精密加工高速切削加工刀具
数控高速切削特性及刀具材料选择
度变化 的断续 切削，它们都会导致刀具 内热应力高频率地周 期变化 ，加速刀具 的磨 损。因此，高速切削除了要求刀具材
料 具 备 普 通 刀 具 材 料 的 一些 基 本 性 能 之 外 ，还 突 出 要求 刀具 材料具备高 的耐热性 、抗热 冲击 性、 良好 的高温 力学性 能及
高 的 可靠 性 。
加 剧 刀 具 的 磨 损 量 及 工 件 表 面 粗 糙 度 。 由于 切 削 温 度 太 高 ， 高 于 刀 具 材 料 所 允 许 的 最 高 温 度 ， 任 何 刀 具 都 无 法 承 受 ，切 削 加工 不 可 能进 行 ，这 个 速 度 范 围被 称 之 为 “ 谷 ” 高速 加 死 。 工 的 切 削速 度 范 围 因 不 同 的 刀 具 材 料 、 工 件 材 料 和 切 削 方 式 而 异 ， 目前 ，高速 切 削 的 高速 切 削范 围 国 内外 专 家 尚无 共 识 。
精度 。
削，在数控加工 中普遍使用 。为 了满足各种难加工材料 的切 削需要，开发出多种新型硬质合金 ，包括采用 高纯度 的原材 料 ， 采 用 先 进 工 艺 ，改 变 合 金 化 学 组 分 ，调 整 合 金 结构 ，采
用 表 面 涂 层 技 术 等 方 式 。这 种 刀 具 可 以高 速 切 削 铁 族 元 素 材
等的影响最大。高速切削刀具 的实效主要是 由于刀具材料的 热性 能不足引起的。高速干切削和硬切削加工黑色金属的最 高速 度主要受限于刀具材料的耐热性 ，如加工钢和铸铁等黑 色金属 时， 高速度只能达到加工铝合金的 Ｉ３和 Ｉ５之间， 最 ／ ／
原 因 是切 削热 使 刀 尖 发 生 热 破 损 ； 而 高 速 切 削 中 则 会 产 生 厚
【 摘 要】高速切 削是一种高效、优质 的先进切 削技 术。 因具有加 工质量好 、生产效率高等优 点而得到广泛应用。为了适
高速切削刀具系统的研究与试验分析
切 削参数 的预测 模 型 。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
模具 、 空 航 天 等 制 造 业 领 域 。与 传 统 的 加 工 方 法 航
相 比 ， 速 加 工 的过 程 更 加 复 杂 ， 工 环境 恶 劣 ， 高 加 对
刀具 的要 求 比较 高 ， 具 系 统结 构 复 杂 。高速 切 削 刀 刀具系统 的研究 内容 主要 包 括刀 具材 料 、 具 寿命 、 刀 刀具磨损 检测 以及 刀具 系 统 动平 衡等 方 面 。高 速切 削时 ， 造成 刀 具 损 坏 的 主要 原 因是 在 切 削力 和 切 削 温度 作用 下 因机 械 摩擦 、 结 、 粘 化学 磨 损 、 刃 、 碎 崩 破
刀具使 用 寿 命 的 主 要 因 素 之 一 。 因此 ， 高速 切 削 刀
统 研 究 的 重 要 部 分 。 本 文 主 要 以 高 速 铣 削 加 工 为 例 ， 高速切 削刀 具 系 统 的 相关 参 数 （ 刀 具 材 料 、 对 如
刀 具耐用 度 、 削 用 量 及 刀 具 悬伸 量 等 ） 行 研 究 ， 切 进 结 合试 验分 析切削 用 量对 高 速切 削加工 刀 具 寿命 的
ｂｏ ｕ ｔｎ ｐｅ ｄ， ｅ ｄ ｒｔ ｔ ｒｔ ｏ ｅｒ ａ ｈ ｕ ｔｎ ｏ ｌｌ ｅ ｐａ ａｈｅ ａｉａ ｕｔｃ ｔｉｇ ｓ ｅ ｆ ｅ ａ ｅ ｅ ｃ ｆ ｏ ｌｗ ａ ｎｄ ｔ ｅ ｃ ｔｉｇ ｔ ｏ ｉ ｓ ｎ ｍ ｔ ｍ ｔｃ ｌｍｏｄ ｌｂ ｓ ｄ ｏ ｏ ｆ ｅ ａ ｅ ｎ
Ｈｉ ｈ－ ｐ ｅ ｔｉ ｇ Ｔｏ ｌＳ ｓ ｅ ｓ ａ ｃ ｎｄ Ｅｘ ｒ ｍ ｅ ｔ ｌＡ ｎ ｌ ｓｓ ｇ ｓ ｅ ｄ Ｃｕ ｔｎ ｏ ｙ ｔ ｍ Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ａ ｐｅ ｉ ｎ ａ ａ ｙ ｉ ＬＩＺｈ ｎ — ａ ｏ ｇ ｙ ｈ，ＧＡＯ ｎ — ｉｎ Ｄｏ ｇ ｑ ａ ｇ
数控加工技术学习中的刀具选择指南
数控加工技术学习中的刀具选择指南随着科技的不断发展，数控加工技术在工业生产中得到了广泛应用。
而在数控加工过程中，刀具的选择是至关重要的一环。
本文将为大家介绍数控加工技术学习中的刀具选择指南，帮助大家更好地理解和掌握这一技术。
一、刀具材料选择刀具材料的选择直接影响着加工效果和刀具寿命。
常见的刀具材料有高速钢、硬质合金和陶瓷等。
在选择刀具材料时，需要考虑加工材料的硬度、韧性和热导率等因素。
1. 高速钢刀具：适用于加工低硬度材料，具有较好的韧性和耐磨性，价格相对较低。
