【正文】 們制造的產(chǎn)品和零件包含能在高速下運轉，由于成本的壓力，最好、更輕而且要制造更便宜。取得這些目標的一個最佳途徑是通過發(fā)展和應用新材料，但這些新的和改進的材料通常都難以加工。這種商業(yè)上的動力和技術上的困難的組合在汽車和航空工業(yè)尤其突出，并已成為有見 識的刀具公司研發(fā)部門的首要驅(qū)動力。 例如，拿球墨鑄鐵來說，它已成為發(fā)動機零件和其它汽車、農(nóng)用設備和機床工業(yè)上的零件的日益見的材料。這種合金提供較低的生產(chǎn)成本和良好的機械性能的組合。他們比鋼材便宜，而比鑄鐵有更高的強度和韌性。但同時球墨鑄鐵非常耐磨，有快速磨壞刀具材料的傾向。這種耐磨性很大程度上受珠光體含量影響。某一已知球墨鑄鐵的珠光體含量越高，它的耐磨性越好，而且它的可加工性越差。另外，球墨鑄鐵的多孔性導致斷續(xù)切削，這更加降低壽命。 可以預計，高硬度和高耐磨的切削材質(zhì)需考慮球墨鑄鐵的高耐磨性。并且事實上 材質(zhì)包含極硬的 TiC（碳化鈦）或 TiCN（碳氮化鈦）的厚涂層在切削速度每分鐘 300 米時加工球墨鑄鐵被證明通常是有效的。但是隨著切削速度的增加，切屑 /刀具結合面的溫度也在增加。當發(fā)生這樣的情況， TiC 涂層傾向于和鐵發(fā)生化學反應并軟化，更多的壓力作用在抗月牙洼磨損的涂層上。在這些條件下，希望有一種化學穩(wěn)定性更好的涂層，如 Al2O3（雖然在較低的速度下不如 TiC 硬或耐磨）。 化學穩(wěn)定性比耐磨性更成為一個重要的表現(xiàn)性能分界的因素，速度和溫度取決于被加工球墨鑄鐵的晶粒結構和性能。但是通常厚涂層的 TiC 或 TiCN 和僅有氧化物的較薄涂層是針對球墨鑄鐵應用的，因為今天大部分這類被加工材料的切削速度在每分鐘 150 到 335米之間。對于速度高于每分鐘 300 米的應用，人們對這種材料是滿意的。 為了使這個范圍性能最優(yōu)，山高研發(fā)和推出了針對球墨鑄鐵加工的材質(zhì) TX150。這種材質(zhì)有一個硬且抗變形的基體，對于加工球墨鑄鐵很理想。它的涂層由一層較厚的很耐磨的碳氮化鈦和一層較薄的抗月牙洼磨損的氧化物涂層，頂面是一薄層 TiN。這種涂層運用目前工藝水平的產(chǎn)生耐磨性和抗月牙洼磨損需要的 CVD 涂層的全部硬度而且韌性平滑性增加的中溫化學氣 相沉積（ MTCVD）工藝?；w /涂層的組合性能給予很高的抗塑性變形和刃口微崩能力，使之成為正常速度下加工球墨鑄鐵的理想材質(zhì)。 涂層陶瓷也表現(xiàn)出能有效加工球墨鑄鐵。在過去，未涂層的韌性較好的諸如氮化硅和碳化硅纖維強化的氧化鋁陶瓷應用受工件材料化學親和性的限制。但是今天通過使用能抵10 抗切屑變形過程產(chǎn)生高熱量的涂層刀具壽命已經(jīng)顯著增加。而某些早期這個領域的工件加工使用氧化鋁涂層晶須強化陶瓷，今天的多數(shù)研究活動集中于 TiN 涂層氮化硅。這種涂層能顯著拓寬韌性較好的陶瓷的應用范圍。 切削加工時，工件的已加工表面 是依靠切削工具和工件作相對運動來獲得的。按表面形成方法，切削加工可分為刀尖軌跡法、成形刀具法、展成法三類。 