| 高速切削和幹切削已發展成為現代切削加工技術的重要趨勢，有力推動著刀具材料和結構，以及刀具裝夾結構等先進切削技術的日新月異和推廣應用。 |
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| 圖1 應用山高CBN300加工機床床身導軌（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。 |
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隨着數控機床和加工中心等高效設備應用的日漸普及，在航空航天、汽車、高速列車、風電、電子、能源、模具等裝備製造業的空前發展推動下，切削加工已邁入了一個以高速、高效和環保為標志的高速加工發展的新時期—現代切削技術階段。
高速切削、干切削和硬切削作為當前切削技術的重要發展趨向，其重要地位和角色日益凸顯。對這些先進切削技術的應用，不僅令加工效率成倍提高，亦着實推動了產品開發和工藝創新的進程。例如，精密模具硬質材料的型腔，採用高轉速、小進給量和小吃深加工，既可獲得很高的表面質量，又能夠省卻磨削、EDM和手工拋光或減少相應工序的時間，從而縮短生產工藝流程，提高生產率。
過去一些企業製作複雜模具時，基本上都需要3~4個月才能交付使用，而現在採用高速切削加工後，半個月便可完成。據調查，一般的工模具，有60%的機加工量可用高速加工工藝來實現。
高速加工時，不但要求刀具可靠性高、切削性能好、能穩定地斷屑和卷屑、還要能達成高精度，並能實現快換或自動更換等。因此，對刀具材料、刀具結構、以及刀具的裝夾都提出了更高要求。
對刀具材料的要求
高速加工刀具最突出的要求是，既要有高的硬度和高溫硬度，又要有足夠的斷裂韌性。為此，須選用細晶粒硬質合金、塗層硬質合金、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，適應的工件材料和切削速度範圍也都不同。例如，高速加工鋁、鎂、銅等有色金屬件，主要採用PCD和CVD金剛石膜塗層刀具。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採用Seco刀具(上海)公司生產的立方氮化硼CBN300刀片面銑刀，在柔性生產線上高速銑削發動機缸體平面(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，最高更可達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. 硬質合金已邁入細晶粒超細晶粒階段
塗層硬質合金刀具（如TiN、TiC、TiCN、TiAlN等）雖其加工工件材料範圍廣，但抗氧化溫度一般不高，所以通常只宜在400-500m/min的切削速度範圍內加工鋼鐵件。對於Inconel 718高溫鎳基合金可使用陶瓷和PCBN刀具。據報道，加拿大學者用SiC晶須增韌陶瓷銑削Inconel 718合金，推薦最佳的切削條件為：切削速度700m/min，吃深為1-2mm，每齒進給量為0.1-0.18mm/z。
目前，硬質合金已進入細晶粒(1-0.5μm)和超細晶粒(<0.5μm)的發展階段，過去細晶粒多用於K類(WC+Co)硬質合金，近幾年來P類(WC+TiC+Co)和M類(WC+TiC+TaC或NbC+Co)硬質合金也向晶粒細化方向發展。
以往，為提高硬質合金的韌性，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，並使硬質合金的抗彎強度提高到4.3GPa，已達到並超過普通高速鋼(HSS)的抗彎強度，改變了人們普遍認為P類硬質合金適於切鋼、而K類硬質合金只適於加工鑄鐵和鋁等有色金屬的選材格局。
採用WC基的超細晶粒K類硬質合金，同樣可加工各種鋼料。細晶粒硬質合金的另一個優點是刀具刃口鋒利，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的AQUA麻花鑽為例，其用細晶粒硬質合金製造，並塗覆耐熱、耐摩擦的潤滑塗層，在高速濕式加工結構鋼和合金鋼（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；干式鑽孔時，切削速度150m/min，進給速度1200mm/min。
2. 塗層提升到開發厚膜、複合和多元塗層的新階段
現如今，塗層已進入到開發厚膜、複合和多元塗層的新階段，新開發的TiCN、TiAlN多元超薄、超多層塗層(有的超薄膜塗層數可多達2000層，每層厚約1nm)與TiC、TiN、Al2O3等塗層的複合，加上新型抗塑性變形的基體，在改善塗層的韌性、塗層與基體的結合強度、提高塗層的耐磨性方面有了重大進展，全面提高了硬質合金的性能。
