摘要：高速切削和干切削已發(fā)展成為現(xiàn)代切削加工技術(shù)的重要趨勢，有力推動著刀具材料和結(jié)構(gòu)，以及刀具裝夾結(jié)構(gòu)等*切削技術(shù)的日新月異和推廣應(yīng)用。
圖1 應(yīng)用山高cbn300加工機床床身導(dǎo)軌（切削速度380m/min、進給量0.42mm/tooth、切削深度0.4mm，無冷卻液），驗證其刀具壽命超出黑色陶瓷30倍。
隨著數(shù)控機床和加工中心等設(shè)備應(yīng)用的日漸普及，在航空航天、汽車、高速列車、風(fēng)電、電子、能源、模具等裝備制造業(yè)的發(fā)展推動下，切削加工已邁入了一個以高速、和環(huán)保為標志的高速加工發(fā)展的新時期—現(xiàn)代切削技術(shù)階段。
高速切削、干切削和硬切削作為當(dāng)前切削技術(shù)的重要發(fā)展趨向，其重要地位和角色日益凸顯。對這些*切削技術(shù)的應(yīng)用，不僅令加工效率成倍提高，亦著實推動了產(chǎn)品開發(fā)和工藝創(chuàng)新的進程。例如，精密模具硬質(zhì)材料的型腔，采用高轉(zhuǎn)速、小進給量和小吃深加工，既可獲得很高的表面質(zhì)量，又能夠省卻磨削、edm和手工拋光或減少相應(yīng)工序的時間，從而縮短生產(chǎn)工藝流程，提高生產(chǎn)率。
過去一些企業(yè)制作復(fù)雜模具時，基本上都需要3~4個月才能交付使用，而現(xiàn)在采用高速切削加工後，半個月便可完成。據(jù)調(diào)查，一般的工模具，有60%的機加工量可用高速加工工藝來實現(xiàn)。
高速加工時，不但要求刀具可靠性高、切削性能好、能穩(wěn)定地斷屑和卷屑、還要能達成高精度，并能實現(xiàn)快換或自動更換等。因此，對刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)、以及刀具的裝夾都提出了更高要求。
對刀具材料的要求
高速加工刀具zui突出的要求是，既要有高的硬度和高溫硬度，又要有足夠的斷裂韌性。為此，須選用細晶粒硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金、陶瓷、聚晶金剛石（pcd）和聚晶立方氮化硼（pcbn）等刀具材料—它們各有特點，適應(yīng)的工件材料和切削速度范圍也都不同。例如，高速加工鋁、鎂、銅等有色金屬件，主要采用pcd和cvd金剛石膜涂層刀具。高速加工鑄件、淬硬鋼（50~67hrc）和冷硬鑄鐵主要用陶瓷刀具和pcbn刀具。
上海大眾汽車有限公司采用seco刀具（上海）公司生產(chǎn)的立方氮化硼cbn300刀片面銑刀，在柔性生產(chǎn)線上高速銑削發(fā)動機缸體平面（鑄件），切削速度高達1600m/min，進給速度5000mm/min。用pcd刀具加工鋁合金的切削速度一般為3000-4000m/min，zui高更可達7500m/min。而用陶瓷和pcbn刀具加工淬硬鋼和冷硬鑄鐵時的切削速度已達200m/min。
1. 硬質(zhì)合金已邁入細晶粒超細晶粒階段
涂層硬質(zhì)合金刀具（如tin、tic、ticn、tialn等）雖其加工工件材料范圍廣，但抗氧化溫度一般不高，所以通常只宜在400-500m/min的切削速度范圍內(nèi)加工鋼鐵件。對於inconel 718高溫鎳基合金可使用陶瓷和pcbn刀具。據(jù)報道，加拿大學(xué)者用sic晶須增韌陶瓷銑削inconel 718合金，推薦*的切削條件為：切削速度700m/min，吃深為1-2mm，每齒進給量為0.1-0.18mm/z。