刀尖軌跡法是依靠刀尖相對于工件表面的運動軌跡，來獲得工件所要求的表面幾何形狀，如車削外圓、刨削平面、磨削外圓、用靠模車削成形面等，刀尖的運動軌跡取決于機床所提供的切削工具與工件的相對運動； 成形刀具法簡稱成形法，是用與工件的最終表面輪廓相匹配的成形刀具，或成形砂輪等加工出成形面，如成形車削、成形銑削和成形磨削等，由于成形刀具的制造比較困難，因此一般只用于加工短的成形面； 展成法又稱滾切法，是加工時切削 工具與工件作相對展成運動，刀具和工件的瞬心線相互作純滾動，兩者之間保持確定的速比關系，所獲得加工表面就是刀刃在這種運動中的包絡面，齒輪加工中的滾齒、插齒、剃齒、珩齒和磨齒等均屬展成法加工。有些切削加工兼有刀尖軌跡法和成形刀具法的特點，如螺紋車削。 切削加工質(zhì)量主要是指工件的加工精度和表面質(zhì)量 (包括表面粗糙度、殘余應力和表面硬化 )。隨著技術的進步，切削加工的質(zhì)量不斷提高。 18 世紀后期，切削加工精度以毫米計； 20 世紀初，切削加工的精度最高已達 毫米；至 50 年代，切削加工精度已達微米級； 70 年代，切削加工精 度又提高到 微米。 影響切削加工質(zhì)量的主要因素有機床、刀具、夾具、工件毛坯、工藝方法和加工環(huán)境等方面。要提高切削加工質(zhì)量，必須對上述各方面采取適當措施，如減小機床工作誤差、正確選用切削工具、提高毛坯質(zhì)量、合理安排工藝、改善環(huán)境條件等。 提高切削用量以提高材料切除率，是提高切削加工效率的基本途徑。常用的高效切削加工方法有高速切削、強力切削、等離子弧加熱切削和振動切削等。 磨削速度在 45 米／秒以上的切削稱為高速磨削。采用高速切削 (或磨削 )既可提高效率，又可減小表面粗糙度。高速切削 (或磨削 )要求機床具有高轉速 、高剛度、大功率和抗振性好的工藝系統(tǒng)；要求刀具有合理的幾何參數(shù)和方便的緊固方式，還需考慮安全可靠的斷屑方法。 強力切削指大進給或大切深的切削加工，一般用于車削和磨削。強力車削的主要特點是車刀除主切削刃外，還有一個平行于工件已加工表面的副切削刃同時參與切削，故可把進給量比一般車削提高幾倍甚至十幾倍。與高速切削比較，強力切削的切削溫度較低，刀具壽命較長，切削效率較高；缺點是加工表面較粗糙。強力切削時，徑向切削力很大故不適于加工細長工件。 振動切削是沿刀具進給方向，附加低頻或高頻振動的切削加工，可以提高切削效率。低頻振動切削具有很好的斷屑效果，可不用斷屑裝置，使刀刃強度增加，切削時的總功率11 消耗比帶有斷屑裝置的普通切削降低 40％左右。高頻振動切削也稱超聲波振動切削，有助于減小刀具與工件之間的摩擦，降低切削溫度，減小刀具的粘著磨損，從而提高切削效率和加工表面質(zhì)量，刀具壽命約可提高 40％。 對木材、塑料、橡膠、玻璃、大理石、花崗石等非金屬材料的切削加工，雖與金屬材料的切削類似，但所用刀具、設備和切削用量等各有特點。 木材制品的切削加工主要在各種木工機床上進行，其方法主要有：鋸切、刨切、車削、銑削、鉆削和砂光等。 塑料的剛度比金屬差，易彎曲變形，尤其是熱塑性塑料導熱性差，易升溫軟化。故切削塑料時，宜用高速鋼或硬質(zhì)合金刀具，選用小的進給量和高的切削速度，并用壓縮空氣冷卻。若刀具鋒利，角度合適，可產(chǎn)生帶狀切屑，易于帶走熱量。 