塗層刀具已成為現代切削刀具的標志，在刀具中的使用比例達到60%。塗層硬質合金刀具的產品現已呈現品牌化、多樣化和通用化的趨向。例如，德國施耐爾（Schnell）公司用納米技術推出的一種超長壽命LL塗層立銑刀，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種塗層刀片（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目為14個。
山高（Seco）Jabro全新推出的整體硬質合金通用加工銑刀Solid2 系列刀具不僅採用了新材質，更導入新的塗層，可適用的加工溫度由普通刀具的800攝氏度提高到了現有的1100攝氏度，顯著提高了加工效率和刀具壽命。同時，Solid2 系列均採用了刃口鈍化處理和徑向全周鏟背處理技術，使得刀具的塗層與材質結合更加完美，刀具的可重磨次數也大幅提高。
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塗層，專為高速銑削合金鋼、高合金鋼和不鏽鋼而設計。而德國Guhring公司推出的商品名為“Fire”的孔加工刀具塗層，則是一種通用性的複合塗層—融匯有TiN、TiCN和TiAlN三種塗層，兼具這三種塗層材料的優點，既適用於干切削和硬切削，也適合普通切削。
特別值得強調的是，近幾年發展起來的在硬質合金表面塗覆金剛石的技術，使硬質合金不僅在黑色金屬領域，而且在有色金屬領域中的切削效率獲得了全面提高。由此可知，硬質合金今後仍將是製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塗層的絲錐、鑽頭、立銑刀和帶斷屑槽可轉位刀片（如Sandvik公司的CD1810和美國Kennametal公司的KCD25牌號）等產品，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塗層也已開發成功，並正走向工業試用階段。
對刀具几何參數和斷屑槽的要求
1. 几何參數
高速切削和干切削時，刀具的主要失效原因是月牙窪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，以降低切削區溫度，並在刃口上作出負倒稜。
為防止刀尖處熱磨損，主副切削刃連接處應採用修圓刀尖或倒角刀尖，以增大刀尖角，加大刀尖附近刃區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新型硬質合金刀片，其具有大前角（達34°）、加強刃並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，使產生熱量被切屑帶走。據稱，這種刀片工作時的溫度比傳統刀片要低400℃，能顯著減小切削力並使刀具壽命提高一倍以上。該公司用大前角的塗層硬質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，採用干式切削，刀具使用壽命則長達1.5h。
國外還開發了帶正前角的螺旋形切削刃銑削刀片，使刀具有更合理的几何參數，刀片沿切削刃幾乎有恆定不變的前角，背前角或側前角可由負變正或由小變大，切削更加輕快平穩，使可轉位面銑刀、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%。
美國一家公司採用這種新型刀片製作的立銑刀干銑削17-4PH不鏽鋼的周邊，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去除餘量36cm3。
2. 斷屑槽型
為能穩定地斷屑和卷屑，刀片上須作出合適的斷屑槽型。目前，可轉位刀片上三維曲面斷屑槽型的設計和製造技術已較為成熟，針對不同的工件材料和不同的切削用量，業已開發出相應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採用PR、PM和PF的槽型，切不鏽鋼時用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”為典型的槽型設計都獨樹一幟。
這些刀片上斷屑槽的斷屑範圍寬，適應性好。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，預示着高速加工刀具刃形結構發展的方向。
開發與採用新型刀具，以適應現代切削技術需求
近幾年來，工具行業為汽車和摩托車、高速列車、航空航天和模具等行業開發的各種新型刀具，具有高效或創新工藝的特點，對推動這些行業加工技術的進步起到了重要作用。
1. 應對用戶行業需求 各領先公司頻推新品
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、導管孔閥門座複合鏜刀、階梯孔鏜刀、整體硬質合金直槽鑽、階梯鑽、鍃鑽等)；日本東芝公司的高效陶瓷銑刀、金剛石銑刀(銑削速度高達4000 m/min)及硬質合金孔加工刀具；Sandvik公司推出的CoroPak08.1新一代高效刀具（覆蓋了銑削、車削和鑽削等領域），如CoroMill 490高效方肩銑刀，一次走刀即可生產出成品（最大吃深可達5.5mm），也可用於輪廓加工和刃邊切削，甚至用於槽銑。
