1 引言

      近年來，高速切削技術獲得了迅速的發展，各種高速切（qiē）削加工機床不斷湧現，應（yīng）用範圍也越（yuè）來越廣（guǎng）。目前，高速切削加工技術已經成功應用（yòng）到模具製造領域。應用高速切削進行（háng）模具製造，具有以下優點：

      高速切削大大提高加工效率，不（bú）僅機床轉速高、進給快，而且粗、精加工可一次完（wán）成，極大地提高（gāo）了模具生產率（lǜ）。結合（hé）CAD/CAM技術，模具的製造周期（qī）可縮短約（yuē）40%。

      高速切削（xuē）可加工淬硬鋼（gāng），硬度（dù）可達60HRC左右，表麵粗糙度（dù）低於Ra0.6μm，取得以銑代磨的加工效果，不僅節省了大量修模時間，還提高了（le）加工的表麵質量。

      因此，發展模具高速切削技術對促進我國模具技術發（fā）展以及應對新挑戰是一個有效途徑。而模具高速切削（xuē）技術的發展，是建立在機床、刀具、CAD/CAM係統的（de）快速發展的基礎之上的，本文重點探（tàn）討模具（jù）高速切削（xuē）刀具技術（shù）。

      2 刀（dāo）具材料

      在高速切（qiē）削（xuē）過程中，刀具和切屑之間溫度很（hěn）高，既有（yǒu）熱的性質，又有化（huà）學特性，所以刀具材料和工件材料的匹配很重（chóng）要。高速切（qiē）削刀具與加工的模（mó）具材（cái）料必須有（yǒu）較小的化學親（qīn）和力、優良的力學性能、熱穩定性和良好的抗衝擊、耐磨損和抗熱疲勞的（de）特性（xìng）。選擇（zé）刀具的4大要素為：模具材料、刀具材料（liào）、工具幾（jǐ）何形狀和切削條件。高速加工的（de）刀具材料必須根據模具材料和（hé）加工性質來選擇。目前，陶瓷、立方氮（dàn）化硼(CBN)、塗層硬質合金等（děng）刀具均可作為高速切（qiē）削模具鋼（gāng）件的刀（dāo）具材料。其中，陶瓷（cí）以化學（xué）穩定性好，具有良好的耐磨性，能以比硬質合金更高的切削速度進行切削加工，然而它的硬度、韌性低於（yú）CBN，可用於加工硬度<50HRC的模具材料。而CBN以其高硬（yìng）度、極強的耐（nài）磨性、高溫化學穩定性及良好的導熱性，用於銑削淬（cuì）硬鋼、冷硬鑄鐵、鈦合金等材料（liào）；塗層硬質合金因塗層不同而具有切削多種材料的（de）能（néng）力。PCBN(聚晶立方氮化硼)則是由CBN(立方氮化硼)微粉與少量牯結相(Co、Ni或TiC、TiN、Al203)在（zài）高溫高壓下燒結而成。PCBN組織中的（de）微小晶粒呈無序排列狀態，因此PCBN硬度均勻，無方向性，具有一致的耐磨性和抗衝擊性，並具有很高的硬（yìng）度和耐熱性(1300℃～1500℃)、優良的化學穩定性和導熱性以及較小的（de）摩擦係數，而且與Fe族元素親和性很低，困此它是高速切削（xuē）黑色金屬較理想（xiǎng）的刀具材料。從目前（qián）的研究結果來看，在所有的模具高速切削刀具材料中，PCBN的性能相對較好，是進行淬硬鋼模具加工的（de）主要刀具材料。

      3刀具的（de）磨損

      3.1 刀具的主要磨損形態

  
      高速切削時，刀具的主要磨損形態為後刀（dāo）麵磨（mó）損、微崩刃、邊界磨（mó）損、片狀剝落、前刀麵月牙（yá）窪磨損、塑性變形（xíng）等，如圖1所示。

  
      後刀麵磨損是高速切削刀具經常發生（shēng）的磨損形式，可看作是刀具的正（zhèng）常磨損。後刀麵磨損帶寬度的加大會使刀具喪（sàng）失切削性能，在（zài）高速切削時常采用後（hòu）刀麵上均勻（yún）磨損（sǔn）區寬度的VB值作為刀具的磨損極（jí）限。

      微崩刃是在刀具切（qiē）削刃上（shàng）產生的微（wēi）小缺口，常發生在斷續高速切削時，通過選（xuǎn）用韌性好的刀具材（cái）料、減小進（jìn）給（gěi）量、改變刀具主偏角以增（zēng）加穩（wěn）定性等措施，可減（jiǎn）小（xiǎo）微崩刃的發生概率。通常（cháng）隻要將（jiāng）刀具微崩刃的大小控製在磨損限度以內，刀具仍可繼（jì）續使用（yòng）。