目前，硬質(zhì)合金已進入細晶粒（1-0.5μm）和超細晶粒（<0.5μm）的發(fā)展階段，過去細晶粒多用於k類（wc+co）硬質(zhì)合金，近幾年來p類（wc+tic+co）和m類（wc+tic+tac或nbc+co）硬質(zhì)合金也向晶粒細化方向發(fā)展。
以往，為提高硬質(zhì)合金的韌性，通常是增加鈷（co）的含量，由此帶來的硬度降低如今可以通過細化晶粒得到補償，并使硬質(zhì)合金的抗彎強度提高到4.3gpa，已達到并超過普通高速鋼（hss）的抗彎強度，改變了人們普遍認為p類硬質(zhì)合金適於切鋼、而k類硬質(zhì)合金只適於加工鑄鐵和鋁等有色金屬的選材格局。
采用wc基的超細晶粒k類硬質(zhì)合金，同樣可加工各種鋼料。細晶粒硬質(zhì)合金的另一個優(yōu)點是刀具刃口鋒利，尤其適於高速切削粘而韌的工件材料。以日本不二越公司開發(fā)的aqua麻花鉆為例，其用細晶粒硬質(zhì)合金制造，并涂覆耐熱、耐摩擦的潤滑涂層，在高速濕式加工結(jié)構(gòu)鋼和合金鋼（scm）時，切削速度200m/min，進給速度1600mm/min，加工效率提高了2.5倍，刀具壽命提高2倍；干式鉆孔時，切削速度150m/min，進給速度1200mm/min。
2. 涂層提升到開發(fā)厚膜、復(fù)合和多元涂層的新階段
現(xiàn)如今，涂層已進入到開發(fā)厚膜、復(fù)合和多元涂層的新階段，新開發(fā)的ticn、tialn多元超薄、超多層涂層（有的超薄膜涂層數(shù)可多達2000層，每層厚約1nm）與tic、tin、al2o3等涂層的復(fù)合，加上新型抗塑性變形的基體，在改善涂層的韌性、涂層與基體的結(jié)合強度、提高涂層的耐磨性方面有了重大進展，全面提高了硬質(zhì)合金的性能。
涂層刀具已成為現(xiàn)代切削刀具的標志，在刀具中的使用比例達到60%。涂層硬質(zhì)合金刀具的產(chǎn)品現(xiàn)已呈現(xiàn)品牌化、多樣化和通用化的趨向。例如，德國施耐爾（schnell）公司用納米技術(shù)推出的一種超長壽命ll涂層立銑刀，用其加工零件硬度超過70hrc淬硬模具鋼材時，刀具壽命可延長2-3倍。
瑞典sandvik公司新推出的3種涂層刀片（gc4225、gc4240、gc1030）具有較廣的通用性，gc4225（突破一號）作為gc4025（p25）牌號的升級產(chǎn)品，用其加工汽車曲軸鋼鍛件時，在相同切削條件下的刀具壽命為每個切削刃可加工41個零件，而gc4025每個切削刃能加工的零件數(shù)目為14個。
山高（seco）jabro全新推出的整體硬質(zhì)合金通用加工銑刀solid2 系列刀具不僅采用了新材質(zhì)，更導(dǎo)入新的涂層，可適用的加工溫度由普通刀具的800攝氏度提高到了現(xiàn)有的1100攝氏度，顯著提高了加工效率和刀具壽命。同時，solid2 系列均采用了刃口鈍化處理和徑向全周鏟背處理技術(shù)，使得刀具的涂層與材質(zhì)結(jié)合更加，刀具的可重磨次數(shù)也大幅提高。
圖2 山高jabro推出的solid2 系列銑刀
