我国切削加工与刀具材料的发展史_硬质合金_中国百科网
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我国切削加工与刀具材料的发展史
    　　我国在金属切削方面有着悠久的历史。古代加工石质、木质、骨质和其他非金属器物是今天金属加工的序曲。在旧石器时代就有石砍砸器，到了新石器时代，人们再与大自然的搏斗中生产工具得到了不断的改进，如：石斧、石刀、石镰等。并且以能在石器上钻孔。甚至把坚硬的石刃镶嵌或粘接在骨把上制成夹固式石刃骨刀。
　　人类从这时候起，在生产实践中逐步认识了刀刃的作用。可以这样说，一个原始的切削加工过程形成了。基本上具备了切削的基本条件：(带刃口的石器)，被加工对象(生产和生活用品)，切削运动。
　　我国的金属切削加工工艺，从青铜器时代开始萌芽的，并逐渐形成和发展。从殷商到春秋时期已经有了相当发达的青铜冶铸业出现了各种青铜工具，如：青铜刀、青铜锉、青铜锯等等。同时有出土文物与甲骨文记录表明，这个时期的生产的青铜工具和生活工具，在制造过程中大都要经过切削加工或研磨。我国的冶铸技术比西欧早一千多年。渗碳、淬火、和炼钢技术的发明，为制造坚硬锋利的工具提供了便利的条件。铁质工具的出现，表明金属切削加工进入了一新的阶段。有记载表明早在三千多年前的商代已经有了旋转的琢玉工具，这也就是金属切削机床的前身。70年代在河北满城一号汉墓出土的五铢钱，其外圆上有经过车削的痕迹，刀花均匀，切削振动波纹清晰，椭圆度很小。有可能将五铢钱穿在方轴上然后装夹在木质的车床上，用手拿着工具进行切削。
　　八世纪的时候我国就有了金属切削车床。到了明代，手工业有了很大的发展，各种切削方法，有了较细的分工。如：车、铣、钻、磨等等。从北京古天文台上的天文仪器可以看出当时采用了与五、六十年代类似的加工方法。这也就说明当时就有较高精度的磨削、车削、铣削、钻削等等。其动力是畜力和水力。
　　清末，由于政府腐败和外国的侵略使我国的科学技术发展停滞不前，金属加工也处于落后的状态。
　　解放前，我国的工业已经十分落后，根本没有自己的机床，工具制造业。就连高速钢这样的工具材料，麻花钻这样的普通工具都不能制造。
　　解放后，我国的机床也有了长足的发展。机床和工具制造业也从无到有，从小到大。
　　七八十年代，工具材料进一步得到发展，硬质合金和高速钢的规格和品种不断增加。如：涂层硬质合金、立方碳化硼，陶瓷等等。到了八十年代数控、数显也开始发展起来了。由于受当时电子、微机、传输等影响，没有太大的发展空间。随着电子设备、微机、传输速率的快速发展，数控、数显设备也快速发展起来了。　　现今，我国机床制造也已基本上成熟了，特别是在普通机床上。准确来讲机床是先进制造技术的载体，机械产品质量、更新速度、应变能力、效率在相当程度上取决于机床。我国现在对机床的需求将是中档数控机床、加工中心和专用机床为主。其他机床相对要少得多了。而我国的尖端数控机床和自动化生产线的制造还不能与世界强手相比。
　　但是，我国在军事，航空等方面还需要精密、复合、智能的设备。这也就要求我们奋发图强赶上他们，在这样的环境下也确定了我国数控机床的发展方向，向复合、高速、智能、精密、环保等方面的发展，完善我国自主知识产权的开放式数控系统平台及技术规范，开发数控机床的智能化和网络化技术；进一步研究并联加工技术和集车、磨、铣、钻、铰、镗等工序于一身的集成技术，减少加工中的装夹次数；攻克高水平电主轴、直线电机、高速滚珠丝杠等功能部件制造技术，提高产品性能和技术水平；推广机械加工中的无冷却、无润滑、无气味等技术，减少机床使用中对环境的污染。
　　而普通机床也不能少，在小规模的生产厂家普通机床是必不可少的，这些厂家主要以修配和小批量生产为主，一些民品的精度不是很高，普通机床完全可以满足他们的需要。
