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浅谈机械的发展与刀具材料现状 |
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| http://cn.newmaker.com
5/18/2004 5:51:00 PM
北京航空航天大学工程训练中心切削部 赵雷
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一 我国机械行业的历史与发展
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：刀具（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、数显设备也开始发展起来了。由于受当时电子设备、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。
二 刀具材料的发展及现状
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片(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
在汽车发动机生产线上，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刀具即可实现发动机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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