      邊界磨損發生在刀具後刀麵的刀——工接觸邊緣處，形狀通常為（wéi）一狹長溝槽，因此也稱為溝槽（cáo）磨損。高（gāo）速切削不鏽（xiù）鋼、高溫合金(如Inconel718)時刀具容易發生邊界磨損，其原因是工件表麵的加工（gōng）硬化使刀具——工件（jiàn）接觸邊界的工件材料硬度最高。加工外圓時，刀——工接觸邊界的切（qiē）削速度最（zuì）高，因此也容易形成邊界磨損。

      片狀剝落多發生在刀具的前、後刀麵上，其原因是刀（dāo）——屑或刀——工接觸區的接觸疲勞或熱應力疲勞所致。當剝落很小時（shí），被認為是磨損；但在很多情況下，由於疲勞裂紋源距刀具（jù）表麵具有一定深（shēn）度，裂紋（wén）擴展後所形成的剝落塊往往大於刀具（jù）的磨損限度，一旦發生剝（bāo）落，即可使（shǐ）刀具失效，形成剝落破損。

      前刀麵月牙窪（wā）也是高速（sù）切削加工中一種磨損形式。塑性變形多發生在切削溫度較高而刀具紅硬性較差的切（qiē）削（xuē）條件下，超硬刀具材料在切削速度很高時也可能發生塑性變形（xíng）現象。

      3.2 常用的幾（jǐ）種刀具材（cái）料的磨損

      陶瓷刀具  陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性能及高溫力學性能優良、化學（xué）穩定性好、不易與金屬發（fā）生粘結等特點。陶瓷刀具的最佳切（qiē）削速（sù）度通常可比硬質合金刀具高（gāo）3～10倍（bèi），適用於高速切（qiē）削鋼、鑄鐵及其合金等（děng）。陶瓷刀具用於高速切削時，切（qiē）削（xuē）溫度可高（gāo）達800℃～1000℃甚（shèn）至更高，切削壓（yā）力（lì）也很大。因此，陶瓷（cí）刀具的磨損是機械磨損與化學磨損綜合作用的結果-“，在高速切削時以高溫引起的粘結磨損、氧化（huà）磨損和擴散磨損為主。

  
      立方氯化硼刀 具立方（fāng）氮化硼(CBN)是氮化硼的（de）致密（mì）相，PCBN的CBN含（hán）量、晶（jīng）粒尺（chǐ）寸、粘結相等均會影響其性能：CBN含量越（yuè）高，PCBN的硬度和導（dǎo）熱性也越高；CBN晶粒尺寸越大，其抗破損性越弱，刀刃鋒利性越差；采用金屬（shǔ）材料Co、Ni作為（wéi）粘結相時，PCBN有較好的（de）韌性和導電性，采用陶瓷材料作為粘結相時則具有較好的熱（rè）穩定性。

  
      一般認為，CBN刀具的磨損是由於（yú）切削過程中的高溫、高壓、切屑與前刀麵（miàn）間的摩擦以及工件（jiàn）材料中有關化（huà）學元（yuán）素與之發生粘結、親（qīn）和而引起的，即其磨損機製主要包括：氧（yǎng）化磨損和相變磨損；粘結（jié）磨（mó）損；摩擦磨損；顆粒（lì）剝落與微崩刃。造成CBN刀具磨損的E述多種因素並非隻是獨（dú）立存在、單（dān）獨作用，而是相互影響、共同（tóng）加劇（jù），如氧化磨損和相變（biàn）磨損必然伴隨著（zhe）粘結磨損，並出現摩擦磨損、剝（bāo）落（luò）磨損（sǔn）和微崩磨損。

      塗層刀具塗層刀具具有（yǒu）很（hěn）強的（de）抗（kàng）氧化性能和抗粘結性能，因而具有良好的耐（nài）磨性和抗月牙窪磨損能力。塗層的摩擦係數較（jiào）低，能有效降低（dī）切削時的切削力及切削溫度，因而可大大提高刀具耐用度。塗層刀具用於高速切削時，由於切削溫度較高，可使塗層與基體的結合強（qiáng）度削弱，容易產生剝落、崩碎等損傷。

      硬質合金 刀具硬質合金一般用來進（jìn）行硬度較低的模（mó）具（jù）鋼(<30HRC)的高速切削加工。在（zài）切（qiē）削（xuē）速度較低時，其磨損形式為粘（zhān）著磨損；在切削速度較（jiào）高（gāo）時，其（qí）磨損形式為氧化和擴散磨損。