　　的发展及现状
　　在现代机械加工中，刀具材料以硬质合金和高速钢用得最多，几乎各占一半。高速钢的发明和应用，已有整整一个世纪的历史，硬质合金则已有半个世纪。但二者均研制出许多新品种，其性能不断提高，在机械加工中发挥着重要作用。近年来，随着数控加工技术的迅猛发展以及数控机床的普遍使用，要实现高效率、高稳定性、长寿命加工。超硬刀具的应用也日渐普及起来，同时引入了许多先进的切削加工概念，如高速切削、硬态加工、高稳定性加工、以车代磨、干式切削等。超硬刀具已成为现代切削加工中不可缺少的重要手段。
　　(一)超硬刀具
　　超硬刀具主要包括金刚石刀具和立方氮化硼刀具，其中以人造金刚石复合片(PCD)刀具及立方氮化硼复合(PCBN)刀具占主导地位。
　　(1)PCD金属切削刀具
　　PCD金属切削刀具可利用PCD材料的高硬度、高耐磨性、高导热性及低摩擦系数实现有色金属及耐磨非金属材料的高精度、高效率、高稳定性和高表面光洁度加工。此类刀具从结构上主要可分为焊接式PCD刀具和可转位式PCD刀片。近年来焊接式PCD刀具中发展较快的品种是带标准刀柄的PCD刀具，如带柄PCD铣刀、PCD镗刀、PCD铰刀等，刀柄型式主要为圆柱柄、锥柄和HSK柄。这种刀具(尤其是多齿刀具)的特点是切削刃对刀柄的跳动小(如刃长为30mm的HSK柄PCD铣刀的切削刃跳动仅为0.002mm)，尤其适合于对各种有色金属零件的成形面、孔、阶梯孔等进行大批量高速加工。例如，采用铝基体刀盘的PCD高速铣刀(六刃，直径100mm)，最高转速可达20,000r/min以上，切削速度可达7,000m/min。　　可转位式PCD刀片是在硬质合金可转位刀片上镶装一块PCD刀坯再经刃磨而成，可装夹在各种数控机床的刀杆、刀夹或刀盘上，用于高可靠性的大批量加工。随着数控机床、加工中心及自动生产线的日益普及，可转位式PCD刀片的使用越来越多，其刀具耐用度较硬质合金刀具可提高几十倍。
　　(2)PCBN金属切削刀具
　　PCBN金属切削刀具也可分为焊接式PCBN刀具和可转位式PCBN刀片两类。
　　焊接式PCBN刀具是将PCBN刀坯焊接在钢基体上经刃磨而成，主要有车刀、镗刀、铰刀等。PCBN刀具大多用于耐磨黑色金属的加工，因此其刀尖角不能太小，刀具前角一般为-5°～5°，后角一般为3°～10°，断续切削时一般采用负倒棱。
　　转位结构的PCBN刀片(主要为车刀片和铣刀片)一般是在可转位硬质合金刀片的一个角上镶焊一块PCBN刀坯，经刃磨而成。考虑到刀坯较贵及重磨等原因，一般只做成一个刀尖。随着焊接工艺质量的提高，其剪切强度可达0.78kg/m2。随着PCBN刀坯尺寸越做越小，不重磨PCBN刀片的价格也随之降低。
　　(二)超硬刀具的典型应用
　　(1)硬态加工，以车代磨
　　由于PCBN刀具具有极高的硬度及红硬性，可使被加工的高硬度零件获得良好的表面粗糙度，所以采用PCBN刀具车削淬硬钢可实现“以车代磨”。应用实例如汽车、摩托车齿轮孔的加工，此类零件材料一般为20CrMnTi，渗碳淬火，表面硬度为60～62HRC，齿轮孔精度为IT6，表面粗糙度Ra≤0.8μm。传统加工工艺为：机加工->热处理->磨削。采用超硬刀具“以车代磨”的加工工艺为：粗加工->热处理->精加工。新工艺可大幅度提高加工效率，降低加工成本，原采用磨削工艺一班仅能加工100个小齿轮，现采用PCBN刀具车削(切削参数V=60～120m/min，f≤0.12mm/r，ap≤0.1mm，一班能加工400个小齿轮，此外，分摊到每个齿轮的加工成本也有所下降。
　　(2)高速切削，高稳定性加工
