高速切削加工技术的现状和发展(2)

中国工程院院士、山东大学艾兴教授

三、高速切削刀具材料

(1) 高速切削刀具材料

金刚石
天然金刚石
聚晶金刚石(PCD)
人工合成单晶金刚石
金刚石涂层
立方氮化硼(PCBN)
陶瓷刀具：有氧化铝(Al2O3)基和氮化硅(Si3N4)基两大类
TiC(N)基硬质合金（金属陶瓷）
涂层刀具——优异的高速钢、WC基、TiC(N)基硬质合金和陶瓷为基体。复合涂层。
a)硬涂层：CVD的TiCN+Al2O3+TiN；TiCN+Al2O3； TiCN+Al2O3+HfN，TiN+Al2O3和TiCN、TiB2等。PVD的TiAlN/TiN、TiAlN等
b)软涂层：硫族化合物（MoS2，WS2）涂层的高速钢刀具
超细晶粒硬质合金：细晶粒(0.2-0.5um)的WC基硬质合金，添加TaC、NbC等
粉末冶金高速钢（PM HSS）和高性能高速钢HSS－E

(2) 高速切削刀具材料的合理应用

高速切削时对不同工件材料要选用与其合理匹配的刀具材料和适应的加工方式等切削条件，才能获得最佳的切削效果。没有万能的刀具材料。

    刀具材料性能
    硬度大小：金刚石PCD>立方氮化硼 PCBN>Al2O3基>Si3N4基>TiC(N)基硬质合金>WC基超细晶粒硬质合金>高速钢HSS。
    抗弯强度大小：HSS>WC基>TiC(N)基>Si3N4基>Al2O3基>PCD>PCBN。
    断裂韧性大小：HSS>WC基>TiC(N)基>PCBN>PCD>Si3N4基>Al2O3基。
    耐热性：PCD700℃-800℃；PCBN1400℃-1500℃；陶瓷1100℃-1200℃；TiC(N)基900℃-1100℃；超细晶粒硬质合金WC基800℃-900℃；HSS600℃-700℃。

    高速切削刀具材料合理应用
    加工铝合金：金刚石最适于高速切削。但复杂刀具可用整体超细晶粒硬质合金及其涂层刀具高速加工结构铝及其合金。
    加工钢和铸铁及其合金：Al2O3基陶瓷刀具适于软、硬高速切削；PCBN适于45-65HRC以上高硬钢的高速切削；Si3N4和PCBN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(N)基硬质合金刀具，特别是整体复杂刀具可加工钢和铸铁。
    加工超级合金：增韧补强的氧化铝基和Si3N4基陶瓷刀具（如SiC晶须增韧）和Sialon陶瓷刀具适于加工这类合金。PCBN刀具可以100-200m/min的切削速度加工。复杂刀具可用超细晶粒硬质合金及其涂层刀具。
    加工钛合金：一般可用 WC基超细晶粒硬质合金和金刚石刀具。采用润滑性能良好的切削液，可获得较好的结果。

四、高速切削加工的刀柄系统

BT系统：刀柄锥度7：24，单面接触。 HSK系统：刀柄锥度1：10，双面接触。

BT刀柄（7：24）

BT刀柄与主轴接合图

HSK刀柄（1：10）

HSK刀柄与主轴接合图

    刀柄与主轴接触不同刀柄系统，高速加工时，离心力有很大影响。
    BT主轴/刀柄联结
    主轴转速达到某一极限值 (n=15000r/min，F=15kN) 时，主轴/刀柄联接处大端的分离导致刀柄在切削力的作用下以刀柄为支承发生摆动，极大地降低了刀柄在主轴锥孔内的定位精度和重复定位精度，无法保证联结的可靠性。

(a)联结面间的间隙(单位:m)

(b)联结面间的接触应力(单位:N/m2)

BT刀柄与主轴的联结
(转速n=15000r/min, 轴向拉力F=15kN)

(a)联结面间的间隙(单位:m)

(b)联结面间的接触应力(单位:N/m2)

HSK-A63主轴/刀柄的联结 (n=10000r/min)

(a) BT 40

(b) HSK-A63

旋转速度对径向间隙的影响

BT40联结的最佳转速范围为0~12,000r/min，12,000~15,000r/min仍可使用，15,000r/min以上，由于精度降低，无法使用。HSK－63A刀柄系统最佳转速范围为0－30000r/min，超过这个范围精度降低。

相关链接:高速切削加工技术的现状和发展(幻灯片图片)