黃春蓮

（長(zhǎng)沙職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

金屬切削刀具是機(jī)械制造過(guò)程中必不可少的一類輔助設(shè)備，憑借刀具和工件的相互作用力來(lái)切除原材料上的多余金屬，將原材料切削加工為特定造型和尺寸的工件，金屬切削刀具應(yīng)用的合理與否，直接影響到工件加工精度與機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量，其重要性不言而喻?，F(xiàn)階段，我國(guó)機(jī)械制造行業(yè)正處于轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)期，對(duì)金屬切削刀具的應(yīng)用效果進(jìn)行改進(jìn)，是進(jìn)一步提高工件加工精度和生產(chǎn)效率的必由之路，本文就此開展研究。

1 金屬切削刀具在機(jī)械制造過(guò)程中的應(yīng)用價(jià)值

1.1 提高機(jī)械加工水平

從國(guó)內(nèi)外機(jī)械制造行業(yè)的發(fā)展歷程來(lái)看，金屬切削刀具的應(yīng)用與創(chuàng)新，顯著推動(dòng)了整個(gè)行業(yè)的發(fā)展進(jìn)程，使得機(jī)械制造行業(yè)邁向了全新發(fā)展階段，行業(yè)發(fā)展與刀具應(yīng)用保持著極為緊密的內(nèi)在聯(lián)系。例如，在金剛石刀具的基礎(chǔ)上研發(fā)出了SPDT單點(diǎn)金剛石切削技術(shù)，選用納米單晶金剛石刀具作為切削刀具，把工件形狀精度以及表面粗糙度提升到納米級(jí)精度水準(zhǔn)，可使用這類刀具加工非球面大型零件、激光核聚變反射鏡等精密機(jī)械及光學(xué)部件，極大地提升了機(jī)械加工水平。

1.2 提高機(jī)械制造效率

在早期機(jī)械制造生產(chǎn)活動(dòng)中，由于受到工藝技術(shù)與工具的限制，普遍由通用機(jī)床采取鉆、磨等方法來(lái)初步加工零件，再由鉗工對(duì)零件開展修配作業(yè)，把大量造型簡(jiǎn)單的工件組裝形成機(jī)械設(shè)備整機(jī)或是單獨(dú)機(jī)構(gòu)，實(shí)際生產(chǎn)效率較低。而如果使用金屬切削刀具，就可以直接采取切削加工的方式，切除零件上的多余部分，在短時(shí)間內(nèi)加工成特定造型尺寸的工件，以此來(lái)簡(jiǎn)化鉗工修配等生產(chǎn)步驟。同時(shí)，得益于金屬切削刀具的更新迭代，使用快速切削刀具和精密切削刀具進(jìn)一步縮短了機(jī)械制造周期，可以一次性加工獲得造型輪廓復(fù)雜的工件。例如在生產(chǎn)航空部件時(shí)，可以借助金屬切削刀具直接把零件加工為鋁合金薄壁構(gòu)件，無(wú)需分別加工若干工件后再進(jìn)行鉚接組裝，對(duì)機(jī)械制造效率的提升有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1.3 適應(yīng)復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)境

在機(jī)械制造過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境較為惡劣，所使用的加工刀具往往會(huì)受到相互作用力、高溫條件、腐蝕性流體侵蝕和高壓條件等諸多因素影響，時(shí)常出現(xiàn)刀具變形破裂等質(zhì)量問(wèn)題，對(duì)機(jī)械制造的質(zhì)量、生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本造成顯著影響。例如，從生產(chǎn)效率的角度來(lái)看，如果加工刀具頻繁損壞，不但需要占用一定時(shí)間來(lái)更換全新刀具，還有可能引發(fā)工件破損、機(jī)床損壞等連鎖問(wèn)題，干擾正常加工秩序，導(dǎo)致需要重新加工零件。而隨著新型金屬切削刀具的推出以及CVD化學(xué)氣相沉積和超硬涂層等刀具涂層技術(shù)的發(fā)展，極大地延長(zhǎng)了金屬切削刀具的實(shí)際使用壽命，使得刀具可以在復(fù)雜條件下長(zhǎng)時(shí)間維持穩(wěn)定結(jié)構(gòu)狀況和良好工況，不僅提高了加工質(zhì)量與生產(chǎn)效率，還減少了實(shí)際生產(chǎn)成本[1]。

2 機(jī)械制造過(guò)程中的金屬切削刀具應(yīng)用策略

2.1 合理選用刀具材質(zhì)