但对于高硬度材料的加工，高速钢刀具的寿命较短。
2. 硬质合金刀具：适用于加工高硬度材料，具有较高的硬度和耐磨性。
但硬质合金刀具的韧性较差，容易断裂，价格也相对较高。
3. 陶瓷刀具：适用于加工高硬度和高温材料，具有优异的耐磨性和高温稳定性。
但陶瓷刀具易碎，加工过程需要注意避免冲击和振动。
二、刀具几何形状选择刀具的几何形状对加工效果和刀具寿命有着重要影响。
常见的刀具几何形状包括平头刀、球头刀和锥度刀等。
1. 平头刀：适用于平面加工和开槽等操作，具有较大的切削面积，能够提高加工效率。
但平头刀容易产生振动和噪音，需要注意加工过程中的稳定性。
2. 球头刀：适用于曲面加工和倒角等操作，能够实现复杂曲线的加工。
球头刀具有较小的切削力和较好的表面质量，但加工效率相对较低。
3. 锥度刀：适用于孔加工和倒角等操作，能够实现不同直径的孔加工。
锥度刀具有较好的切削刚度和切削稳定性，但需要注意加工过程中的刀具中心偏移问题。
三、刀具涂层选择刀具涂层能够有效提高刀具的耐磨性和耐高温性，延长刀具的使用寿命。
常见的刀具涂层包括涂层碳化物、涂层氮化物和涂层氧化物等。
1. 涂层碳化物：具有较高的硬度和耐磨性，能够有效减少切削力和热膨胀。
涂层碳化物适用于加工高硬度材料和高温材料。
2. 涂层氮化物：具有较好的耐磨性和耐高温性，能够提高刀具的切削速度和切削深度。
涂层氮化物适用于高速切削和重切削操作。
高速切削刀具在数控加工中的应用
科 技 创 新
高速切 削刀具在数控加工中的应用
刘 ห้องสมุดไป่ตู้ 花
（ 湖南省衡 阳市衡 阳技师 学院 ， 湖南 衡 阳 ４ ２ １ １ ０ １ ）
摘 要： 随着科 学技 术 水平 的 不 断提 高 ， 作 为先 进 制造 技 术 的 重要 组 成 部 分 高速 切 削技 术在 模 具加 工制 造 中 已得 到 越 来越 广 泛 的 应 用 。文章 结 合 高速 切 削技 术 的发 展 现状 ， 阐述 了高速 切 削技 术 的应 用及 其 未 来趋 势 。 关键词： 高速 切 削ａ － ｇ ． － ； 数控 加 工 ； 发展 趋 势 ； 应 用 前景 景， 目前 已引 起世 界 各 国 的重 视 。 １高速 切削 技 术 和高 速 切削 刀具 随 着科 学技 术 的 不 断变 化 发展 ， 很 多先 进 的制 造 技 术 不 断 的应 ２ ． ４涂 层 刀 具 用于机械制造设计 中， 一种低成本 ， 高效率 ， 高精度的高速切削技术 传统 的涂 层 刀 具经 历 了 一个 由简单 到 复 杂的 生 产工 艺 流程 。 随 被广 泛 的应 用 ， 如 今 成为 机 械制 造 的 主要 技术 手 段 。 着时代的快速的发展 ， 这种 刀具在使用上得到了明显 的增强。然而 “ 高 速 切 削” 的概 念最 早 是 由德 国人 提 出来 的 ， 它 的核 心 就 是在 在 硬 质涂 层 刀 具 中 ， Ｔ ｉ Ｎ技 术 被广 泛 的应 用 。 金属 陶瓷 的硬 度 和红 硬 性 高于 硬 质 合金 而低 于 陶瓷 材 料 ， 横向 通 常情 况 下 ， 切 削 的温 度 会 随 着 速 度 的加 快 而 不 断 的升 高 ， 当速 度 达到最大值 的时候 ， 此时温度就会在此时随着速度而慢慢 降低 。它 断裂 强 度 大 于 陶 瓷 材料 而小 于硬 质 合 金 ，化 学 稳 定 性 和 抗 氧 化 性 与 以往 的切 削技 术相 比较 ， 存 在很 多 的优 势 。如 ： （ １ ） 大大 提 高 了生 好 ， 耐剥离磨损 ， 耐氧化和扩散 ， 具有较低 的粘结倾 向和较高的刀刃 产效 率 ， 降 低 了成 本 ， 是传 统 切 削技 术 的 ３ ～ １ ０ 倍。 （ ２ ） 作 用力 不 在集 强 度 。 ３高 速 切 削刀 具 的具 体 应用 情 况 中， 从 而使 受 力均 匀 ， 这样 不 仅 仅 有 利 于提 高 薄 壁件 、 细 长件 等 刚 性 差 的零 件 的 加工 精 度 ， 而且 可 以使 机 械 长久 的 使用 不 被损 坏 。 （ ３ ） 与 硬 质合 金 刀具 虽 然具 备 很 好 的抗 拉 强 度 和断 裂 性 能 ， 但 由 于其 以往相比 ，它更适合加工容易受热变形 的零件 ，因在受热的时候 抗热性很差， 在高速切削 中受到 了一定的限制 。 因此在使用过程 中， ９ ５ ％热都会被切 屑带走。（ ４ ） 因高速切削振动小 ， 且与传统的工艺相 要将硬质 中的晶粒进行细化 ， 使其尺寸变小 ， 可以均匀 的分布 在硬 质相的周围 ， 这 样 不仅 仅 提 高 了硬 质合 金 的使 用 性 能 ， 更 加 提 高 了 比， 频率 比较 固定 ， 因此 比较适合加工精密零件 。 