黃春蓮

（長沙職業(yè)技術學院，湖南 長沙 410000）

金屬切削刀具是機械制造過程中必不可少的一類輔助設備，憑借刀具和工件的相互作用力來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，金屬切削刀具應用的合理與否，直接影響到工件加工精度與機械產品質量，其重要性不言而喻?，F階段，我國機械制造行業(yè)正處于轉型升級的關鍵時期，對金屬切削刀具的應用效果進行改進，是進一步提高工件加工精度和生產效率的必由之路，本文就此開展研究。

1 金屬切削刀具在機械制造過程中的應用價值

1.1 提高機械加工水平

從國內外機械制造行業(yè)的發(fā)展歷程來看，金屬切削刀具的應用與創(chuàng)新，顯著推動了整個行業(yè)的發(fā)展進程，使得機械制造行業(yè)邁向了全新發(fā)展階段，行業(yè)發(fā)展與刀具應用保持著極為緊密的內在聯系。例如，在金剛石刀具的基礎上研發(fā)出了SPDT單點金剛石切削技術，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精度水準，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械及光學部件，極大地提升了機械加工水平。

1.2 提高機械制造效率

在早期機械制造生產活動中，由于受到工藝技術與工具的限制，普遍由通用機床采取鉆、磨等方法來初步加工零件，再由鉗工對零件開展修配作業(yè)，把大量造型簡單的工件組裝形成機械設備整機或是單獨機構，實際生產效率較低。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，在短時間內加工成特定造型尺寸的工件，以此來簡化鉗工修配等生產步驟。同時，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一步縮短了機械制造周期，可以一次性加工獲得造型輪廓復雜的工件。例如在生產航空部件時，可以借助金屬切削刀具直接把零件加工為鋁合金薄壁構件，無需分別加工若干工件后再進行鉚接組裝，對機械制造效率的提升有著十分重要的現實意義。

1.3 適應復雜生產環(huán)境

在機械制造過程中，現場生產環(huán)境較為惡劣，所使用的加工刀具往往會受到相互作用力、高溫條件、腐蝕性流體侵蝕和高壓條件等諸多因素影響，時常出現刀具變形破裂等質量問題，對機械制造的質量、生產效率和生產成本造成顯著影響。例如，從生產效率的角度來看，如果加工刀具頻繁損壞，不但需要占用一定時間來更換全新刀具，還有可能引發(fā)工件破損、機床損壞等連鎖問題，干擾正常加工秩序，導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化學氣相沉積和超硬涂層等刀具涂層技術的發(fā)展，極大地延長了金屬切削刀具的實際使用壽命，使得刀具可以在復雜條件下長時間維持穩(wěn)定結構狀況和良好工況，不僅提高了加工質量與生產效率，還減少了實際生產成本[1]。

2 機械制造過程中的金屬切削刀具應用策略

2.1 合理選用刀具材質

早期金屬切削刀具的材質較為單一，以高碳工具鋼為主，在實際加工期間暴露出切削速度低、刀具頻繁斷裂、老化磨損速度過快等多項問題，一般情況下的切削速度不足5 m/min。為滿足機械制造需要，近年來市場上陸續(xù)推出硬質合金、高速工具鋼、超硬刀具等多種材質的金屬切削刀具，不同材質刀具的實際表現和適用場景存在明顯差異，需要結合機械制造生產的需要來選擇恰當材質的金屬切削刀具，具體如下。

1）高速工具鋼。對高熱條件下的刀具硬度有著嚴格要求，或是對刀具形狀有著特殊要求時，優(yōu)先選用高速工具鋼材質的金屬切削刀具。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，預先進行熱處理時的硬度超過63 HRC，這類材質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）硬質合金。對刀具使用壽命與硬度有著嚴格要求時，推薦使用硬質合金材質的金屬切削刀具，這種刀具由硬質碳化物添加適量金屬結合劑制成，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，在機械制造期間無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的水準時，則選用超硬材質的金屬切削刀具，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，由于超硬材質切削刀具的韌性較差，在選用這類刀具時，必須準確地計算其在機械制造過程中實際承受的沖擊力，并據此調整切削進給量、切削速度等工藝參數，避免出現刀具斷裂等問題。