早期金屬切削刀具的材質(zhì)較為單一，以高碳工具鋼為主，在實(shí)際加工期間暴露出切削速度低、刀具頻繁斷裂、老化磨損速度過(guò)快等多項(xiàng)問(wèn)題，一般情況下的切削速度不足5 m/min。為滿足機(jī)械制造需要，近年來(lái)市場(chǎng)上陸續(xù)推出硬質(zhì)合金、高速工具鋼、超硬刀具等多種材質(zhì)的金屬切削刀具，不同材質(zhì)刀具的實(shí)際表現(xiàn)和適用場(chǎng)景存在明顯差異，需要結(jié)合機(jī)械制造生產(chǎn)的需要來(lái)選擇恰當(dāng)材質(zhì)的金屬切削刀具，具體如下。

1）高速工具鋼。對(duì)高熱條件下的刀具硬度有著嚴(yán)格要求，或是對(duì)刀具形狀有著特殊要求時(shí)，優(yōu)先選用高速工具鋼材質(zhì)的金屬切削刀具。由釩、鎢、鉻、鈷等材料制成的高彈高合金萊氏體鋼，能夠在500℃～600 ℃的高溫條件下保持60 HRC及以上的硬度，預(yù)先進(jìn)行熱處理時(shí)的硬度超過(guò)63 HRC，這類材質(zhì)的刀具還有著十分優(yōu)異的可塑性與韌性，多用作麻花鉆、鉸刀、精車刀等的刀具。

2）硬質(zhì)合金。對(duì)刀具使用壽命與硬度有著嚴(yán)格要求時(shí)，推薦使用硬質(zhì)合金材質(zhì)的金屬切削刀具，這種刀具由硬質(zhì)碳化物添加適量金屬結(jié)合劑制成，在常溫下可保持69 HRC～81 HRC的硬度，在1 000℃左右的高溫條件下仍可保持60 HRC左右的硬度，且使用壽命較長(zhǎng)，在機(jī)械制造期間無(wú)需頻繁更換切削刀具[2]。

3）超硬刀具。在切削硬脆材料，并要求工件加工精度保持在1 μm的水準(zhǔn)時(shí)，則選用超硬材質(zhì)的金屬切削刀具，這種刀具由金剛石和立方氮化硼材料制成，并在刀具表面涂抹一層基體薄膜，多用于完成球面、平面反射鏡等表面高度光潔的工件。同時(shí)，由于超硬材質(zhì)切削刀具的韌性較差，在選用這類刀具時(shí)，必須準(zhǔn)確地計(jì)算其在機(jī)械制造過(guò)程中實(shí)際承受的沖擊力，并據(jù)此調(diào)整切削進(jìn)給量、切削速度等工藝參數(shù)，避免出現(xiàn)刀具斷裂等問(wèn)題。

2.2 合理選用刀具種類

在我國(guó)機(jī)械制造行業(yè)發(fā)展歷程中，為滿足不同場(chǎng)景下的生產(chǎn)需要，制造企業(yè)持續(xù)開展金屬切削刀具的研發(fā)工作，逐漸形成了多種類的刀具體系，常用種類包括低溫切削刀具、快速切削刀具、干式切削刀具三種，各類刀具的加工方法和適用條件皆有所不同，具體如下。

1）低溫切削刀具。搭配應(yīng)用冷切削工藝和低溫切削刀具，提前把工件放置在低溫環(huán)境中冷卻一段時(shí)間，待工件溫度達(dá)標(biāo)后，在低溫狀態(tài)下控制刀具開展切削作業(yè)，憑借刀具自身導(dǎo)熱性能來(lái)吸收切削過(guò)程中釋放的絕大多數(shù)熱量，以此來(lái)維持切削點(diǎn)溫度，保持刀具表面鋒利狀態(tài)。對(duì)這類刀具的應(yīng)用，既可以通過(guò)控制溫度來(lái)維持較高的加工精度水準(zhǔn)，同時(shí)，還可以完全取消切削液，從而降低機(jī)械制造成本，實(shí)現(xiàn)機(jī)械綠色制造目標(biāo)。但這種刀具對(duì)切削速度有著嚴(yán)格要求，如果切削速度過(guò)快，會(huì)在刀具與工件表面接觸時(shí)釋放過(guò)多熱量，無(wú)法維持低溫狀態(tài)[3]。

2）快速切削刀具。選用PCD金剛石、陶瓷、CBN立方氮化硼等材質(zhì)制成的切削刀具，這類刀具的硬度相對(duì)較高，可以在高速切削狀態(tài)下保證不出現(xiàn)震動(dòng)現(xiàn)象，在極短的時(shí)間內(nèi)完成工件加工任務(wù)，相比于傳統(tǒng)的切削加工方式而言，可以延長(zhǎng)切削刀具70%的壽命，提高30%～40%不等的單位功率金屬切除率并降低30%的切削力。但與此同時(shí)，在使用快速切削刀具時(shí)，刀尖的磨損速度遠(yuǎn)超過(guò)其他部位，在長(zhǎng)時(shí)間切削后易出現(xiàn)刀尖變薄現(xiàn)象，因而需要對(duì)刀尖采取額外的保護(hù)措施。