随着 “ 高 速切 削 ” 概 念 的提 出 ， 它 对 刀具 也 提 出 了更 高 的要 求 。 其硬度和耐磨 ， 为此可以广泛的使用于硬切削中。其实 ， 严格来讲 ， 更 加具 备 良好 的 刀具技术作为高速切削技术的关键技术 ， 必须保证刀具除了具备基 最 理想 的刀具 材 料 不仅 仅有 很 好 的 硬度 和 耐 磨性 ， 本 的性 能 之 外 ， 还要 具 备很 高 的耐 热性 能 ， 抗 高 温性 ， 优 秀 的 高温 力 化学亲和力 ， 好 的传热性能和机械性能等。达到高速切 削的严格施 学 性 能及 其 可靠 性 。严 格 来讲 ， 高 速切 削 技 术 的发 展 是 在 超硬 刀 具 工 工艺 的要求 。 陶器刀具和金属陶瓷刀具在严格意义上讲 ， 是有区别 的。虽然 材料出现之后而发展起来 的。在机床机械中， 如果大量的采用这种 技术 ， 那 么 就需 要 使 用 合 格 的 刀具 ， 否 则 不仅 会 影 响工 作 效 率 还 会 他们同时被应用 于高速切削过程中 ，但是 由于各 自的受力情况不 对 刀 具产 生 大 量 的磨 损 ，对 于 机床 数 控 加 工 而言 也 是 毫无 意 义 的 。 同， 因此在 机 械设 备 中都有 不 同程 度 的损 伤 。 虽然 都 有 缺点 ， 不 被 广 目前 常用 的高速切 削刀具材料有 ： 聚晶金刚石（ Ｐ Ｃ Ｄ ） 、 立方氮化 硼 泛的使用 。 但是在切削时， 有些要求平稳性能高的刀具进行切削 ， 此 （ Ｃ Ｂ Ｎ ） 、 陶瓷、 Ｔ ｉ （ Ｃ， Ｎ ） 基 金属 陶瓷 、 涂层 刀 具 一 超 细 晶粒 硬 质 合 金 等 刀 时就要 采 用 陶 瓷刀 具 ， 为 了更 加 符 合机 械 设 备 的施 工 要 求 。减 少 切 具材 料 。 削 时 的难 度 ， 这 样 做 的害 处 就是 大 大 提 高 了工作 效率 ， 降 低 了失 误 ２ 高速 切 削 刀具 的 发展 情 况 率 带 来 的严 重 后果 。 然 而金 属 陶瓷 刀 具 因为 具有 很 强 的断 裂性 能 所 ２ ． １金 刚石 刀 具材 料 以在续 切 工 艺 中被 广泛 的应用 。 金 刚石 刀 具 分为 两种 ： 一 种 是 纯天 然 的 ； 另 外一 种是 人 造 的 。 因 ４ 结 束语 纯 天 然 的价 格 比较 昂贵 ， 切 加 工 起来 比较 麻 烦 ， 所 以 只 在很 少 的 机 高速切削加工工艺的出现改变 了以往传式的切削模式 ， 在很大 械加 工 中被使 用 。但 随 着科 技 的不 断变 化 发 展 ， 近 年来 将 很 多 技术 程度上大大提高了工作效率 ， 因为切割 的速度 比较快 ， 传导性能 比 工艺与金刚石 的开采技术融为一体 。 使天然的金刚石刀具在制作由 较 优 越 ， 大 大缩 短 了工 作 时 间 ， 同时， 它可 以根 据不 同 的施 工 工艺 采 复杂变得 简单 ， 同时因为其 自身 的独特优 势 ， 如： 硬度高 ， 抗 压抗 热 取不 同切 削方 式 。同时 ， 由于加 工 产生 热 量 的 ７ ０ ％～ ８ Ｏ ％都 集 中在切 而切屑的去除速度很快 ， 传导到工件上的热量大大减少 ， 提高 性能好 ， 导热快 ， 耐磨性好等优点 ， 因此被广泛的应用于高速切削的 屑上 ， 机床数控 中。 因加工效率得到了大大的提高 ， 精度也越来越标准 ， 所 了加工精度 。 高速切削加工是一种不增加设备数量而大幅度提高加 优 点 主要 在 于 ： 提 高生 产 效 率 ； 提 高 加 工 以在要 求 高 的切 削 技术 中 ， 金 刚 石 发挥 了 巨大 的作 用 。人造 金 刚 石 工效 率 所必 不 可 少 的技 术 ， 分 为 三种 ： 聚 晶金 刚石 （ Ｐ Ｃ Ｏ） 、 化 学气 相 沉 积金 刚 石 （ Ｃ Ｖ Ｏ ） 和 高温 人 精 度 和 表 面质 量 ； 降低 切 削 阻力 。 工合成的单晶金 刚石 。Ｐ Ｃ Ｄ和单 晶金 刚石是高效精密加工有色金 高速切削技术 的问世改变了人对传统切削加工的思维 和方式 ， 极 大提 高 了加 工 效率 和 加工 质 量 。而高 速 切 削 与模 具 加 工 的结 合 ， 属、 陶瓷 、 玻璃 、 石 墨 等 非金 属 材料 最 佳 的刀 具 。 ２ ． ２立 方 氮化 硼 刀 具材 料 改 变 了传 统模 具 加 工 的工 序流 程 。 高 速 切 削刀 具作 为 高 速切 削 技术 与金 刚石 比较 ， 立 方氮 化 硼 刀 具是 人 工 合 成 的一 种 材 料 。