，开发包括激光在内的新的“刀刃”和加工方法。
满足制造业的需求
进入21世纪 以后，产品多样化和个性化的趋势进一步加剧，制造业的产品更新速度会大大加快。每一种新产品的开发都意味着零件功能、结构、材料的重 大变更，也是对切削加工提出的开发任务，就像大家熟知的如螺杆泵、等速万向节、底径定心的花键、电子工业印刷线路板等产品，无不反映着切削技术和刀具的成 果。今后随着产品更新速度的加 快，将构成对切削加工新的挑战。不仅如此，当前利用切削加工的柔性及现代切削加工和刀具技术的成果，革新零件加工方法，显示出投入少、产出大、见效快的特 点。正如在上世纪九十年代新建的轿车发动机、传动器生产线上所集中展示的那样：缸体孔系的整体硬质合金钻削工艺、缸盖的金刚石高速铣削工艺、同步器齿轮的 筒式拉削工艺等新的加工工艺，使新建生产线的生产节拍时间缩短、产品质量提高，投资大量减少，充分显示出切削加工的巨大潜力。在这种背景下，制造业对切削 加工新技术、新产品的需求在现在将达到空前的高度，这既是对切削技术的挑战，也是对我国切削行业陈旧体制的挑战。

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随着科学技术的进步和工业生产的迅速发展，对结构材料性能的要求越来越高，引入了很多高强度、高硬度和耐高温的新材料。这些材料加工时切削力大，温升高， 刀具磨损严重，加工表面质量差，加工精度也难以提高。最突出的问题是加工困难，有些材料几乎无法加工。加热切削是克服加工困难问题的特种加工技术中最有效 的方法之一，它为难加工材料的切削加工开辟了一条新的途径，已用于航宇、兵器、机械、车辆、化工、微电子及医疗工业。当前，加热切削技术及其发展在制造技 术领域很受关注。
1 加热切削技术及现状
加热切削技术的出现及发展
图1 加热切削示意图
加热切削加工 方法巧妙地利用了高能热源的热效应，对被切削材料进行加热，使材料切削部位受热软化，硬度、强度下降，易产生塑性变形(图1)。由于 加热温升后工件材料的剪切强度下降，使切削力和功率消耗降低，振动减轻，因而可以提高金属切除率，改善加工表面的粗糙度。又因刀具耐用度与工件温度存在一 定的关系(通常，当工件温度在810℃左右时刀具的耐用度最大)，所以还可延长刀具寿命。
早在1890年就出现了对材料进行通电的加热切削，并获 美国和德国专利。20世纪40年代，加热切削在美、德开始进入工业应用实践，证明高温 能使“不可能”加工的金属提高加工性能，并取得经济效益。但这个时期加热切削尚处于发展的初步阶段，加工质量难以保证，基本上没有应用到生产实际中。60 年代以后，利用刀具与工件构成回路通以低压大电流，实现了导电加热切削，使切削能顺利进行。70年代初，出现了一种有效的等离子弧加热切削，最初由英国研 制成功。80年代以后，开发了激光加热切削，由于激光束能快速局部加热，较好地满足了加热切削的要求，因而提高了加热切削技术的实用价值。
一般热源
加 热切削所用热源，如通电加热、焊矩加热、整体加热、火焰和感应局部加热及导电加热，通称为一般热源。这些热源都能对被加工材料加热，对加热切削 技术的出现和发展起了重要作用，但它们存在加热区过大、热效率低、温控困难、加工质量难以保证等问题，使切削不理想，难以甚至未能应用到生产实际中去。
等离子弧及激光热源
等 离子弧加热切削，用等离子弧喷枪中的钨作阴极，工件材料作阳极，通电后形成高温的等离子弧，其特点是加热温度高，能量集中，可对难加工材料进行 高效切削。研究表明，在加热切削冷硬铸铁和高锰钢等难加工材料时，切削速度高达100～150m/min，刀具耐用度可提高1～4倍。这种方法存在的问题 是加热点必须与刀具有一定距离，加热效果难控制；加工条件恶劣，需要防护装置。
激光加热切削以激光束为热源，对工件进行局部加热，其优点是热量集 中，升温迅速；热量由表及里逐渐渗透，刀具与工件交界面的热量较低；激光束 可照射到工件的任何加工部位并形成聚焦点，便于实现可控局部加热。研究结果表明，激光加热切削可使切削力下降25%左右，还能有效改善工件的表面粗糙度。 存在的主要问题是大功率激光器价格昂贵，能量转换效率低，金属材料对激光吸收能力差，吸收率一般只有15%～20%左右，经磷酸处理后，吸收能力可提高到 80%～90%，但经济可行性差，这是这种加热方法难以推广应用的原因之一。
以上两种热源的出现，大大推动了加热切削技术的发展，国内外已进行了 大量卓有成效的研究工作。但要顺利地用于生产，达到预期的切削效果，还有 一些问题需要解决，尤其是切削机理还需进一步探索和研究，如加工过程中还存在由于一定的热扩散而影响加工质量，功率消耗多，温度控制困难，热源装置不理 想，价格昂贵等问题，所以生产上实用进程不快。加热切削技术的关键在于加热，目前，一般的目标是加热到难加工材料熔化前处于软化的温度，但这一温度是否合 适，怎样达到和控制这个温度，还需进一步探索、分析和研究。
2 加热切削的研究及关键技术
研究目标和意义
研究课题以难加工材料组织相变理论、金属切削原理和热学传导为基础，以难加工材料难切削的机理为出发点，着重分析和寻找温度、材料组织形态的变化以及与切削力之间的关系，摸索切削规律，确定改善材料可切削性的对策，进而从根本上解决难加工材料的切削问题。