2.2 合理選用刀具種類

在我國機械制造行業(yè)發(fā)展歷程中，為滿足不同場景下的生產需要，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)境中冷卻一段時間，待工件溫度達標后，在低溫狀態(tài)下控制刀具開展切削作業(yè)，憑借刀具自身導熱性能來吸收切削過程中釋放的絕大多數熱量，以此來維持切削點溫度，保持刀具表面鋒利狀態(tài)。對這類刀具的應用，既可以通過控制溫度來維持較高的加工精度水準，同時，還可以完全取消切削液，從而降低機械制造成本，實現機械綠色制造目標。但這種刀具對切削速度有著嚴格要求，如果切削速度過快，會在刀具與工件表面接觸時釋放過多熱量，無法維持低溫狀態(tài)[3]。

2）快速切削刀具。選用PCD金剛石、陶瓷、CBN立方氮化硼等材質制成的切削刀具，這類刀具的硬度相對較高，可以在高速切削狀態(tài)下保證不出現震動現象，在極短的時間內完成工件加工任務，相比于傳統的切削加工方式而言，可以延長切削刀具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，在使用快速切削刀具時，刀尖的磨損速度遠超過其他部位，在長時間切削后易出現刀尖變薄現象，因而需要對刀尖采取額外的保護措施。

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程中的摩擦生熱來提高溫度，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。要求選用具備良好耐熱性與高強度的切削刀具，避免因前后傾斜度差值過大而在加工期間出現嚴重磨損或刀具斷裂的現象。與此同時，在應用此類刀具時，應重點關注溫度控制和摩擦系數控制兩項問題。其一，對于切削溫度，要根據零件加工要求與所選刀具的硬度來計算最佳的溫度值，調節(jié)切削速度等工藝參數來控制實時溫度，確保加工溫度在刀具強度的可承受范圍內。其二，對于摩擦系數，可以在機床上安裝微量潤滑系統，當刀具切削零件時，啟動噴油裝置向切削點、刀具刀尖等部位噴涂微量潤滑油，由潤滑油取代切削液起到潤滑作用[4]。

2.3 制備刀具涂層

刀具涂層屬于一類表面改性技術，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構體系，起到改善切削效果、強化刀具綜合機械性能的作用[5]。目前來看，在機械制造過程中，常用的刀具涂層技術分為CVD化學氣相沉積法和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等多元復合涂層，將涂層厚度控制在8 μm左右，起到預防刀具崩刃、阻止裂紋擴散、提高顯微硬度等作用。而PVD法是采取氣體放電手段來強制分離氣體離子，控制氣體離子來轟擊刀具，在刀具基底上沉積反應物形成膜層，主要起到減少刀具磨損量的作用。相關試驗結果顯示，在切削深度為1 mm，走刀速度為180 m/min，進給量為0.2 mm，持續(xù)切削時間為5 min，工件材料為ST13的情況下，無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處理環(huán)節(jié)應用到新推出的超硬涂層技術，使用金屬氮化物與硼化物等物質制備涂層材料，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度、硬度與優(yōu)異的熱化學穩(wěn)定性，可以將金屬切削刀具的實際使用壽命延長到原來的1.5～3倍，例如理想狀態(tài)下的薄膜顯微硬度可以達到61.8 GPa[6]。