圖3 Sandvik公司最新先進牌號的CoroMill 490銑刀 |
還有Iscar公司新研發的SUMO(束魔)全系列刀具產品，如用於模具加工而能替代高速鋼(HSS)立銑刀和整體硬質合金立銑刀的變形金剛立銑刀、適於銑深腔（切深達8 mm）的風火輪銑刀，以及高進給率密齒型銑刀（用迷你型蝴蝶刀片）、可高效銑削的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超潤滑塗層刀片）銑削40CrMnMo7鋼材時，切削用量為：銑削速度300m/min（轉速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。
山高車削新材質等級TP3500已於近日全新推出，這使得該公司用於ISO P應用領域（鋼件車削）的DuratomicTM材質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應用領域（不鏽鋼車削）。
TP3500在各種加工(從精加工到重載斷續切削)中均能發揮出同樣的高超性能。無論是處理粗加工和斷續車削、小零件車削還是不鏽鋼車削，即便是惡劣的工況，新型Duratomic TP3500材質等級的高韌性都將確保加工的高效率。TP3500可靠、通用，而且干、濕加工均可。因此，它是採用混合生產時的一個理想選擇。
值得一提的是，為滿足汽車製造業和其它行業不斷增長的需求，Kennametal集團旗下德國WIDIA公司開發出了一系列成套高效刀具。在加工曲軸方面，它擁有曲軸內銑、曲軸高速外銑、車拉、車車拉等各種高效專用刀具。如採用多排車車拉刀具，可32秒加工出一根曲軸，據稱世界上已有1800多個用戶在使用WIDIA公司專用刀具進行曲軸生產。
美國Kennametal公司近年來推出的SPF鑽頭和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中的碳纖維強化聚合物基複合材料（CFRP），這種材料大量地使用在機翼、機身、尾翼、推進和着陸等裝置中。
SPF鑽頭的鑽尖具有特殊几何形狀，使得鑽頭定心性好且令刃口十分鋒利，避免了鑽孔時產生分層和纖維不能切斷的現象；鑽頭的基體材料為整體硬質合金，表面是多層光滑的CVD金剛石塗層，故其耐磨性高、排屑性能好，鑽頭的使用壽命可達普通PCD（聚晶金剛石）鑽的2倍以上。
Harvi ⅡTM系列整體立銑刀是加工不鏽鋼及鈦合金、鎳基合金等耐加工材料的專用刀具，其特點是5刃、38°大螺旋角、帶刀尖圓角、刃間非對稱設計、刃溝截面形狀為拋物線、採用AlTiN(MT) 塗層，因此能適應高效率加工。
與此同時，一些非常通用、經濟且高效的刀具也以其能夠為用戶帶來最大經濟效益的競爭優勢，成為領先性廠商熱推的新品。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。刀片座採用創新設計的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)與極高精度結合的新型刀片設計使得軸向跳動量可達到最佳狀態，故這種新型雙八面刃銑刀幫助用戶進一步縮短生產周期，並有效節約了成本。
Double Octomill雙八面刃銑刀的硬鍍層(HV 700)並不僅僅體現出刀具的高質量，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最優化的生產率。針對不同的齒距採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構的刀具相繼面世
利用數控機床的柔性和多功能刀具發展組合加工是當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、台階、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，還可採用一些特殊結構的刀具，如熱管刀具和帶高壓內冷卻通道刀具等來降低切削區溫度，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，它們的結構與普通外圓車刀和硬質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部製成了熱管。
熱管刀具是一種自冷卻刀具，它可大大降低切削溫度（熱管的熱導率要比相當的銀、銅棒高幾百倍），提高冷卻效果，故無需再從外部澆注切削液，尤其適於在數控機床、加工中心和自動生產線上應用。