　　在汽车生产线上，灰铸铁缸体的缸孔精加工是关键工序之一，要求缸孔加工尺寸精度高、表面粗糙度值小、稳定性好；由于生产线加工节拍快，要求切削速度高(通常V≥500m/min)，刀具寿命长(加工孔数≥1000)，且倒角、止口、粗精镗等多个工位的刀片寿命均应满足耐用度要求。采用PCBN刀具即可实现缸孔的高速切削及高稳定性加工，其典型切削参数为：V=500m/min，f=0.2～0.4mm/r，ap=0.2～0.7mm；加工表面粗糙度Ra≤1.6μm，刀具寿命>1,000件。
　　(3)有色金属的高速、高稳定性、低粗糙度加工及镜面加工
　　采用PCD刀具加工有色金属时，由于金刚石硬度高，表面与金属亲合力小，且刀具一般抛光成镜面，不易产生积屑瘤，因此加工尺寸稳定性及表面质量都很好，刀具寿命也较长。
　　例如，采用PCD刀具加工电机整流子的紫铜换向器，典型切削参数为：V=300m/min，f=0.08mm/r，ap≤0.15mm，加工表面粗糙度Ra0.1～0.2μm，刀具寿命>5,000件，而采用硬质合金刀具则只能加工几件。
　　采用PCD刀具加工各种硅铝合金零件，表面粗糙度Ra≤0.1μm，刀具寿命可达几千～几万件，尤其适合汽车、摩托车零件的大规模生产。
　　采用单晶金刚石刀具，在超精密车床上可实现镜面球形加工。机床采用超精密气体静压主轴及回转工作台，跳动量≤0.3μm，工件采用高精度气动卡盘，可实现快速高精度定位。加工无氧铜材料时，表面粗糙度Ra≤0.025μm，圆度≤0.3μm；加工铝件时，表面粗糙度Ra≤0.025μm。　　(4)干式切削，清洁化加工
　　采用PCBN刀具加工含硼铸铁缸套，切削参数：V=200m/min，f=0.1mm/r，ap=0.2～1mm，加工表面粗糙度Ra≤1.6μm，精度IT6，两次刃磨间刀具寿命>100件，可实现“以车代磨”。由于采用干式切削，避免了切(磨)削液及砂轮灰对环境的污染，切屑也可回收再利用，符合清洁化生产要求。
　　以上所说的刀具价格比较贵一些小型生产厂家由于成本的问题不会去大量购买。
　　(三)我国的新型刀具
　　这种添加稀土元素的硬质合金是刀具材料新品种之一。稀土元素是指化学元素周期表中原子序数57～71(从La到Lu)，再加上21和39 (Sc和Y)，共17个元素。将某些稀土元素，以一定方式，微量添加到传统的硬质合金牌号中，即可有效地提高它们的机械性能与切削性能。我国稀土元素资源丰富，对稀土硬质合金的研究开发，领先于其他国家。已研制出下列牌号的刀具用稀土硬质合金：YG8R(相当于ISO K30级别)、YG6R(K20)、YW1R(M10)、YW2R(M20)、YT5R、YT14R(P20)、YT15R(P10)、YS25R (P25)。还有矿山、地质工具牌号YG11CR。在YG8、YT14、YW1硬质合金中添加了Ce、Y等稀土元素后，形成了稀土硬质合金YG8R、YT14R、YW1R。YG8R主要用于铸铁和有色金属的粗加工；YT14R主要用钢材的半精加工；YW1R则为通用牌号，可用于各种工件材料的半精加工。
　　经过测试，添加稀土元素后硬质合金的组织比较致密；室温硬度和高温硬度有所改善；断裂韧性和抗弯强度显著提高，分别提高20%和10%以上。
　　稀土硬质合金的耐磨损和使用寿命试验
　　通过一些试验，稀土硬质合金与无稀土元素的原刀片相比，YG8R、YT14R、YW1R刀片的耐磨性和使用寿命均有不同程度的提高。稀土硬质合金与无稀土元素的原刀片相比，在车削花键轴钢件，便刀尖受冲击，直至刀尖破损为止。经多次重复试验，在刀尖破损前，YG8R、YT14R、YW1R刀片所能承受的冲击次数分别比YG8、YT14、YW1刀片提高1～2倍以上等优势。
　　稀土元素存在于(W,Ti)C或(W,Ti,Ta,Nb)C固溶体中，能强化硬质相；并能抑制WC晶粒不均匀长大，使之趋向均匀，平均晶粒尺寸有所减小。少量稀土元素还固溶在粘结相Co中，使粘结相得到强化。稀土元素富集在WC/Co的相界面处及(W,Ti)C/(W,Ti)C等相界面间，常与杂质S、O等化合形成RE2O2 S等化合物，改善了界面上洁净状况并提高了硬质相与粘结相的润湿性。由此，稀土硬质合金的冲击韧性、抗弯强度及工作时的抗冲击能力明显得到提高。其硬度、耐磨性及刀具表面上抗扩散和抗氧化的能力亦有一定提高。