      4 刀具（jù）係統的動平衡（héng）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（jī）時間，並會（huì）增大加工表麵粗糙度，降低工件加工尺寸精（jīng）度和（hé）主軸軸承使（shǐ）用壽命。高（gāo）速切削刀具係統的平（píng）衡更為重要。一般來說（shuō），對於（yú）小型（xíng）刀具，平衡修正量隻有百分之幾克；對於緊密型刀具，采用靜平衡即可；對於懸（xuán）伸長度較（jiào）大的刀具則必須進行動平衡。引起高速切削刀具係統不平衡的主要因素（sù）有：刀具的平衡極限（xiàn）和殘（cán）餘不平衡度、刀具結構不平（píng）衡、刀柄（bǐng）不對稱、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（zhuǎn）中心e(mm)處存在等效的（de）不平衡質量m(g)，則刀具不平衡量U(gmm)可定義（yì）為刀具不平衡質量與其偏（piān）心距的乘積，即U=m×e。設G為反（fǎn）映刀具平衡量與旋轉速度（dù）G(r/ram)之間關係的參數，則

  
      圖2為因刀具不（bú）平衡引起的離心力（lì）與主軸轉速和刀具（jù）不平衡量（liàng）的關係。離心力會使主軸軸承受到方向不斷變化的徑向力（lì）作用而（ér）加速磨損並引起機（jī）床（chuáng）振動，甚至可能造成（chéng）事故。當主軸轉速提高時，慣（guàn）性離心力將以平方倍數增大（dà）。因此，高速切（qiē）削刀（dāo）具(主要是旋轉刀具)使用前除進行靜平衡外還必須進行動平衡，應根據其使用速度範圍進行（háng）平衡，以實現最佳（jiā）加工（gōng）效益（yì）。對（duì）高速切削刀具進行平衡時，首先需對刀具（jù）、夾（jiá）頭、主軸等各個元件單（dān）獨進行平衡，然後（hòu）對刀具與（yǔ）夾頭組合體進行平衡，最後（hòu）將刀具連同主軸一起進行平衡（héng）。推（tuī）薦采用微調螺釘進行精細平衡，或直接采用內裝動平衡機構的鏜（táng）刀，通過轉動補償環移動內部配重以補償刀具（jù）不平衡量。目前國內外尚無統一的刀（dāo）具平衡標準，對采（cǎi）用IS01940-1標準（zhǔn）中（zhōng）的G值作為（wéi）平衡標準也有不同看法。國外一些企業（yè）以G1(即刀具以10000r/min的轉速（sù）回轉時，回轉（zhuǎn）軸（zhóu）與刀具中（zhōng）心軸線的偏心距（jù）為1μm)作為平衡標準；有的企業對轉速6000r/min以上的高（gāo）速切削刀具以G2.5作為平衡標（biāo）準。

   
      5刀具與機床的連接技術

      高速切削（xuē）用的刀具尤其是高速旋轉刀具，由於旋轉速度很高，無論從保（bǎo）證加工精度方麵考慮，還是（shì）從操作安全方麵考慮，對它的裝夾技術都有（yǒu）很高的要求。彈簧夾頭、螺釘等傳統的刀具裝夾方法已經不能滿足高速加工的需要。開發新（xīn）型的刀柄和刀具夾頭已經成為高速刀具技術的一個重要組成部分一（yī）。HSK刀柄（bǐng）是一種新型的高速錐形刀柄，其接口采（cǎi）用錐麵和端麵兩麵同時定位的方式，刀柄位中空，錐體長度較短，有利於實現換刀輕型化（huà）及高速化。由（yóu）於采用端（duān）麵定位，完全消除了軸向定位誤差，使高速、高精度加（jiā）工成為可能。這種刀柄在高速加工中心中應用很普遍，被譽為“21世紀的刀柄（bǐng）”。

      1987年美國肯納金（jīn）屬(Kennametal)公司及德國威迪亞(Widia)公司聯合研製了1:10短錐空心KM刀柄（bǐng），並首次提出了端麵（miàn）與錐度雙（shuāng）定位原理。KM刀柄采用1:10短錐配合，錐柄的長度僅為標準7:24錐柄長度的（de）1/3，由於配合錐度較短，部分解決了端麵與錐麵同時定位鎖（suǒ）產生的幹涉問題。刀柄設計成中空的結（jié）構，在拉杆軸向拉力作用下（xià），短錐可徑向收縮，實現端麵（miàn）與錐麵同時接觸定位。由於錐度（dù）配合部分有（yǒu）較大的過（guò）盈量(0.02mm～0.05mm)，所需的加工精度比標準的7:24長錐配合所需要的精度低。與其他類型的空心錐連接相比，相同法蘭外徑所采用的錐（zhuī）柄直徑較小，主軸錐孔在高速旋轉時的擴張量（liàng）小，高速性能好。這種係統的主要缺點時：主軸端部需要重新（xīn）設計（jì），與（yǔ）傳統的7:24錐連（lián）接不兼容；短錐的自（zì）鎖會使（shǐ）換刀困難；由於錐柄是空心的，所（suǒ）以不能用作刀具的夾緊，夾（jiá）緊所需（xū）由刀柄的法蘭實現，這樣增加了刀具的懸伸量，對（duì）於連接剛度有一定的削弱。由於（yú）端麵接（jiē）觸定位是以空心短錐和主軸變形為前提實現的，主軸的膨脹會惡化主軸軸承的（de）工作條件，影響軸承的壽命。