其 制 的 关 键 ， 随 着 技 术 的 不断 完 善 ， 将 为 模 具 制 造 带 来 一 次 全 新 的 技 术 作工艺和金刚石的类似 ， 但是就硬度而言却是仅 次于金刚石的一种 革 新 。 超 硬 质材 料 。同样 具备 高 强度 ， 高 稳 定性 ， 高化 学稳 定 性 等性 能 。 在 目前 被广 泛 的 应用 于 钢材 质 的 切削 中。 因氧 化 温 度 高达 １ ３ ６ ０ ￣， 与 钢铁 材料 有 着 很好 的相 容性 ，且这 种 刀 具是 以烧 结 体 形式 存 在 的 ， 具有极高的耐磨性是一种很好的刀具材质。还有一种刀具 ， 在 国内 外都被认可的一种硬态刀具模式 。 这种刀具材料是在高温加热的情况下添加一种催化剂转化而 成的。 它 的优点就是稳定性高于金刚石 。 适用于在加工热的硬度材 料的时候使用 。 不仅仅耐高温耐热耐磨性好， 而且相 比较铁而言， 其 惰性也 比较大 。在未来的发展 中， 将取代难 以满足高速切削黑色等 金属 ， 又或 是 难 以加 工 的 ， 切 削 的 刀具 材 料 。它 主 要 用 于 加 工 淬 硬
高速切削刀具在数控加工中的应用
于 １ ９ ３ １年 ４月发表 了著名 的切削速度与切 削温度 的理论 。该理论 的 核 心是： 在 常规的切 削速度范围 内， 切 削温度 随着 切削速度 的增大而提 高， 当到达某 一速度 极限后， 切削温度 随着切 削速度 的提高反而降低。 此后 ， 高速切削技术的发展经历了以下 ４个阶段： 高速切削 的设想与理 论探 索阶段 （ １ ９ ３ Ｉ —Ｉ ９ ７１ 年） ， 高速切削的应用探索阶段（ １ ９ ７ ２ —１ ９ ７ ８ 年） ， 高速切 削实用 阶段 ｆ １ ９ ７ ９ 一一 １ ９ ８ ４年） ， 高速 切削成 熟阶段 （ ２ ０世纪 ９ ０年 代至今） 。 高 速切 削 加 工 与 常规 的 切 Ｎ） ］ ａ － ｒ ｔ Ｂ 比 具 有 以 下优 点 ： 第一， 生 产效率提高 ３～１ Ｏ倍。 第二， 切削力降低 ３ ０ ％以上 ， 尤其是径向切削分 力大幅度减少， 特别有利于提高薄壁件 、 细长件等刚性差的零件 的／ ］ Ｂ Ｔ 精度。 第三． 切 削热 ９ ５ ％被 切屑带走， 特别适合加工容易热变形的零件。 第 四， 高速切 削时， 机床 的激振频率远离 工艺系统的固有频率 ， 工作 平稳 振动较小， 适合加工精密零件。 高 速 切 削 刀 具 是 实 现 高 速 加 工 技 术 的 关 键 。刀 具技 术 是 实 现 高速 切削加工的关键技术之一， 不合适的刀具会使复杂、 昂贵 的机床 或加工 系统形 同虚设 ， 完全不起作用。 由于高速 切削的切削速度快， 而高 速加 工线速度主要 受刀具 限制， 因为在 目前机 床所 能达到的高速范围 内， 速 度越高， 刀具的磨 损越快。 因此， 高速 切削对刀具材料提 出了更 高的要 求， 除 了具备普通 刀具材 料的一些基本性 能之外 ， 还应突 出要求高速切 削 刀具 具 备 高 的 耐热 性 、抗 热 冲 击 性 、 良好 的高 温 力 学 性 能及 高 的可 靠 性。
高速切削加工的刀具选择
Ｔｉ Ｎ＋ ２ ＋ Ｎ， Ｎ＋ ２ ， Ｔｉ Ｔｉ ， Ｃ ＡｌＯ３ Ｈｌ Ｔｉ Ａｌ Ｏ３ ＣＮ， Ｂ２
碳 纤 维塑 料等 非金 属材 料 的加工 。 如 在铝合 金 例
ＴＡｌ １Ｎ Ｉｉ Ｎ等 。最 新 发展 的ＴＮ， ｌ ｉ Ｎ， ｉ Ｔ Ａ１ ｒ ｉ Ａ Ｎ纳米
温性 能 ，适合 高速 加工合 金钢 和铸 铁 。
陶瓷 刀具 ：陶瓷 刀具分 为氧 化铝 陶 瓷、氮化
砖 陶 瓷和 复合陶 瓷三类 ， 具有 高硬度 、 高耐磨 性 、
热稳定性。其中Ａ２ ３ ｌ 基陶瓷约ｌ２３ Ｏ ／，这种陶瓷
刀 具适合 加工 钢件 ；Ｓ３ 基陶 瓷约 Ｉ １３ ｉ Ｎ４ ‘ ／ ，这 种
２ 刀具结构
弹性 夹紧式 、液 压夹 紧式和 热膨胀 式刀 杆示 意 图 。其 中热膨 胀式 结构 简单 ，夹 紧可 靠 、同心 度 高 ， 递扭矩 和径 向力火 ， 传 刚性足 ， 动平 衡性 好 ，
摘
要 作 为先进制造技术 ，高速切削加 工 已成为机械制造业的主流发展方向 ， 它的应 用将 大幅度
地提 高加 工效率和加 工质量 。高速切 削刀具技术是 实现 高速 切削的关键技术之一 。本文根据 高速切 削加工
对刀具 系统 的要求 ，分 别从 刀具材料 、结构和刀杆 结构及切削参数等 方面阐述 了 高速切 削加工 中如何合 在
证 刀 具动平 衡 ，在 高速 铣 削时不 宜采用 。图２ 为
金刚石： 分天然金刚石和聚晶金刚石， 高速