研 究工作的前提条件之一是，目前已有了激光和等离子弧这类热梯度很陡的热源，加热温度能在几毫秒内达到需要值，容易控制、调节温度的高低。前提条 件之二是，相当部分材料组织具有相变时的超塑特征，在这种状态下，材料组织分子的结合力最低，而此状态的温度又大大低于材料熔化前软化的温度，所以有可能 摆脱难加工材料切削加工目前所处的困境。因为，如果难加工材料实现加热切削必须达到材料软化温度的话，实践已证明很难取得预期的切削效果。
研究的 意义在于提出的基于改变组织形态的切削方法，是将材料科学的固态相变理论扩展用于切削加工领域。这种深入的机理探讨和研究，是金属切削 原理的创新，也是制造技术发展方向上的新思路。另外，如果能使难加工材料的加热切削技术朝着比目前的切削温度更低、加工精度更高、加工速度更快的方向发 展，无疑能推进加热切削的实用进程。
关键技术
材料的相变超塑性能力及变化规律。
金属材料超塑性状态的特点，是在一定条件下呈 粘性或半粘性，没有或只有很小的应变硬化现象，流动性和填充性很好，超塑变形为宏观均匀变形，变形后 表面光滑，没有起皱、凹陷、微裂及滑移痕迹等。金属材料在超塑状态进行切削是否也呈现上述现象，或者是否还有其他特殊现象是需要搞清楚的。材料在超塑状态 下切削时的超塑性能力及其变化规律是需要研究的关键技术之一，这对提高难加工材料的切削效果有着重要意义。
图2 铁-碳平衡图中超塑温度区位置示意图
一 般钢铁材料都有相变超塑性(图2)，它是在相变发生和进行时产生的，依存于加热)冷却速度。黑色金属超塑性变形有一定的温度区，这个温度区比较 狭窄，可以有1个，也可以有2个以上。如30CrMnSiA只在处于770℃才出现较好的超塑性，此时a与b两相的体积比率接近于1，最大应力降到 30MPa，温度区窄；在700℃左右的一个范围内，超过临界温度就没有超塑性了。在超塑区域内，温度值应该稳定，不应起伏波动，恒温持续时间也不应过 长，否则超塑现象会消失。钢从奥氏体区域以大于临界冷却速度进行淬火，可得到马氏体。由于加工应变诱发和进行马氏体相变，产生相变超塑性。马氏体转化与温 度有关，并有一定限度。超塑性是在某一适当的温度范围才出现的状态，若想有效利用超塑性，必须在0.5T熔以上到相变温度以下的温度范围内进行加工。
加 热温度的影响因素及控制方法。金属材料的相变超塑性对温度有苛刻的要求，在温度循环中的应变、应变速度、作用应力及加热速度等都会对温度产生 影响，这是研究的关键技术之二。激光辐射材料时，其光能被材料吸收，并转换为热能。激光加热的热传导是一个非常复杂的过程，激光以很高的速度穿透表面进入 材料深处，其初始速度可达5～20cm/s。热量在材料中传导扩散，造成一定的温度场。用数学方法分析计算热传导，对把握激光加热效果有重要意义。可以利 用激光辐射形成的线状热源的变长度和变热源的性质，用数学分析方法来研究，寻找热源的温度场。根据上述理论建立的传热数学模型与激光加热切削过程进行仿 真，对各主要参数作出精确的预测，对加热切削的研究是非常重要的，也是取得良好效果的有力保证。
等离子弧加热切削淬火钢的试验表明，如果等离子枪安置在切削刀具前适当的位置，其倾斜角度、离加工面的距离及距切削刀尖的弧长等均可调节，并与适当的电压、电流、压缩气体压力和流量相配合，这样来控制加热温度，实现超塑组织状态下的切削，可以获得好的加工质量。
采用上述两种热源加热，使金属(尤其是Fe-C合金系)中亚共析钢容易实现超塑性，低碳钢等材料较易处于相变超塑状态，可以达到加热作用时间短、热源对材料作用区域小的目的，其面积、形状、大小都可调节，为金属超塑组织形态应用于切削加工创造了条件。
应用前景
使 金属处于一定组织形态的加热切削有着广阔的应用前景：(1)实现难加工材料的切削加工，并提高切削质量，这是主要的应用领域；(2)对于低碳 钢、纯金属等材料的切削，可以改善加工表面粗糙度；(3)对于常用金属材料，如45钢的切削，因为切削力降低，可节省能源消耗；(4)可有效解决机修工业 中高硬度堆焊层的难切削问题；(5)在航宇工业等尖端科学的制造技术研究工作中有独特的作用。
3 结束语
一定的金属组织形态下的加热切 削，能提高加工效果和加工质量，推进实用化；这是金属切削原理的创新，特种加工技术的新发展。基于特定材料组织形态 的加热切削虽已证明在技术上是可行的，但仍需加以完善和提高。我国已研制成功各类激光发生器、测温仪器、切削力测量装置以及控制系统，为这种加工制造技术 的推广应用创造了良好的条件。
作者：广西工学院 教授 丁黎光

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【iEicn.com编者按】近些年各个三坐标测量软件开发厂商相继在自己的软件中加入了CAD功能，且功能越来越强大。本文就CAD在三坐标测量软件中的使用和其功能作简要阐述。 前言

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