玻璃 (包括鍺、硅等半導體材料 )的硬度高而脆性大。對玻璃的切削加工常用切割、鉆孔、研磨和拋光等方法。對厚度在三毫米以下的玻璃板，最簡單的切割方法是用金剛石或其他堅硬物質(zhì)，在玻璃表面手工刻劃，利用刻痕處的應力集中，即可用手折斷。 對大理石、花崗石和混凝土等堅硬材料的加工，主要用切割、車削、鉆孔、刨削、研磨和拋光等方法。切割時可用圓鋸片加磨料和水；外圓和端面可采用負前角的硬質(zhì)合金車刀，以 10～ 30 米／分的切削速度車削；鉆孔可用硬質(zhì)合金鉆頭；大的石料平面可用硬質(zhì)合金刨刀或滾切刨刀刨削；精密平滑的表面，可用三塊互為基準對研的方法，或磨削和拋光的方法獲得。 刀具在熱強合金中的應用 航空加工也變化迅速。例如，鎳基高溫合金如幾年前多數(shù)人未聽說過的 Rene88 現(xiàn)在占到航空發(fā)動機制造使用總金屬量的 10~25%。對于這個有很好的表現(xiàn)和商業(yè)理由。例如，這些熱強合金能增加發(fā)動機壽命而且允許較小的發(fā)動機工作在大飛機上，那將提高 燃燒效率并降低運營成本。這些韌性好的材料也把費用呈現(xiàn)在刀具上。它們的耐熱性導致刀尖上的溫度更高，從而降低了刀具壽命。相似地，這些合金里的碳化物顆粒顯著增加了摩擦，從而縮短刀具壽命。 作為這些條件改變的結果，曾經(jīng)能很滿意地加工很多鈦合金和鎳基合金的硬質(zhì)合金材質(zhì) C2 在應用到當今的合金時遭受切削刃的壓碎和切削深度線處嚴重的溝槽磨損。但是用最新的細顆粒硬質(zhì)合金能有效加工高溫合金，刀具壽命得到提高，更重要的是提高在高溫合金應用時的可靠性。細顆粒硬質(zhì)合金有比傳統(tǒng)硬質(zhì)合金材質(zhì)更高的壓縮強度和硬度，只是在韌性方 面增加少量的成本。而結果是在高溫合金加工上比傳統(tǒng)硬質(zhì)合金抵抗常見失效模式更有效。 PVD（物理氣相沉積）涂層也被證明有效加工高溫合金。 TiN（氮化鈦） PVD 涂層是最早使用的并仍然是最受歡迎的。最近， TiAlN（氮鋁化鈦）和 TiCN（碳氮化鈦）涂層也能很好使用。過去 TiAlN 涂層應用范圍和 TiN 相比限制更多。但是當切削速度提高后它們12 是一個很好的選擇，在那些應用提高生產(chǎn)率達 40%。另一方面，在較低的切削速度下取決于涂層的表面工況 TiAlN 會導致積屑瘤、隨后的微崩和溝槽磨損。 近來，用于高溫合 金應用的材質(zhì)已經(jīng)發(fā)展了，這些涂層由幾層組合而成。大量的實驗室和現(xiàn)場測試已經(jīng)論證了這種組合和其它任何一種單一涂層相比在很寬范圍的應用時很有效。因此針對高溫合金應用的 PVD 復合涂層可能成為硬質(zhì)合金新材質(zhì)研發(fā)持續(xù)的焦點。和 MTCVD 涂層、涂層陶瓷集合在一起，它們有望成為更有效加工正在研發(fā)的新的更難加工工件材料的主要沖擊力量。 干切削 ， 包括冷卻液在內(nèi)的問題是刀具制造的科技和商業(yè)擴大產(chǎn)業(yè)化趨勢的另一個領域。北美和歐洲嚴格冷卻液管理的要求和最大的三家汽車制造商強制它們的核心供應商取得 ISO14000 認證（ ISO9000 的環(huán)境管理版本），這使得冷卻液處理成本上升。