美國kennametal公司推出的h7刀片系tialn涂層，專為高速銑削合金鋼、高合金鋼和不銹鋼而設(shè)計。而德國guhring公司推出的商品名為“fire”的孔加工刀具涂層，則是一種通用性的復(fù)合涂層—融匯有tin、ticn和tialn三種涂層，兼具這三種涂層材料的優(yōu)點，既適用於干切削和硬切削，也適合普通切削。
特別值得強調(diào)的是，近幾年發(fā)展起來的在硬質(zhì)合金表面涂覆金剛石的技術(shù)，使硬質(zhì)合金不僅在黑色金屬領(lǐng)域，而且在有色金屬領(lǐng)域中的切削效率獲得了全面提高。由此可知，硬質(zhì)合金今後仍將是制作高速加工刀具的主要基體材料。
目前，美國、瑞典和日本都相繼推出了金剛石涂層的絲錐、鉆頭、立銑刀和帶斷屑槽可轉(zhuǎn)位刀片（如sandvik公司的cd1810和美國kennametal公司的kcd25牌號）等產(chǎn)品，用於有色金屬和非金屬材料的高速精密加工。而另一種適於加工鋼鐵材料的cbn涂層也已開發(fā)成功，并正走向工業(yè)試用階段。
對刀具幾何參數(shù)和斷屑槽的要求
1. 幾何參數(shù)
高速切削和干切削時，刀具的主要失效原因是月牙洼磨損和刀尖處的熱磨損。這是由於刀具與切屑、以及刀具與工件接觸區(qū)界面上溫度較高所引起的。因此，高速加工比普通切削加工時的刀具前角要取得稍大一些，以降低切削區(qū)溫度，并在刃口上作出負倒棱。
為防止刀尖處熱磨損，主副切削刃連接處應(yīng)采用修圓刀尖或倒角刀尖，以增大刀尖角，加大刀尖附近刃區(qū)切削刃的長度和刀頭材料的體積，以提高刀具剛性和減少切削刃破損的概率。
美國carboloy公司推出的一種適於干切削用的me-13新型硬質(zhì)合金刀片，其具有大前角（達34°）、加強刃并有一個帶筋的前刀面，顯著減少了切屑與刀片前刀面之間的接觸面積，使產(chǎn)生熱量被切屑帶走。據(jù)稱，這種刀片工作時的溫度比傳統(tǒng)刀片要低400℃，能顯著減小切削力并使刀具壽命提高一倍以上。該公司用大前角的涂層硬質(zhì)合金齒冠立銑刀高速銑削硬度高達55hrc模具鋼時，切削速度120m/min，進給速度7.6m/min，軸向吃深0.51mm，徑向吃深0.25mm，采用干式切削，刀具使用壽命則長達1.5h。
國外還開發(fā)了帶正前角的螺旋形切削刃銑削刀片，使刀具有更合理的幾何參數(shù)，刀片沿切削刃幾乎有恒定不變的前角，背前角或側(cè)前角可由負變正或由小變大，切削更加輕快平穩(wěn)，使可轉(zhuǎn)位面銑刀、立銑刀和槽銑刀的切削性能提高到一個新的水平，刀具壽命可提高50%-250%，切削效率提高30%-40%。
美國一家公司采用這種新型刀片制作的立銑刀干銑削17-4ph不銹鋼的周邊，切削用量為：銑削速度304m/min，進給速度1270mm/min，每齒進給量為0.14mm/z，20s去除余量36cm3。
2. 斷屑槽型
為能穩(wěn)定地斷屑和卷屑，刀片上須作出合適的斷屑槽型。目前，可轉(zhuǎn)位刀片上三維曲面斷屑槽型的設(shè)計和制造技術(shù)已較為成熟，針對不同的工件材料和不同的切削用量，業(yè)已開發(fā)出相應(yīng)的通用斷屑槽型系列。
如瑞典sandvik公司推出的r、m和f等槽型系列（鋼材粗加工、半精加工和精加工相應(yīng)采用pr、pm和pf的槽型，切不銹鋼時用mr、mm和mf的槽型，切鑄件和有色金屬用kr、km和kf的槽型），以及以色列iscar公司以“霸王刀”為典型的槽型設(shè)計都獨樹一幟。