3）干式切削刀具。這類刀具是憑借刀具和加工零件二者在接觸過(guò)程中的摩擦生熱來(lái)提高溫度，在高溫條件下開展切削工作，僅需使用少量切削液或完全不使用切削液，即可順利完成加工任務(wù)。要求選用具備良好耐熱性與高強(qiáng)度的切削刀具，避免因前后傾斜度差值過(guò)大而在加工期間出現(xiàn)嚴(yán)重磨損或刀具斷裂的現(xiàn)象。與此同時(shí)，在應(yīng)用此類刀具時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注溫度控制和摩擦系數(shù)控制兩項(xiàng)問(wèn)題。其一，對(duì)于切削溫度，要根據(jù)零件加工要求與所選刀具的硬度來(lái)計(jì)算最佳的溫度值，調(diào)節(jié)切削速度等工藝參數(shù)來(lái)控制實(shí)時(shí)溫度，確保加工溫度在刀具強(qiáng)度的可承受范圍內(nèi)。其二，對(duì)于摩擦系數(shù)，可以在機(jī)床上安裝微量潤(rùn)滑系統(tǒng)，當(dāng)?shù)毒咔邢髁慵r(shí)，啟動(dòng)噴油裝置向切削點(diǎn)、刀具刀尖等部位噴涂微量潤(rùn)滑油，由潤(rùn)滑油取代切削液起到潤(rùn)滑作用[4]。

2.3 制備刀具涂層

刀具涂層屬于一類表面改性技術(shù)，在金屬切削刀具表面施加特定種類基體的涂層，由上部涂層和下部刀具共同組成全新結(jié)構(gòu)體系，起到改善切削效果、強(qiáng)化刀具綜合機(jī)械性能的作用[5]。目前來(lái)看，在機(jī)械制造過(guò)程中，常用的刀具涂層技術(shù)分為CVD化學(xué)氣相沉積法和PVD物理氣相沉積法兩種。CVD法是在切削刀具表面涂刷TiN或TiC的單一涂層，或是涂刷TiCN等多元復(fù)合涂層，將涂層厚度控制在8 μm左右，起到預(yù)防刀具崩刃、阻止裂紋擴(kuò)散、提高顯微硬度等作用。而PVD法是采取氣體放電手段來(lái)強(qiáng)制分離氣體離子，控制氣體離子來(lái)轟擊刀具，在刀具基底上沉積反應(yīng)物形成膜層，主要起到減少刀具磨損量的作用。相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果顯示，在切削深度為1 mm，走刀速度為180 m/min，進(jìn)給量為0.2 mm，持續(xù)切削時(shí)間為5 min，工件材料為ST13的情況下，無(wú)涂層刀具的切削磨損量為0.29 mm，CVD涂層刀具磨損量為0.13 mm，PVD涂層刀具磨損量為0.08 mm，涂層的抗磨損效果十分顯著。此外，還可以在金屬切削刀具的預(yù)處理環(huán)節(jié)應(yīng)用到新推出的超硬涂層技術(shù)，使用金屬氮化物與硼化物等物質(zhì)制備涂層材料，采取電子回旋共振等方法在刀具表面沉積形成金剛石薄膜。這類涂膜有著極高的強(qiáng)度、硬度與優(yōu)異的熱化學(xué)穩(wěn)定性，可以將金屬切削刀具的實(shí)際使用壽命延長(zhǎng)到原來(lái)的1.5～3倍，例如理想狀態(tài)下的薄膜顯微硬度可以達(dá)到61.8 GPa[6]。

2.4 金屬切削刀具優(yōu)化設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的金屬切削刀具的造型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，普遍選用整體式結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)毒咔邢鞑课怀霈F(xiàn)鈍化、缺口、變形等質(zhì)量缺陷時(shí)，會(huì)對(duì)工件加工精度造成明顯影響，使得刀具無(wú)法繼續(xù)開展精密加工作業(yè)，導(dǎo)致刀具報(bào)廢，實(shí)際使用壽命遠(yuǎn)低于預(yù)期。同時(shí)，早期切削刀具的剛度、通氣、散熱、耐磨等多方面性能都有所不足，在長(zhǎng)時(shí)間切削零件時(shí)，暴露出存在多項(xiàng)問(wèn)題有待解決。對(duì)此，在確定切削刀具的材質(zhì)與種類后，制造企業(yè)還應(yīng)對(duì)刀具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

