車削加工的最新動向

1 引言
    當(dāng)今制造業(yè)的發(fā)展要求交貨期短、加工成本低，傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式已難以適應(yīng)，因此，CNC復(fù)合車削中心類的集約型機床備受關(guān)注。零件已趨于多種復(fù)合形狀一體化的結(jié)構(gòu)，由圓柱面和平面組成、不同側(cè)面上分別有孔等等。要加工這類零件，除了車削以外，還必須具備其它的切削加工能力。如采用CNC復(fù)合車削中心就能在一臺機床上完成多項加工工序，實現(xiàn)集約型加工。隨著這種趨勢的出現(xiàn)，用于CNC復(fù)合車削中心的車削刀具應(yīng)運而生。
    另外，隨著高速銑削的出現(xiàn)，切削速度和進給速度越來越傾向于高速化。雖然車削的切削速度及進給速度也在提高，但卻沒有銑削變化大，其原因在于車削（連續(xù)切削）與銑削（斷續(xù)切削）的切削方式不同，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
    （1）由于車削通過工件旋轉(zhuǎn)進行切削，所以保持工件的夾緊剛性、減少不平衡量、提高切削速度較困難。
    （2）與斷續(xù)切削的銑削相比，連續(xù)切削的車削對于刀具壽命會產(chǎn)生更為不利的影響。
    因此，車削時如采用與高速銑削一樣的小切深、高切速、快進給的切削條件，則很難實現(xiàn)高精度及高效率加工。但車削加工也在尋求新的發(fā)展，正在進行能使加工集約化、生產(chǎn)快速化、生產(chǎn)設(shè)備簡單化、加工周期短期化以及成本低廉化所要求技術(shù)的開發(fā)。CNC復(fù)合切削是一種發(fā)展趨勢，它要求可采用車削刀具和回轉(zhuǎn)刀具，且可加工多種形狀的產(chǎn)品。
    本文就如何應(yīng)對車削加工的最新需求以及高附加值加工工具的最新動向作一介紹。
    2 車削用刀具的最新動向
    用于車削加工的刀片一直以涂層硬質(zhì)合金為主，要求刀片壽命長、可靠性高、能適應(yīng)高速切削等特性。由于工件毛坯凈成形技術(shù)的發(fā)展，加工余量逐漸減小，使切削更穩(wěn)定，因此刀具壽命就成了選擇刀具的關(guān)鍵。提高刀具使用壽命的方法并不像立銑刀那樣改進切削刃形狀，而是針對刀具材質(zhì)制定對策，以提高硬質(zhì)合金涂層的耐磨性來延長刀具壽命。另外，幾年前就已出現(xiàn)了在不降低切削表面光潔度的情況下提高進給量的特殊刀尖形狀（具有銑刀修光刃效果的形狀）的可轉(zhuǎn)位刀片。
    2.1 刀具材料
    車削用可轉(zhuǎn)位刀片以涂層硬質(zhì)合金為主這一點變化不大，但近年來以高速切削和提高刀具壽命為目的的新型涂層和基體材料的開發(fā)有了很大進展。涂層硬質(zhì)合金近年來也有了新的發(fā)展，如金屬陶瓷具有很高的抗粘結(jié)性，在HRC40以下鋼材的精加工時可進行高速切削，且表面粗糙度低；但它在切削時的耐熱性和抗沖擊性較差，所以適用范圍有限。若使用金屬陶瓷（平滑的PVD TiAlN涂層）涂層，就可以既能保證表面粗糙度低，又能通過提高耐磨性達到延長刀具壽命的目的。
    以前采用CBN刀具加工硬度達HRC50的高硬度鋼材，現(xiàn)在由于涂層硬質(zhì)合金刀片性能的提高，也完全能夠勝任對高硬度鋼的切削加工，從而使涂層硬質(zhì)合金刀片的適用范圍日趨擴大。
    車削用可轉(zhuǎn)位刀片主要采用CVD涂層工藝提高涂層的結(jié)合強度和可靠性，其耐磨性和抗崩刃性能等與過去相比有了大幅度提高，下面作具體介紹：
    （1）耐磨性提高
   在實際應(yīng)用中，可以通過細顆粒的Al2O3平滑涂層的厚膜化來提高硬質(zhì)合金基體與涂層的附著強度，從而提高耐磨性；也可以通過提高TiAlN涂層中Al的比例來增強耐磨性能。
    車削鑄鐵用的可轉(zhuǎn)位刀片通過除去前刀面的TiN層和添加特殊涂層（提高結(jié)合強度和前刀面耐磨性能），可以滿足高速切削條件，延長刀具壽命。Si系復(fù)合膜（非結(jié)晶Si-N納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的涂層）具有耐氧化特性（氧化初始溫度為1100℃以上，一般的TiAlN涂層為900℃以上）和高硬度的特征，能夠高速切削鑄鐵（300m/min以上）。
    （2）抗崩刃性提高
    對硬質(zhì)合金基體（超細顆粒合金）進行表層強韌化處理，能防止切削時刀片刃口的崩刃及破損等，因此刀具制造商對涂層基體的改進從未間斷過。同時，在涂層硬質(zhì)合金方面采用了改善基體與涂層的結(jié)合強度作為提高刀具可靠性和壽命的關(guān)鍵措施。例如，有實驗報告表明，如果提高硬質(zhì)合金基體的表面粗糙度，就會加大涂層的結(jié)合強度，因此，有關(guān)硬質(zhì)合金基體表面特性的研究成果指日可待。