　　经过电镜测试，还发现稀土硬质合金刀片在切削时表层有富钴现象，故能降低切屑、工件与刀具间的摩擦系数，从而可以降低切削力。
　　稀土元素在自然界蕴藏丰富，价格不高，添加在硬质合金中可以明显地提高机械、物理性能和使用性能，故有广阔的应用前景。
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利用在立式加工中心上装硬质合金刀具，加工大平面零件一个例子
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& & 改革开放已走过了20多年，我国的制造业借改革开放之东风，已经取得了长足的发展。电子产品制造业作为国民经济的支柱产业之一，越来越受到重视。高效率的功放类产品是其中的一类重要的产品，而作为其核心部件的散热器设计制造越来越趋向复杂，它的设计制造质量将直接影响到电子设备的工作性能。经过反复地试验摸索，目前自行开发设计制造的散热器通过对零件表面粗糙度、平面度提出的较高要求，利用目前现有的加工设备完全可以生产出符合要求的零件。
2.散热器工作性能及加工的特点
图1&&散热器结构图
& & 散热问题成为是长期困扰功放类产品性能的大问题。散热器是功放单元的重要部件，它的功能是将功放发热元件产生的热能通过模块传导至散热器上，再通过风机将热能排出机外。
散热器表面的粗糙度直接影响到传导热阻，设计提出的表面粗糙度要求达到Ra1.6&m。目前生产的散热器材料为铝合金，通过钎焊成形后进行表面的加工处理。考虑到散热器本身表面积较大，一般为410mm×440mm，按普通机床设计的工作精度，将难以保证零件本身粗糙度及平面度的要求。
& & 为提高生产效率，充分发挥设备效能，我们经过反复试验摸索，利用目前先进的立式加工设备及硬质合金刀具，我们寻找到了一条比较有效的解决途径，即用立铣床来进行粗加工，精加工安排在立式加工中心上进行，同时找到了比较理想的加工参数。
3.影响散热器大平面加工质量的问题分析
& & 较小表面加工通常采用普通立铣刀，但对于类似散热器等对表面质量要求较高的大平面的加工，传统工艺多采用飞刀切削，以提高零件表面加工质量及保证生产效率。传统的飞刀一直采用高速钢刀具，高速钢刀具耐磨性差，我们在实际加工过程中常常是在加工三、四件后就需要磨刀，最终会影响加工表面质量。刀具的刃磨通常是手工操作，无法保证每把刀切削刃角的一致性，这都会直接影响加工表面的质量，因此，加工表面的质量也无法保证一致性。
& & 众所周知，影响切削加工表面粗糙度的因素有以下几种：
& & 1）残留面积——理论残留面积高度是由刀具相对于工件表面的运动轨迹所形成，它是 影响表面粗糙度的基本因素。其高度可根据刀具的主偏角Kr、副偏角K'r、刀具圆弧半径rε和进给量f的几何关系计算出来。实际表面粗糙度最大值大于残留面积高度。
& & 2）鳞刺——在较低及中等速度下，用高速钢、硬质合金或陶瓷刀片切削塑性材料（低、中碳钢，铬钢，不锈钢，铝合金及紫铜等）时，在已加工面常出现鳞片状毛刺，使表面粗糙度数值增大。
& & 3）积屑瘤——积屑瘤代替刀刃进行切削时，会引起过切，并因积屑瘤的形状不规则，从而在工件表面上划出沟纹；当积屑瘤分裂时，可能有一部分留在工件表面上形成鳞片状毛刺，同时引起振动，使加工表面恶化。
& & 4）切削过程中的变形——由于切削过程中的变形，在挤裂或单元切屑的形成过程中，在加工表面上留下波浪形挤裂痕迹；在崩碎切屑的形成过程中，造成加工表面的凸凹不平；在刀刃两端的已加工表面及待加工表面处，工件材料被挤压而产生隆起。这些均使加工表面粗糙度数值进一步增大。