這些刀片上斷屑槽的斷屑范圍寬，適應(yīng)性好。它們都具有空間切削刃和曲面前刀面，切削刃上的法前角可調(diào)整為零度或負值，而工作前角為合適的正值，所以切削力小，刃口強度高，抗高速時的磨損能力強，預(yù)示著高速加工刀具刃形結(jié)構(gòu)發(fā)展的方向。
開發(fā)與采用新型刀具，以適應(yīng)現(xiàn)代切削技術(shù)需求
近幾年來，工具行業(yè)為汽車和摩托車、高速列車、航空航天和模具等行業(yè)開發(fā)的各種新型刀具，具有或創(chuàng)新工藝的特點，對推動這些行業(yè)加工技術(shù)的進步起到了重要作用。
1. 應(yīng)對用戶行業(yè)需求 各公司頻推新品
如德國guhring公司推出的加工鋁合金缸蓋用的成套刀具（包括面銑刀、導(dǎo)管孔閥門座復(fù)合鏜刀、階梯孔鏜刀、整體硬質(zhì)合金直槽鉆、階梯鉆、鍃鉆等）；日本東芝公司的陶瓷銑刀、金剛石銑刀（銑削速度高達4000 m/min）及硬質(zhì)合金孔加工刀具；sandvik公司推出的coropak08.1新一代刀具（覆蓋了銑削、車削和鉆削等領(lǐng)域），如coromill 490方肩銑刀，一次走刀即可生產(chǎn)出成品（zui大吃深可達5.5mm），也可用於輪廓加工和刃邊切削，甚至用於槽銑。
圖3 sandvik公司*牌號的coromill 490銑刀
還有iscar公司新研發(fā)的sumo（束魔）全系列刀具產(chǎn)品，如用於模具加工而能替代高速鋼（hss）立銑刀和整體硬質(zhì)合金立銑刀的變形金剛立銑刀、適於銑深腔（切深達8 mm）的風(fēng)火輪銑刀，以及高進給率密齒型銑刀（用迷你型蝴蝶刀片）、可銑削的upgrade銑刀、能同時完成粗精加工的波形刃立銑刀；日立公司新研發(fā)的asr多刃型高進給圓弧角銑刀，能對模具型腔進行小切深高進給加工，用φ32mm-5刃圓弧角銑刀（使用jx1045超潤滑涂層刀片）銑削40crmnmo7鋼材時，切削用量為：銑削速度300m/min（轉(zhuǎn)速3000r/min），進給速度為過去2刃銑刀的2.5倍，可達50m/min，每齒進給量3.3mm/z，切深0.3mm。
山高車削新材質(zhì)等級tp3500已於近日全新推出，這使得該公司用於iso p應(yīng)用領(lǐng)域（鋼件車削）的duratomictm材質(zhì)等級系列進一步得到充實。tp3500的良好韌性能滿足更多客戶的需求，它提供的韌性水平同樣也適於iso m應(yīng)用領(lǐng)域（不銹鋼車削）。
tp3500在各種加工（從精加工到重載斷續(xù)切削）中均能發(fā)揮出同樣的高超性能。無論是處理粗加工和斷續(xù)車削、小零件車削還是不銹鋼車削，即便是惡劣的工況，新型duratomic tp3500材質(zhì)等級的高韌性都將確保加工的率。tp3500可靠、通用，而且干、濕加工均可。因此，它是采用混合生產(chǎn)時的一個理想選擇。
值得一提的是，為滿足汽車制造業(yè)和其它行業(yè)不斷增長的需求，kennametal集團旗下德國widia公司開發(fā)出了一系列成套刀具。在加工曲軸方面，它擁有曲軸內(nèi)銑、曲軸高速外銑、車拉、車車拉等各種刀具。如采用多排車車拉刀具，可32秒加工出一根曲軸，據(jù)稱世界上已有1800多個用戶在使用widia公司刀具進行曲軸生產(chǎn)。