铣 削主要采 用 聚品金 刚石 ， 常用 于高速 加：＝ 通 Ｉ ＝ 有 色金 属和非 金属 材料 。 目前在 高速铣 削 加工 中 ， 应用最 多 的是整体
高速铣削加工技术
模具高速铣削加工技术一、前言在现代模具生产中，随着对塑件的美观度及功能要求得越来越高，塑件内部结构设计得越来越复杂，模具的外形设计也日趋复杂，自由曲面所占比例不断增加，相应的模具结构也设计得越来越复杂。
这些都对模具加工技术提出了更高要求，不仅应保证高的制造精度和表面质量，而且要追求加工表面的美观。
随着对高速加工技术研究的不断深入，尤其在加工机床、数控系统、刀具系统、CAD/CAM软件等相关技术不断发展的推动下，高速加工技术已越来越多地应用于模具型腔的加工与制造中。
数控高速切削加工作为模具制造中最为重要的一项先进制造技术，是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术。
相对于传统的切削加工，其切削速度、进给速度有了很大的提高，而且切削机理也不相同。
高速切削使切削加工发生了本质性的飞跃，其单位功率的金属切除率提高了30%~40%，切削力降低了30%，刀具的切削寿命提高了70%，留于工件的切削热大幅度降低，低阶切削振动几乎消失。
随着切削速度的提高，单位时间毛坯材料的去除率增加了，切削时间减少了，加工效率提高了，从而缩短了产品的制造周期，提高了产品的市场竞争力。
同时，高速加工的小量快进使切削力减少了，切屑的高速排出减少了工件的切削力和热应力变形，提高了刚性差和薄壁零件切削加工的可能性。
由于切削力的降低，转速的提高使切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率，而工件的表面粗糙度对低阶频率最为敏感，由此降低了表面粗糙度。
在模具的高淬硬钢件(HRC45~HRC65)的加工过程中，采用高速切削可以取代电加工和磨削抛光的工序，从而避免了电极的制造和费时的电加工，大幅度减少了钳工的打磨与抛光量。
对于一些市场上越来越需要的薄壁模具工件，高速铣削也可顺利完成，而且在高速铣削CNC加工中心上，模具一次装夹可完成多工步加工。
高速加工技术对模具加工工艺产生了巨大影响，改变了传统模具加工采用的“退火→铣削加工→热处理→磨削”或“电火花加工→手工打磨、抛光”等复杂冗长的工艺流程，甚至可用高速切削加工替代原来的全部工序。
高速切削技术在精密零件加工中的应用
小， 提高了加工零件的精度。
例如 ：可将径 向和轴向的切削深度减少到 以前 的切 削深 度 的三 分 之一 ，并 将 主 轴 速度 和进 刀 速 度
高速加工随着刀具转速 的增加 ，使得刀具与工 增加到控制 系统和刀具所允许 的高速度。高速切削 件 、切 屑摩 擦 力 和 挤压 力 的增 加 ，从 而 使 切 屑 与 刀 的处理方式 给模具制造带来 的好处主要体现在 以下
高速切削不是靠单纯地提高主轴转速和进给速
用， 是因为其相对传统加工具有显著的优越性 。高速 度来提高现有工艺的加工效率 ，而是彻底改变切削 切 削 与传 统 切 削 工艺 相 比 ，最 明显 的是 切 屑 的形 成 路 径 ，降低 刀 具 上所 承受 的轴 向和径 向切 削 力 从 而
过程 发 生 变 化 ， 剪 切 面 的减 小 和剪 切 角 的增 大 ， 使 得 工 件 的 塑性 变 形 区域 减 少 ，工 件 的变 形 量 也 相应 减 形 成更 为有 效 的铣 削方 式 。
具、 工 件 与 刀具 接 触 面 的 温度 增 加 ， 最 明显 的 区域 就 在 于切 屑 与 前 刀 面 的接 触 区域 ，这 个 区域 的温 度 会
的需求大大推动了高速加工的应用。在飞机零件 中，
有大量 的薄壁零件 ， 如翼肋 、 长桁 、 框等 ， 由于它们具 很高 ， 甚至可以使加工材料达到熔融状态 ， 而一旦这 有 很 薄 的壁 和 筋 ， 因此 在 加 工 中 ， 金属 的被 切 除率 很 个 区域 呈 现 熔 融状 态 ，反 而起 到 了润 滑 和 减 小摩 擦
分 析 和研 究 ，以期 为 精 密零 件 加 工 工艺 方 案 制 定 提
供相关参考对策 。
图 １ 刀 具 剪 切 角 与 工 件 塑 性 变 形 区 变 化 对 比
超精密切削加工
研发节能技术和设备，降低切削加工的能耗和排放，提高资源利用效率。
THANK YOU
智能化与自动化
智能切削参数优化
通过智能化技术，实现切削参数的实时优化，提高加工效率和降 低能耗。
自动化监控与补偿
利用传感器和机器视觉技术，实现切削过程的自动化监控和补偿， 提高加工精度和稳定性。
智能切削决策支持系统
开发智能切削决策支持系统，为切削加工提供科学依据和优化建议。