& & 5）刀具副后刀面的磨损——刀具在副后刀面上因磨损而产生的沟槽，会在已加工表面上形成锯齿状的凸出部分，使加工表面粗糙度数值增大。
& & 6）刀刃与工件相对位置变动——机床主轴回转精度不高，各滑动导轨的形状误差与润滑状况不良，材料性能的不均匀性，切削的不连续性等，使刀具与工件间已调好的相对位置，发生附加的微量变化，引起切削厚度、切削宽度或切削力发生变化，甚至诱发自激振动，从而使表面粗糙度数值增大。
综合分析上述问题，从刀具、工件及切削条件等因素考虑，由于我们是在立式加工中心上加工，机床的精度、刚度较高，完全可以满足加工精度的要求，硬质合金刀具的耐磨性很好，因此，影响切削加工表面粗糙度的主要因素可归结为：残留面积和鳞刺。我们只要减小残留面积高度和鳞刺就可以使加工面的表面粗糙度数值降低至设计要求的范围内。
4.散热器大平面加工参数选择
残留面积高度可根据刀具的主偏角Kr、副偏角K'r、刀具圆弧半径rε和进给量f的几何关系计算出来。在刀具不变的情况下，只和进给量f有关系。而且残留面积高度与进给量成正比。因此，只要减小进给量，就可以减小残留面积高度，从而减少粗糙度数值。鳞刺的产生主要与切削速度有关，是在低、中速下产生的。因此，只要提高切削速度，就可以避免鳞刺的产生。通过以上分析，我们只要选用合理的切削参数，就可以保证加工出粗糙度Ra1.6&m要求的平面。
& & 以前曾经有人用硬质合金刀试加工过，由于粗糙度达不到Ra1.6&m的要求，所以就一直没有采用硬质合金刀加工。那么，是什么原因造成粗糙度达不到Ra1.6&m要求呢？询问后得知其采用的切削参数为：机床转速v=1500r/min，进给量f=500mm/min。我们可以通过如下计算找出问题的主要原因。
（1）当刀具夹角为90°，刀具刀尖圆弧半径rε=0，刀盘上同时装有四把同一规格的硬质合金刀时，机床转速v=1500r/min，进给量f=500mm/min时，如右图2所示，机床旋转一圈的情况。设每转切削量为fz
fz = f/4v = 500/（4×1500）= 0.0833mm/r& && && &&&图2&&90°刀具加工模型
由右图不难得出残留面积高度H便是我们文中所提出的粗糙度值Ra
tg15°= H / X& & ……………………①
tg15°=（fz - X）/ X& &……………②
由①、②两式，不难得出H = 0.0208mm
远远大于Ra为1.6&m的要求。由计算公式我们不难得出，要降低H值，则要增大v，减小f。
& & 结合现有立式加工中心加工性能参数，取f=150mm/min，v=5000r/min
fz = f/4v = 150/（4×5000） = 0.0075mm/r
tg15°= H / X& && & ……………………③
tg15°=（fz - X）/ X& & ………………④
由③、④两式，不难得出H = 0.0019mm
即Ra=1.9&m，基本符合图纸技术要求。
（2）上述（1）中所讨论的是理想状态下，
刀具刀尖圆弧半径rε为零的特殊情况，在硬质合金刀具实际制造过程中不可能做到绝对清角。现估计rε=0.05mm，则当f=150mm/min，v=5000r/min时，即fz = 0.0075mm/r，则
& & H = rε -［rε2 - （fz / 2）2］0.5
& && &= 0.05 -［0.052 -（0.0075 / 2）2］0.5
& && &= 0.00014mm& && && && && && && && && && &图3 rε=0.05mm，90°刀具加工模型