2.4 金屬切削刀具優(yōu)化設計

傳統的金屬切削刀具的造型結構簡單，普遍選用整體式結構，當刀具切削部位出現鈍化、缺口、變形等質量缺陷時，會對工件加工精度造成明顯影響，使得刀具無法繼續(xù)開展精密加工作業(yè)，導致刀具報廢，實際使用壽命遠低于預期。同時，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，在長時間切削零件時，暴露出存在多項問題有待解決。對此，在確定切削刀具的材質與種類后，制造企業(yè)還應對刀具結構進行優(yōu)化改進。

例如，從結構形式的角度來看，可以選用轉位式、焊接式以及機夾式等類型的刀具結構。在需要滿足多種零件加工要求時選用焊接式刀具結構，在同步采取鏜孔與切削工藝時選用機夾式刀具結構，在對斷屑穩(wěn)定性有著嚴格要求時選用可轉位式刀具結構。同時，還可以對刀具的現有結構形式進行優(yōu)化改進，例如在刀具中心部位預留適當尺寸的孔洞來改善其散熱通氣性能[7]。

而從參數優(yōu)化的角度來看，工作人員應使用仿真軟件，構建切削模型，開展不同假定條件和不同結構參數時的仿真模擬試驗，并根據試驗結果來計算切削刃鈍圓半徑、切削刃寬度、前角、后角等參數的最佳值，從而將零件切削加工過程中的切削溫度應力情況、切削區(qū)形狀、工件表面應力控制在合理范圍內。

2.5 使用切削液

在機械制造過程中，在刀具切削零件時向切削表面噴涂適量的切削液，切削液將同時起到潤滑、清洗、冷卻、防銹等多重作用，有利于延長刀具使用壽命和提高工件加工質量。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，讓這類雜質隨著切削液一并流下。此外，需要根據切削工藝參數、刀具類型與零件加工要求來選用恰當品種的切削液。例如，在切削速度超過60 m/min的情況下，不得使用含極壓添加劑的油基切削液，因為這類切削液的傳熱冷卻效果較差，在高速切削加工狀態(tài)下，無法快速吸收切削摩擦所釋放的熱量，導致切削部位溫度持續(xù)升高而出現工件熱變形等問題，這種情況下，可選用水基切削液[8]。

2.6 測定修正切削參數

在零件切削加工過程中，受到工件與刀具自身剛性、刀具角度、刀具磨損、溫度應力等因素影響，會產生一定的加工誤差，具體表現為端面平整度超差、圓柱度超差等問題。這不但會降低工件加工質量，還會加快金屬切削刀具的老化磨損速度，甚至有可能出現刀具斷裂等故障[9]。對此，需要建立自動檢測系統，在金屬切削刀具周邊擺放若干種類的探測器，持續(xù)對切削幾何角度、刀柄位置、切削深度、工具運動軌跡與工具實時坐標值等工藝參數進行檢測。對比檢測值與額定值，如果檢測值超出或臨近額定值，則在系統界面上進行提示，并由控制系統下達糾偏指令，對偏離工藝參數進行調節(jié)。以刀具刀柄位置為例，在工件切削加工過程中，應該始終將刀具刀柄軸線與運動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，工作人員還應綜合分析工件造型尺寸、零件材質、刀具材質種類、涂層性能等多方面因素，必要時開展仿真模擬試驗，確定主偏角、前角、切削深度等工藝參數的最佳值。唯有如此，才能在后續(xù)切削加工期間把各項參數控制在合理范圍內。例如，對于刀具前角，一般情況下設定為20°，這樣可以將前角摩擦力控制在合理范圍內，并改善切削效果[10]。

3 結語

綜上所述，隨著金屬切削刀具性能的不斷提升，其在機械制造過程中發(fā)揮著愈發(fā)重要的作用，充分滿足了機械制造加工的各項需求。制造企業(yè)理應提高對金屬切削刀具的重視程度，肯定切削刀具的應用價值，合理選用刀具材質與種類，制備刀具涂層，進行刀具優(yōu)化設計，使用切削液，測定修正切削參數，圍繞金屬切削刀具來構建一套完善的機械制造切削加工體系。