切削过程建模与仿真
切削力模型
清洗作用
03
切削液可以清除切屑和磨粒，防止其粘附在刀具和工件上，影
响加工精度和质量。
切削参数优化
切削深度优化
根据工件材料和加工要求，选择合适的切削深度，以实现高效、 高精度的加工效果。
切削速度优化
根据刀具材料和工件材料，选择合适的切削速度，以提高加工效 率、减小刀具磨损和防止工件热变形。
进给量优化
04
超精密切削加工的挑战与解决 方案
刀具磨损
总结词
刀具磨损是超精密切削加工中常见的问题，它会影响 加工精度和表面质量。
详细描述
在超精密切削加工过程中，刀具与工件的高速摩擦会 导致刀具磨损，进而影响切削刃的锋利度和切削深度 ，最终导致工件表面粗糙度增加或产生加工误差。为 了解决这一问题，可以采用高硬度、高耐磨性的刀具 材料，如金刚石或立方氮化硼等，以提高刀具的耐磨 性和使用寿命。此外，优化切削参数、加强刀具冷却 和润滑也是减轻刀具磨损的有效措施。
韧性决定了材料抵抗切削应力的能力。韧性较好的材料在切 削过程中不易开裂或崩刃，能够获得较好的表面质量。在超 精密切削加工中，应选择具有较好韧性的材料，以减小切削 过程中的振动和热变形。
材料热导率
高速切削加工刀具材料
进 一 步提 高 ，超 过这 个速度 范 围后 ，切削温 度 反而 降低 ， 同时切 削力也 会大 幅度 降低 。他认 为对于 一 些 工件 材料 应 该有一 个 临界 的切削速 度 ，在该切 削 速 度下 切削 温度最 高 。在 高速切 削 区进 行切 削 ，有 可 能用 现有 的刀 具进 行 ，从 而成 倍地提 高机 床 的生
精 密制造 与 自动化
２１年第 １ ００ 期
高速切削加工刀具材料术
姚福新 李长 河
沈 阳徐挖机 械销 售有 限 公司 青 岛理工 大 学 机械 工程 学 院
摘 要
（ １５ １０ ６ ） １ （６０ ３ ２６ ３ ）
论述 了高速切削 的概念和优越性，介 绍了高速切削加工所使用 的先进刀具材料和刀具如：陶瓷刀具 、金
可 以说 ， 目前 各 国的切 削速 度仅 在高速 阶段 ， 尚未达 到 Ｃ Ｒ （ 际 生 产 工 程 科 学 院 ）所 界定 的 ＩＰ 国 超 高速切 削 阶段 。
１ 高速切削的优越性 与传统的切削加工方法相 比，高速切削具有无
５
姚福新等 高速切削加工刀具材料
可 比拟 的优越 性 。 第 一 、切 削力低 。 由于切 削速度 高 ，导致剪 切 变形 区狭 窄 、剪 切角 增大 、变形 系数减 小和 切屑 流 出速 度快 ，从而 使切 削变形 减 小、切 削力 降低 。尤 其是 法 向切 削 力 ，比常规切 削低 ３％￣９ ％。刀 具 ０ ０ 耐用 度可提 高 ７％，特 别适合 细长类 、薄壁类 以及 ０ 刚性 差 的工 件加 工 。 第 二 、热 变形 小 。在 高速 切 削 时 ，９ ％￣９ ％ ０ ５ 以上 的切削 热来不 及传 给工件 就被 高速流 出的切屑
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学号：1145522222整理人：建国专业：机制高速切削加工刀具材料术摘要：论述了高速切削的概念和优越性，介绍了高速切削加工所使用的先进刀具材料和刀具如：瓷刀具、金刚石刀具、立方氮化硼刀具、涂层刀具的性能特点及其应用，探讨了高速切削刀具材料的发展前景和研究方向。
关键词高速切削刀具材料性能特点瓷CBN 金刚石高速切削(High Speed Machining简称HSM)概念的起源可以追溯到20世纪20年代末，德国切削物理学家Carl．J．Salomon博士1929年进行的超高速切削模拟试验，并于1931年4月发表了著名的超高速切削理论，提出了高速切削的设想。
Salomon指出：在常规的切削围，切削温度随着切削速度的增大而提高(图l中的区域A)。
但是，当切削速度增大到某一数值后，切削速度再增大，切削温度反而下降，并指出峙之值与工件材料的种类有关，对于每一种工件材料，存在一个速度围由于切削温度太高，高于刀具材料所允许的最高温度，任何刀具都无法承受，切削加工不可能进行，这个围被称之为“死谷”。
但是当切削速度进一步提高，超过这个速度围后，切削温度反而降低，同时切削力也会大幅度降低（如区域C）。
他认为对于一些工件材料应该有一个临界的切削速度，在该切削速度下切削温度最高。
在高速切削区进行切削，有可能用现有的刀具进行，从而成倍地提高机床的生产率。
几乎每一种金属材料都有临界切削速度，只是不同材料的速度值不同而已。
高速切削是一个相对的概念。
由于不同的加工方式、不同工件有不同的高速切削围，所以很难就高速切削的速度围给出确切的定义。