美國kennametal公司近年來推出的spf鉆頭和harvi ⅱtm系列整體立銑刀，深受用戶青睞，前者適於加工航空航天工業(yè)中的碳纖維強化聚合物基復(fù)合材料（cfrp），這種材料大量地使用在機翼、機身、尾翼、推進和著陸等裝置中。
spf鉆頭的鉆尖具有特殊幾何形狀，使得鉆頭定心性好且令刃口十分鋒利，避免了鉆孔時產(chǎn)生分層和纖維不能切斷的現(xiàn)象；鉆頭的基體材料為整體硬質(zhì)合金，表面是多層光滑的cvd金剛石涂層，故其耐磨性高、排屑性能好，鉆頭的使用壽命可達普通pcd（聚晶金剛石）鉆的2倍以上。
harvi ⅱtm系列整體立銑刀是加工不銹鋼及鈦合金、鎳基合金等耐加工材料的刀具，其特點是5刃、38°大螺旋角、帶刀尖圓角、刃間非對稱設(shè)計、刃溝截面形狀為拋物線、采用altin（mt） 涂層，因此能適應(yīng)率加工。
與此同時，一些非常通用、經(jīng)濟且的刀具也以其能夠為用戶帶來zui大經(jīng)濟效益的競爭優(yōu)勢，成為性廠商熱推的新品。山高於今年10月全新推出的double octomill雙八面刃平面銑刀便是這樣一款產(chǎn)品，它同時適用於粗、精加工。
這款雙八面刃平面銑刀使用正前角刀片，刀片擁有16個切削刃。刀片座采用創(chuàng)新設(shè)計的hss定位銷，無需對刀儀就能使刀盤的跳動量處於很低的水平，而且高硬度的hss定位銷（hrc 65）能確保刀片座具有極長的使用壽命。大修光刃 （2mm）與*精度結(jié)合的新型刀片設(shè)計使得軸向跳動量可達到*狀態(tài)，故這種新型雙八面刃銑刀幫助用戶進一步縮短生產(chǎn)周期，并有效節(jié)約了成本。
double octomill雙八面刃銑刀的硬鍍層（hv 700）并不僅僅體現(xiàn)出刀具的高質(zhì)量，其還能起到保護刀具避免磨損的作用，同時防止切屑焊到刀體上。該系列目前有三種不同齒距—正常齒距、疏齒和密齒，可為不同的機床和材料提供*化的生產(chǎn)率。針對不同的齒距采用不同的刀片鎖緊解決方案，使加工操作更簡易且更具安全性。
2. 多功能刀具與特殊結(jié)構(gòu)的刀具相繼面世
利用數(shù)控機床的柔性和多功能刀具發(fā)展組合加工是當(dāng)前切削加工的一個顯著特點。
圖4顯示了多功能車刀（kennametal）的加工原理圖，其可完成車外圓、端面和鏜孔等工作。日本三菱公司開發(fā)的octacot多功能銑刀可安裝八角形刀片或圓刀片，在加工中心上完成銑平面、溝槽、臺階、倒角、輪廓加工和斜面等多種加工。
圖4 多功能車刀加工圖
此外，還可采用一些特殊結(jié)構(gòu)的刀具，如熱管刀具和帶高壓內(nèi)冷卻通道刀具等來降低切削區(qū)溫度，提高刀具使用壽命。
熱管式車刀與熱管式面銑刀也別具特色，它們的結(jié)構(gòu)與普通外圓車刀和硬質(zhì)合金面銑刀基本相同，所不同的是在車刀刀柄或銑刀的單個刀齒內(nèi)部制成了熱管。
熱管刀具是一種自冷卻刀具，它可大大降低切削溫度（熱管的熱導(dǎo)率要比相當(dāng)?shù)你y、銅棒高幾百倍），提高冷卻效果，故無需再從外部澆注切削液，尤其適於在數(shù)控機床、加工中心和自動生產(chǎn)線上應(yīng)用。