對汽車公司和他們核心供應商來說明顯受歡迎的反應之一是在特定的加工應用里完全免除冷卻液的使用。這種干加工的新世界給刀具供應商提出了一系列挑戰(zhàn)。 最近，已經(jīng)出現(xiàn)了一些有關這個專題揭示速度、進給、涂層化學成分和其它參數(shù)的很充實的綜合性很強的有用的技術文章。在這里我想集中論述在操作和商業(yè)含義上的汽車制造商的新 “干加工觀點 ”。 金屬加工從業(yè)人員能很好理解有關冷卻液使用的問題，但大多數(shù)不能理解有關除在刀具 工件接觸面間技術挑戰(zhàn)（例如排屑）之外的干加工問題。通?？梢杂^察到 流出的冷卻液分散切屑，但壓力超過 3000 磅 /英寸 2 的高速冷卻液也能幫助斷屑，特別是軟且連續(xù)的切屑會引起刀具 工件接觸面上的麻煩。 采用干切削工藝的零件的結果是機床比采用濕式加工零件的更熱。你是否允許它們測量前在露天自然冷卻？如果新加工的熱零件經(jīng)常放到周轉箱，升高周圍環(huán)境溫度，是否零件充分冷卻并正好足夠允許精度檢測？還有處置身邊幾十上百的零件會對操作工人增加額外負擔。 同許多刀具 /工件的技術問題一起，這些潛在的問題需要陳述是否干加工能行。幸運地，有很多途徑闡述這些問題。例如，壓縮空氣被證明 在很多應用里排屑成為問題的場合有成功的反響。 另一個方案是叫做 MQL（最小量潤滑）的技術，它由應用代替?zhèn)鹘y(tǒng)冷卻液的相當少量油霧構成。這是一個公認的折中方案，這種最小量技術會大幅度減少冷卻液的頭疼事，而且在許多應用里加工出的光潔度也很好。這個領域仍然有很多研究在做，而且刀具公司積極參與這樣的研究是絕對必要的。如果他們不做將落后于競爭對手，處于不利的地位。 根據(jù)世界上工廠內(nèi)具體情況設計出別的也許更好的方案。制造業(yè)從業(yè)人員可能仍然會問為什么他們要努力使用新發(fā)展的技術代替?zhèn)鹘y(tǒng)的已經(jīng)經(jīng)歷數(shù)代人改進提高 的冷卻液方法，尤其因為實施干加工或半干加工產(chǎn)生的試驗和失敗可能引起更高的短期刀具成本。簡明的答案是當?shù)镀蠹s占典型加工零件成本的 3%時，冷卻液的成本（從購買到維護、儲存、處理）會占零件成本的 15%。 13 干加工也許不是對每個應用都適合，但象上面討論的其它加工問題一樣，需要從更寬的操作、環(huán)境和商業(yè)角度來評價。能幫助客戶這樣做的刀具公司將有競爭優(yōu)勢，而那些不能提供的將不斷處于被動地位。 刀具和納米技術 一個能劇烈改變刀具工業(yè)的迷人的新領域是微型制造，或處理微小粒子形成所需的產(chǎn)品。要談及的關于刀具微 型制造的第一件事是它這里還沒有；第二件要說的事是它并不遙遠。 為什么微型制造和刀具相關。因為最主要的是顆粒尺寸越小，硬質(zhì)合金材料韌性越好且更耐磨。用納米級顆粒（一些專家定義為小于 ，而其他人堅持納米顆粒要小于）制造的硬質(zhì)合金刀具原型已經(jīng)做好并測試 ,據(jù)稱耐磨性戲劇性地增加。問題是納米級的硬質(zhì)合金顆粒不能靠粉碎較大的材料形成，它們一定得通過更小的材料構成，而處理分子級粒子還不是一件容易和經(jīng)濟的事情。