      另外（wài），還有Sandvik公司生產的CAPTO刀柄、日本株式會社日研（yán）工作所的NC5刀具係統、BIG PLUS刀柄、H.F.C刀柄、3LOCK刀柄、WSU刀柄以及SHOWA D-F-C刀柄等許（xǔ）多適（shì）合於高速切削加工的刀柄。但目前來看，高速切削刀柄仍然（rán）以HSK和KM刀柄為主，它們（men）的（de）應（yīng）用範圍最廣，且代表將來高速切削刀柄發展的主流方向（xiàng）。

      6 刀具的安全性

      高速切削刀具安全性涉及的主要對象是高速旋轉的銑刀和鏜（táng）刀，尤其是高速銑刀，因為高速銑削是目前（qián）高速切削應用的主要工藝。加工實踐表（biǎo）明，普（pǔ）通銑刀的（de）結構和強度不能適應高速（sù）切削的要求，因（yīn）此高速銑刀安全性的研究更具（jù）有緊迫（pò）性和現（xiàn）實（shí）性。

      7 刀具（jù）監測技術

      高速切削（xuē）刀具監測技術對於高速切削加工的安全性十分重要。刀具監測技術主要包括（kuò）通過監測切削力以控製刀具磨損；通過監測（cè）機床功率以（yǐ）間接獲得刀具磨損信（xìn）息；監測刀具斷（duàn）裂(破損（sǔn）)等。目前國內外對高速切削刀具監測技術的研究及開發應用還不夠充分。

      由於聲發射信號對刀（dāo）具載荷比較敏感，因此（cǐ）MyeonyChang Kang等利用聲發（fā）射對高速切削中的刀具狀（zhuàng）況和刀（dāo）具磨損進（jìn）行監測（cè），並取得了較好的效果。另外Jean-Ha Kim等利用數碼照相機和專用夾具進行高速切削刀具磨損（sǔn）的研究。

      8 刀具的幾何參數的選擇

      刀具的幾何參數的（de）選擇會對高速切削及其（qí）刀具的壽命產生巨大的影響，也是我（wǒ）們應予以高度重視（shì）的（de）部分。
高速切削刀具與普通（tōng）刀具前後角相（xiàng）比，一般高（gāo）速切削比普通切削的前角約小10°。，後角約大5°～8°。同（tóng）時HSC刀具的切削部位應盡量短，以提高刀具的剛性和減小刀刃的破損（sǔn）率。

      高速切削時，刀（dāo）具的合理幾何（hé）參數依（yī）據加工材料的不同而不同，在加工工具鋼時，起重要作用的刀具（jù）幾何角度是α0、γ0等，HSC時刀具的合理70、咖的（de）經驗值見表（biǎo）1。此外，為獲得較（jiào）佳的刀具幾何參數，還可以采用合適的（de）刀體材料和安全的（de）結構，使用較短的切削刃，提高刀具的整體剮性；采用較（jiào）大的刀（dāo）尖角，合適的斷屑措施等（děng）。

      綜上所述，大力發展（zhǎn）模具高速（sù）切削刀具技術，就要（yào）從以下幾個方麵展（zhǎn）開工作：

      研製和開（kāi）發新的刀具材料(主要是研製開發新的具有更高韌性的陶瓷刀具和具有更高（gāo）性能的（de）塗層刀具)，同時進行PCBN刀具切削性能的研（yán）究，推（tuī）廣其應（yīng）用範圍。

      進行模具高速切削刀具（jù）磨損機理的研究，進（jìn）一步提（tí）高刀具壽命做好刀具的動平衡，防止刀具的甩飛和破損，保證工作（zuò）人（rén）員的安全。進一步加強（qiáng）刀具監測技術的研究，以獲得良好的加工質量優化高速切削刀具的結構，積累適當的模具高速切削加工參數，建立模具高速切（qiē）削數據庫，以便有效的利用刀具，提高刀具的壽命。

      大（dà）力推（tuī）進有限元模擬技（jì）術在高速切削刀具技術（shù）中的應用。目前（qián），我國高速切削地應用（yòng）還遠遠落後於發達國（guó）家的一個主要原因就在於刀具技術的落（luò）後，因此研製出適合高（gāo）速切削的刀具是促進我國高速切削發（fā）展和應用的一個主要途徑（jìng）。