刀具冷卻通道的設(shè)計也是高速加工刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要問題。因高速加工時會產(chǎn)生大量熱量，而刀具材料的耐熱性是有限的，因此采用高壓冷卻液并通過刀具的供液（油）通道輸送到切削區(qū)，冷卻潤滑刀具的切削部位，是提高刀具壽命及其可靠性的有效途徑。近幾年來，帶內(nèi)冷卻供液（油）通道的刀具已從深孔加工刀具擴展到普通淺孔鉆、鉸刀和立銑刀等產(chǎn)品上。
例如，seco刀具公司推出的可更換硬質(zhì)合金頭部的鉆頭（頭部有三種鉆型：p型牌號的頭部適於切鋼，k型適於切鑄鐵和鋁件，m型適於加工高強度鋼和耐腐蝕鋼）。日本使用的tin涂層硬質(zhì)合金單刃鉸刀（切削速度高達150-400m/min），它們都是有內(nèi)冷卻供液孔的，并且規(guī)格越來越小。據(jù)報道，日本三菱公司采用特殊工藝制作的帶油孔的mzs硬質(zhì)合金小鉆頭，其直徑可小到3-4.5mm，油孔直徑為0.4-0.6mm。即使切削條件很差的切斷刀，目前也有采用這種冷卻方法的。供液方式可通過機床主軸或刀夾來實現(xiàn)。
對刀具裝夾的要求
高速加工條件下，刀具與機床聯(lián)接界面的結(jié)構(gòu)非常重要，刀具的裝夾要牢靠，工具系統(tǒng)應(yīng)有足夠的整體剛性，切削頭須能快換。回轉(zhuǎn)刀具的裝夾結(jié)構(gòu)除應(yīng)滿足一般切削要求之外（如力和轉(zhuǎn)矩的傳遞），還應(yīng)具有高的定位精度和聯(lián)接剛性，并盡量減小徑向尺寸和質(zhì)量。
因此，對直線運動刀具，須使用杠桿式和上壓式相結(jié)合的高剛性夾緊機構(gòu)。對回轉(zhuǎn)的帶柄刀具，不能采用彈簧夾頭和螺釘?shù)葌鹘y(tǒng)的刀具裝夾方法，須用高精度的液壓夾頭（如德國開發(fā)的1:10短錐空心錐柄自動快換夾頭）、熱縮夾頭、三棱靜壓夾頭、內(nèi)裝動平衡機構(gòu)的刀柄、轉(zhuǎn)矩監(jiān)控夾頭等新品。目前，各種夾頭已成為專業(yè)化工具廠生產(chǎn)高速切削刀具的配套產(chǎn)品。
圖5 三棱靜壓夾頭
例如sandvik公司的corogrip夾頭、日本nt公司的熱縮夾頭（適用轉(zhuǎn)速可達70000r/min）和“零跳動夾頭”（刀具的徑向圓跳動≤2µm），以及ct?
v-g銑刀夾頭（zui高轉(zhuǎn)速可達30000 r/min）等都是與刀具配套供應(yīng)的。
圖5為schunk公司生產(chǎn)的三棱靜壓夾頭，利用夾頭本身的變形力來夾緊刀具，定位精度≤3μm。
該夾頭在自由狀態(tài)下其內(nèi)孔為三棱形，三棱的內(nèi)切圓直徑小於要裝夾的刀柄直徑，利用一個液壓加力裝置，對夾頭施加外力，使夾頭變形，內(nèi)孔變?yōu)閳A孔，孔徑略大於刀柄直徑，此時插入刀柄，然後卸掉所加外力，內(nèi)孔重新收縮成三棱形，對刀柄實行三點夾緊。此夾頭結(jié)構(gòu)緊湊、對稱、精度高，與熱縮夾頭比較，刀具裝卸簡單，其加力裝置也比加熱冷卻裝置簡單。
為保證高速精密切削時的加工精度和可靠性，刀具裝夾到機床主軸上之前須*行動平衡，以確保加工系統(tǒng)的安全性。epb公司推出了一種內(nèi)裝動平衡機構(gòu)的工具系統(tǒng)刀柄，可通過轉(zhuǎn)動補償環(huán)移動內(nèi)部配重，補償?shù)毒叩牟黄胶饬浚a償環(huán)上的刻度可指示調(diào)節(jié)量。