刀具冷卻通道的設計也是高速加工刀具結構設計的重要問題。因高速加工時會產生大量熱量，而刀具材料的耐熱性是有限的，因此採用高壓冷卻液並通過刀具的供液（油）通道輸送到切削區，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鑽、鉸刀和立銑刀等產品上。
例如，Seco刀具公司推出的可更換硬質合金頭部的鑽頭（頭部有三種鑽型：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塗層硬質合金單刃鉸刀（切削速度高達150-400m/min），它們都是有內冷卻供液孔的，並且規格越來越小。據報道，日本三菱公司採用特殊工藝製作的帶油孔的MZS硬質合金小鑽頭，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，目前也有採用這種冷卻方法的。供液方式可通過機床主軸或刀夾來實現。
對刀具裝夾的要求
高速加工條件下，刀具與機床聯接界面的結構非常重要，刀具的裝夾要牢靠，工具系統應有足夠的整體剛性，切削頭須能快換。回轉刀具的裝夾結構除應滿足一般切削要求之外（如力和轉矩的傳遞），還應具有高的定位精度和聯接剛性，並盡量減小徑向尺寸和質量。
因此，對直線運動刀具，須使用槓桿式和上壓式相結合的高剛性夾緊機構。對回轉的帶柄刀具，不能採用彈簧夾頭和螺釘等傳統的刀具裝夾方法，須用高精度的液壓夾頭（如德國開發的1:10短錐空心錐柄自動快換夾頭）、熱縮夾頭、三稜靜壓夾頭、內裝動平衡機構的刀柄、轉矩監控夾頭等新品。目前，各種夾頭已成為專業化工具廠生產高速切削刀具的配套產品。
圖5 三稜靜壓夾頭 |
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(最高轉速可達30000 r/min)等都是與刀具配套供應的。
圖5為SCHUNK公司生產的三稜靜壓夾頭，利用夾頭本身的變形力來夾緊刀具，定位精度≤3μm。
該夾頭在自由狀態下其內孔為三稜形，三稜的內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，內孔變為圓孔，孔徑略大於刀柄直徑，此時插入刀柄，然後卸掉所加外力，內孔重新收縮成三稜形，對刀柄實行三點夾緊。此夾頭結構緊湊、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。
為保証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先進行動平衡，以確保加工系統的安全性。Epb公司推出了一種內裝動平衡機構的工具系統刀柄，可通過轉動補償環移動內部配重，補償刀具的不平衡量，而補償環上的刻度可指示調節量。 ■
2009先進製造工藝與刀具技術研討會暨上海先進製造工藝與刀具產業發展研究中心（籌）揭牌儀式在上海大學隆重上演
斯汀
11月1日，“2009先進製造工藝與刀具技術研討會暨上海先進製造工藝與刀具產業發展研究中心（籌）揭牌儀式”在上海大學延長校區召開。
來自國內外製造企業、刀具供應商、高校、研究所和協會團體的機械製造工藝和刀具專家齊聚一堂，從不同角度闡釋了有關刀具技術、應用理念及其發展趨勢，並對刀具行業如何在我國由製造大國轉為製造強國的過程中發揮更大作用進行了探討。會議的校外專家、代表到會注冊人數達250餘人。
揭牌儀式由上海大學機電工程與自動化學院副院長於瀛潔教授主持。閘北區政府方面宣布了在巿北工業園區籌建“上海先進製造工藝與刀具產業發展研究中心”的設想，閘北區科學技術委員會主任胡建民和上海大學科技處常務副處長高志民為“上海先進製造工藝與刀具產業發展研究中心（籌）”揭牌(右圖)。會上，上海巿北高新集團副總經理黃之陽對上海巿北高新技術服務業園區進行了介紹。
“上海先進製造工藝與刀具產業發展研究中心（籌）”揭牌儀式在上海大學舉行 |
上海大學學術委員會主任方明倫教授和中國機械工業金屬切削刀具技術協會理事長、中國機床總公司高級顧問邢敏教授作了熱情洋溢的講話，希望我國刀具業同仁能振奮精神、抓住機遇、迎接挑戰，共創中國製造業的輝煌，同時寄語本次大會能成為國內外刀具技術交流、合作和人才培養的平台。
上海大學機電工程與自動化學院王永國博士主持了為期两天的研討會。來自中國高校切削與先進製造技術研究會、中國汽車工具技術專業委員會、中國機床工具工業協會工具分會、上海交通大学、山東大学、上海工具厂，以及上海通用動力總成等多個機構組織、院校和公司的專家代表做了精彩演講。
國外知名的刀具供應商：德國MAPAL、瑞典SECO、德國Arthur-klink、德國KELCH、德國WALTER、瑞士歐瑞康巴爾查斯（Balzers Coating）等也進行了產品、技術和服務方面的交流。瑞典Sandvik刀具、美國Kennametal刀具、德國Heller機床、澳大利亞ANCA機床、德國ARHO刀具等公司的代表也參加了本次研討會。 |
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