& & 即Ra为0.14&m，粗糙度值远远小于图纸要求。但综合考虑现有立式加工中心、刀具及实际加工情况，经过多次反复试验摸索，我们依旧选择如下切削参数，v=5000r/min，f=150mm/min，使加工的产品完全符合图纸要求。
经多次工艺试验，在保证四把硬质合金刀（刀具刀尖圆弧半径rε=0.1mm，主偏角Kr
=75°，副偏角K'r=15°）加工的情况下，采用提高机床转速v，降低进给量f的方式，即取切削参数如下：转速v=5000r/min，进给量f=150mm/min，使问题得到了比较好地解决。经计算，散热器表面残留面积理论高度约为H=0.14&m。对加工面实际测量粗糙度数值为Ra 0.8～1.2&m，依旧低于设计要求的Ra1.6&m，满足了设计要求。
& & 采用此切削参数加工了散热器，均得到满意结果且零件的一致性较好。由于试验立式加工中心上进行的，该加工中心极限转速为6000r/min，所以试验时取转速5000r/min，因此进给量f（150mm/min）较小，生产效率较低。如果立式加工中心转速能提高到15000 r/min，那么进给量就可取450 mm/min，这样生产效率就可以大大提高。当然，此切削参数只是在最后精加工时采用，粗加工时可以取较大的进给量以提高生产效率。
& & 散热器表面的加工仅仅是大平面零件在立式加工中心中加工的一个例子，通过实践分析，引入硬质合金刀具，选择合适的机床转速和进给量将大大地提高零件的制造质量，从而有效解决功放类电子产品由于机械结构接触表面质量而影响工作性能的问题。
[ 本帖最后由 yhhyhh 于
18:44 编辑 ]
好的话，顶一下了
1.材料要不变形
2.刀具底刃要平，刚性要好
3.机床主轴刚性要好
详细，精加工
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小型加工中心高速加工刀具选择介绍
高速加工是一种高效的切削方法，它以高切削速度进行小切削量加工，其金属去除率比普通数控加工要高，并且延长了刀具寿命、减少了非加工时间，它适应了现代生产快速反应的应用特点。
小型加工中心高速加工采用全新的加工工艺，在刀具、切削用量、走刀路径及程序编制等方面，都不同于传统的数控加工。
小型高速加工对刀具材料要求更高。在实际加工中一般按照下列原则选用合适的刀具材料：粗加工时优先考虑刀具材料的韧性；精加工时优先考虑刀具材料的硬度。高速加工的刀具材料有立方氮化硼（CBN）、金刚石（PCD）、陶瓷等。使用CBN刀具铣削端面时，其切削速度可高达5000m/min，主要用于灰口铸铁的切削加工。聚晶金刚石刀具特别适用于切削含有SiO2的铝合金材料，目前，用聚晶金刚石刀具铣削铝合金端面时，5000m/min的切削速度已达到实用化水平。此外，陶瓷刀具也适用于灰口铸铁的高速切削加工。CBN和PCD刀具尽管具有很好的高速切削性能，但成本相对较高，用涂层技术的刀具价格低廉，又具有优异性能，可以有效降低加工成本，所以高速加工采用的立铣刀，大都用氮化铝钛（TiAlN）系的复合多层涂镀技术进行处理。
不同工件材料的高速加工需要选择与其匹配的刀具材料和加工方式，才能获得最佳的切削效果。铝合金高速加工时，可以选用金刚石刀具。如果刀具复杂，可采用整体超细晶粒硬质合金、粉末高速钢、高性能高速钢及其涂层刀具进行高速加工。加工钢和铸铁及其合金时，采用Al2O3 基陶瓷刀具较合适；立方氮化硼适于HRC45-65以上的高速硬切削；氮化硅基和立方氮化硼更适于铸铁及其合金的高速切削，但不宜于切削以铁素体为主的钢铁；WC基超细硬质合金及其TiCN、TiAlN、TiN涂层刀具和TiC/TiN基硬质合金刀具也可加工钢和铸铁。加工钛合金时，一般可用WC基超细晶粒硬质合金和金刚石刀具。
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