高速切削加工不能简单地用某一具体的切削速度值来定义。
切削条件不同，高速切削速度围亦不同。
1992年在CIRP会议上发表了不同材料大致可行的和发展的切削速度围。
可以说，目前各国的切削速度仅在高速阶段，尚未达到CIRP(国际生产工程科学院)所界定的超高速切削阶段。
1 高速切削的优越性与传统的切削加工方法相比，高速切削具有无可比拟的优越性。
第一、切削力低。
由于切削速度高，导致剪切变形区狭窄、剪切角增大、变形系数减小和切屑流出速度快，从而使切削变形减小、切削力降低。
尤其是法向切削力，比常规切削低30％--一90％。
刀具耐用度可提高70％，特别适合细长类、薄壁类以及刚性差的工件加工。
第二热变形小。
在高速切削时，90％～95％以上的切削热来不及传给工件就被高速流出的切屑带走，工件累积热量极少，工件基本上保持冷态，因而不会由于温升导致热变形，特别适合力n-r_易热变形的零件。
第三、材料切除率高。
由于切削速度的大幅度提高，进给速度可提高5～10倍，这样单位时间的材料切除率就大大增加。
故高速切削适用于材料切除率要求大的场合，从而极提高了生产率。
第四、加工精度高。
由于高切削速度和高进给率，使机床的激振频率远高于“机床一工件一刀具”系统的固有频率，工件处于平稳振动切削状态，这就使零件加工能够获得较高的表面加工质量。
高速切肖0加工获得的零件表面加工质量几乎可与磨削相比，且残余应力很小，故可以省去高速切削后的精加工工序。
第五、降低加工成本。
高速切削可以降低加工成本的主要原因包括：单件零件加工时间缩短；许多零件在常规加工时，需要粗、半精、精加工工序，有时加工后还需进行手工研磨，而使用高速切削可使工件集中在一道工序中完成。
这样可以使加工成本大为降低，加工周期大为缩短。
第六、高速切削可以加工难加工的材料。
例如，航空和动力部门大量采用的镍基合金、钛合金，这类材料强度大、硬度高、耐冲击、加工中容易硬化，切削温度高，刀具磨损严重。
2高速切削的先进刀具材料随着高速加工技术的发展，刀具技术也得到了迅猛发展，许多适应高速切削的新刀具不断出现，促进高速切削技术的进步和应用。
高速切削加工要求刀具材料与被加工材料的化学亲合力要小，并具有优异的机械性能、热稳定性、抗冲击和耐磨损。
目前在高速切削中，刀具材料主要以镀膜和未镀膜的硬质合金、金属瓷、氧化铝基或氮化硅基瓷、聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼为主。
刀具的发展主要集中在两个方面：一是研制新的镀膜材料和镀膜方法，以提高刀具的抗磨损性；二是开发新型的高速切削刀具，特别是那些形状比较复杂的刀具。
2．1瓷刀具瓷刀具与硬质合金刀具相比，它的硬度高、耐磨性好；刀具耐用度可比硬质合金高几倍以至十几倍。
瓷刀具在l 200℃以上的高温下仍能进行切削，这时瓷的硬度与200"--600℃时硬质合金的硬度相当。
瓷刀具优良的高温性能使其能够以比硬质合金刀具高3～10倍的切削速度进行加工。
它与钢铁金属的亲和力小、摩擦因数低、抗黏结和抗扩散能力强，加工表面质量好。
另外，它的化学稳定性好，瓷刀具的切削刃即使处于赤热状态也能长时间连续使用，这对金属高速切削有着重要的意义。
近几年来，由于材料科学与制造技术的进步，通过添加各种碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等可改善瓷的性能，还可通过颗粒、晶须、相变、微裂纹和几种增韧机制协同作用提高其断裂韧性、抗弯强度，瓷刀具广泛应用于高速切削、干切削、硬切削以及难加工材料的切削加工。
实现“以车代磨”；瓷刀具的最佳切削速度可以比硬质合金刀具高2～10倍，从而大大提高了生产效率。
当前，瓷刀具材料的进展集中在提高传统刀具瓷材料的性能、细化晶粒、组份复合化、采用涂层、改进烧结工艺和开发新产品等方面，以期获得耐高温性能、耐磨损性能和抗崩刃性能，且能适应高速精密切削加工的要求。
1)氧化铝瓷刀具氧化铝瓷刀具是以A1203为主要成分，添加少量金属氧化物MgO、NiO、、Cr203等，经冷压烧结而成的瓷。
与硬质合金相比，具有硬度高、耐磨性好(是一般硬质合金的5倍)、耐高温和抗黏结性能好以及摩擦因数低等优点，因此适合于高速切削。
作为使用历史最长的刀具材料，氧化铝瓷刀具最适用于高速切削硬而脆的金属材料，如冷硬铸铁或淬硬钢，也可用于大型机械零部件的切削及高精度零件的切削加工。
2)金属瓷刀具金属瓷也叫硬质合金或烧结碳化物，它是瓷一金属，该金属是复合材料以TiC为主要成分的合金，其硬度与耐热性接近瓷而抗弯强度和断裂韧性比瓷高，其中金属碳化物是硬质相，一般占80％以上，其余为铁、钴、镍等金属相作为黏结剂。