例如，從結(jié)構(gòu)形式的角度來(lái)看，可以選用轉(zhuǎn)位式、焊接式以及機(jī)夾式等類型的刀具結(jié)構(gòu)。在需要滿足多種零件加工要求時(shí)選用焊接式刀具結(jié)構(gòu)，在同步采取鏜孔與切削工藝時(shí)選用機(jī)夾式刀具結(jié)構(gòu)，在對(duì)斷屑穩(wěn)定性有著嚴(yán)格要求時(shí)選用可轉(zhuǎn)位式刀具結(jié)構(gòu)。同時(shí)，還可以對(duì)刀具的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，例如在刀具中心部位預(yù)留適當(dāng)尺寸的孔洞來(lái)改善其散熱通氣性能[7]。

而從參數(shù)優(yōu)化的角度來(lái)看，工作人員應(yīng)使用仿真軟件，構(gòu)建切削模型，開展不同假定條件和不同結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)的仿真模擬試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)計(jì)算切削刃鈍圓半徑、切削刃寬度、前角、后角等參數(shù)的最佳值，從而將零件切削加工過(guò)程中的切削溫度應(yīng)力情況、切削區(qū)形狀、工件表面應(yīng)力控制在合理范圍內(nèi)。

2.5 使用切削液

在機(jī)械制造過(guò)程中，在刀具切削零件時(shí)向切削表面噴涂適量的切削液，切削液將同時(shí)起到潤(rùn)滑、清洗、冷卻、防銹等多重作用，有利于延長(zhǎng)刀具使用壽命和提高工件加工質(zhì)量。以清洗作用為例，切削液可以沖洗掉刀具表面與零件表面因切削形成的切屑、鐵粉、砂礫以及磨屑，讓切削刀口始終保持鋒利狀態(tài)，并在使用水基切削液時(shí)于工件表面形成一層吸附膜，在膜體上吸附粒子、油泥等雜質(zhì)，讓這類雜質(zhì)隨著切削液一并流下。此外，需要根據(jù)切削工藝參數(shù)、刀具類型與零件加工要求來(lái)選用恰當(dāng)品種的切削液。例如，在切削速度超過(guò)60 m/min的情況下，不得使用含極壓添加劑的油基切削液，因?yàn)檫@類切削液的傳熱冷卻效果較差，在高速切削加工狀態(tài)下，無(wú)法快速吸收切削摩擦所釋放的熱量，導(dǎo)致切削部位溫度持續(xù)升高而出現(xiàn)工件熱變形等問(wèn)題，這種情況下，可選用水基切削液[8]。

2.6 測(cè)定修正切削參數(shù)

在零件切削加工過(guò)程中，受到工件與刀具自身剛性、刀具角度、刀具磨損、溫度應(yīng)力等因素影響，會(huì)產(chǎn)生一定的加工誤差，具體表現(xiàn)為端面平整度超差、圓柱度超差等問(wèn)題。這不但會(huì)降低工件加工質(zhì)量，還會(huì)加快金屬切削刀具的老化磨損速度，甚至有可能出現(xiàn)刀具斷裂等故障[9]。對(duì)此，需要建立自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，在金屬切削刀具周邊擺放若干種類的探測(cè)器，持續(xù)對(duì)切削幾何角度、刀柄位置、切削深度、工具運(yùn)動(dòng)軌跡與工具實(shí)時(shí)坐標(biāo)值等工藝參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)比檢測(cè)值與額定值，如果檢測(cè)值超出或臨近額定值，則在系統(tǒng)界面上進(jìn)行提示，并由控制系統(tǒng)下達(dá)糾偏指令，對(duì)偏離工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。以刀具刀柄位置為例，在工件切削加工過(guò)程中，應(yīng)該始終將刀具刀柄軸線與運(yùn)動(dòng)方向保持為垂直狀態(tài)或平行狀態(tài)。此外，為取得理想的切削加工效果，在開展加工作業(yè)前，工作人員還應(yīng)綜合分析工件造型尺寸、零件材質(zhì)、刀具材質(zhì)種類、涂層性能等多方面因素，必要時(shí)開展仿真模擬試驗(yàn)，確定主偏角、前角、切削深度等工藝參數(shù)的最佳值。唯有如此，才能在后續(xù)切削加工期間把各項(xiàng)參數(shù)控制在合理范圍內(nèi)。例如，對(duì)于刀具前角，一般情況下設(shè)定為20°，這樣可以將前角摩擦力控制在合理范圍內(nèi)，并改善切削效果[10]。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著金屬切削刀具性能的不斷提升，其在機(jī)械制造過(guò)程中發(fā)揮著愈發(fā)重要的作用，充分滿足了機(jī)械制造加工的各項(xiàng)需求。制造企業(yè)理應(yīng)提高對(duì)金屬切削刀具的重視程度，肯定切削刀具的應(yīng)用價(jià)值，合理選用刀具材質(zhì)與種類，制備刀具涂層，進(jìn)行刀具優(yōu)化設(shè)計(jì)，使用切削液，測(cè)定修正切削參數(shù)，圍繞金屬切削刀具來(lái)構(gòu)建一套完善的機(jī)械制造切削加工體系。