金属瓷硬度高，强度低，韧性低，因此不宜在有强烈冲击和振动的情况下使用。
金属瓷的导热性、耐热性、抗黏结性和化学稳定性比高速钢好得多，因此，在刀具材料中获得了广泛应用。
金属瓷的发展方向是超细晶粒化和对其进行表面涂层。
超细晶粒金属瓷可以提高切削速度，可用来制造小尺寸刀具。
以纳米TiN占2％～15％改性的TiC或Ti(CN)基金属瓷刀具，硬度高、耐磨性好，其热稳定性、导热性、耐蚀性、抗氧化性及高温硬度、高温强度等都有明显优势。
与硬质合金刀具相比，该刀具的耐用度和使用寿命提高l～50倍，切削速度提高1．5"-"3倍，成本与其相当或略高，而金属切削加工费用下降20％～40％，与普通Ti(C，N)基金属瓷刀具相比，该刀具可靠性更高。
3)氮化硅瓷刀具氮化硅瓷刀具的硬度仅次于金刚石、立方氮化硼和碳化硼而居第四位，是新一代的瓷刀具。
有较高的硬度、强度和断裂韧性，其硬度为HRA 91～93，抗弯强度为0．7～0．85GPa，耐热性可达l 300"---"1 400℃，具有良好的抗氧化性。
同时它有较小的热膨胀系数(3×10—6／℃)，所以有较好的抗机械冲击性和抗热冲击性。
氮化硅刀具适合于铸铁、高温合金的粗精加工、高速切削和重切削，其切削寿命比硬质合金刀具高几倍至十几倍。
此外，Si3N瓷有自润滑性能，摩擦因数较小，抗黏接能力强，不易产生积屑瘤，且切削刃可磨得锋利。
特别是由于其高的抗热震性及优良的高温性能，使其更适合高速切削及断续切削。
氮化硅瓷刀具还可以切削可锻铸铁、耐热合金等难加工材料。
4)赛隆(Sialon)瓷刀具赛隆瓷以Si3N4为硬质相，A1203为耐磨相，是氮化铝、氧化铝和氮化硅的混合物，在1 800℃进行热压烧结而成的一种单相瓷材料，具有很高的强度，抗弯强度达到1 050～1 450 MPa，比A1203瓷刀具都高，其断裂韧性也是几种瓷刀具中最高，其冲击强度远胜于一般瓷刀具而接近涂层硬质合金刀具。
赛隆瓷刀具具有良好的抗热冲击性能。
与Si3N4相比，它的抗氧化能力、化学稳定性、抗蠕变能力与耐磨性能更高，耐热温度高达1 300℃以上，具有较好的抗塑性变形能力，其冲击强度接近于涂层硬质合金刀具。
赛隆瓷可用于铸铁、镍基合金、钛基合金和硅铝合金的高速切削、强力切削、断续切削加工，是高速加工铸铁和镍基合金的理想刀具材料。
5) 晶须增韧瓷刀具晶须增韧瓷是在Si3N4基体中加入一定量的碳化物晶须而成，可增加瓷材料的抗弯强度，使得瓷材料获得高硬度和高韧性。
晶须强化的作用是通过相变换实现的。
相变换的作用是抑制刀具的破裂，由于材料结构的改变，在刀尖上引起破裂的能量被吸收和扩散，使刀具材料得到强化，提高了抗弯强度和韧性。
由于它具有抗冲击韧度好、抗热冲击性能强的特点，可以高速加工淬硬钢(达到HRC 65)和中等硬度的钢，而且可以在加切削液的条件下进行切削，这是别的瓷刀具所不具备的。
2．2金刚石刀具金刚石是碳的同素异构体，它是自然界已经发现的最硬的一种材料。
金刚石刀具具有高硬度、高耐磨性和高导热性能，在有色金属和非金属材料加工中得到广泛的应用。
尤其在铝和硅铝合金高速切削加工中，金刚石刀具是难以替代的主要切削刀具。
金刚石刀具有两种，单晶金刚石刀具和多晶金刚石刀具，多晶金刚石刀具包括聚晶金刚石(PCD)刀具和化学气相沉积(CVD)金刚石刀具。
单晶金刚石又可分为天然单晶金刚石和人工合成单晶金刚石。
天然单晶金刚石刀具是将经研磨加工成一定几何形状和尺寸的单颗粒大型金刚石，用焊接式、粘接式、机夹式或粉末冶金方法固定在刀杆或刀体上，然后安装在精密机床上使用。
天然单晶金刚石刀具经过精细研磨，刃口能磨得极其锋利，刃口半径可达0．002 grn，能实现超薄切削。
再加上它与被加工材料之间的摩擦因数小，抗粘接性好，与非铁金属无亲和力，热膨胀系数小及导热系数高等特点，天然金刚石刀具可以加工出极高的工件精度和极低的表面粗糙度。
因此，天然金刚石刀具切削也称镜面切削，天然金刚石刀具是一致公认的、理想的和不能代替的超精密加工刀具。
主要用于铜及铜合金、铝及铝合金以及金、银等贵重金属特殊工件的超精加工。
单晶金刚石用于制作切削刀具必须是大颗粒，由于人工合成大颗粒单晶金刚石制造技术复杂，生产率低，制造成本高。
目前，单晶金刚石刀具绝大部分为天然单晶金刚石制成。
20世纪70年代初，美国GE公司研制成功聚晶金刚石(PCD)刀片以后，在很多场合下天然金刚石刀具已经被人造聚晶金刚石所代替。
虽然PCD 的硬度低于单晶金刚石，但PCD属各向同性材料，使得刀具制造中不需择优定向；由于PCD结合剂具有导电性，使得PCD便于切割成型，且成本远低于天然金刚石；PCD原料来源丰富，其价格只有天然金刚石的几十分之一至十几分之一。