    （3）粘結(jié)現(xiàn)象減少
    在質(zhì)軟且韌性高的SCM系鋼材車削加工中，刀片切削刃容易發(fā)生材料粘結(jié)現(xiàn)象，引起涂層剝離及崩刃的發(fā)生。采用特殊Ti化合物使涂層表面平滑的刀片可以抑制崩刃及粘結(jié)現(xiàn)象的發(fā)生。
    （4）刀片刃口更加鋒利
    為防止涂層硬質(zhì)合金刀片刃部涂層剝離，一般的方法是將刃口做成R形狀。在小零件和溝槽切削時所用刀片的刀刃很鋒利，所以，PVD涂層厚度控制在3µm最適用。
    2.2 刀刃形狀
    最近，可以減小切削阻力的正前角三維復(fù)雜曲面形狀的斷屑槽增多，主要分為雙面斷屑槽和單面斷屑槽，前者適用于切深小的輕切削，后者適用于切深大的重切削。
    由于刀刃形狀采用三維CAD設(shè)計方法，開發(fā)能力顯著提高，隨著成形技術(shù)的進步，已可精確地顯示出自由曲面的形狀。例如，刀尖刀刃部位的倒棱形狀等細微部分的精確成形更有利于切削性能的提高。
    兩個角帶有45°角的四角形刀片的獨特刀刃形狀可滿足中、粗切削中高速快進給的切削條件，抑制邊界磨損的發(fā)生，有望在耐熱合金和鈦合金的車削中提高加工效率，延長工具壽命，提高切屑處理能力。
    為追求車削加工的高效率和高精度，前幾年各切削工具生產(chǎn)廠家就研制出了具有修光刃功能的刀刃形狀，即刀尖R與直線刀刃連接處有一個類似于銑刀刀片修光刃的刃部。采用修光刃和R形刀尖刀片進行精加工時，在不降低光潔度的情況下，可提高進給速度，實現(xiàn)高效率及高精度的加工。
    采用具有修光功能的刀片進行CNC切削時，由于它與傳統(tǒng)圓角刀片的刀刃位置不同，編程時需要進行修正。
    對于切槽和切斷刀片，采用壓制成型的獨立斷屑槽形狀和刀尖部位能承受切削力的凹形。這種用成型技術(shù)制成的形狀復(fù)雜的高性能切槽、切斷刀片，已有專業(yè)切削工具廠家在生產(chǎn)。
    3 車削用刀柄的最新動向

  在實現(xiàn)高效率、高精度的切削目標中，刀柄的作用越來越大。
    3.1 充分發(fā)揮刀片性能的刀柄
    眾所周知，車削中通常采用可轉(zhuǎn)位車刀，其刀片裝夾的剛性對工具壽命的穩(wěn)定、延長以及加工精度起著決定性作用。如同時采用固定銷和壓板壓緊的刀片固定方式，這種方式具有很高的剛性及可靠性，用途廣泛。
    3.2 刀柄一體化的車刀
    隨著CNC復(fù)合車削中心的普及，出現(xiàn)了能與加工中心通用的工具設(shè)計方案，該方案中車削刀具與刀柄集成一體，與加工件的接近性好，能保證穩(wěn)定而精密的切削。尤其是復(fù)合型刀柄，可同時安裝三把不同的車刀，節(jié)省了換刀時間，可完成粗車、精車、車外圓、車螺紋等不同工序的連續(xù)加工，從而實現(xiàn)了高效加工，刀柄配有可同時向兩把車刀供應(yīng)冷卻液的（噴霧冷卻劑、空氣、切削液）注入孔，能夠順利冷卻。
    4 車削工藝的最新動向
    4.1 多功能切削刀具
    用于CNC復(fù)合車削中心的多功能切削刀具由于刀刃形狀及刀具結(jié)構(gòu)的不同，使得切削加工呈現(xiàn)多樣化。使用這種刀具加工零件與使用內(nèi)外徑車刀、內(nèi)外螺紋車刀、立銑刀及鉆頭等通用刀具相比，實現(xiàn)了多功能刀具的簡單化。市場上已出現(xiàn)了能適應(yīng)小型零件加工的涂層硬質(zhì)合金整體多功能切削刀具。
    4.2 用于車削加工的銑削刀具
    車削中通常用車刀加工圓柱體，如果采用立銑刀加工圓柱體，則可達到效率高、斷屑易的效果。眾所周知，與車削的連續(xù)切削相比，立銑刀的斷續(xù)切削在延長工具壽命方面十分有利。隨著CNC復(fù)合車削中心的普及，采用車削和銑削的復(fù)合切削的加工方式將會不斷增加。
    5 結(jié)語
    采用立銑刀等銑削工具部分替代車削加工使得切削加工進入了一個多樣化的時代，CNC復(fù)合車削中心的出現(xiàn)使切削加工的生產(chǎn)方式迎來了一個巨大的轉(zhuǎn)折期。
    車削工具與加工中心的共有化和多功能化等新構(gòu)想正不斷涌現(xiàn)，在品種和產(chǎn)量多變的生產(chǎn)中，CNC復(fù)合切削技術(shù)以其集約性、工期短、成本低的優(yōu)越性而備受關(guān)注。為了完成復(fù)雜的加工工序和合理的切削加工需要很多切削工具，刀庫的容納能力有限，所以人們期待開發(fā)以最少數(shù)量的切削工具、刀片形狀及高壽命的工具材質(zhì)應(yīng)對多種形狀、尺寸及精度的加工。
    切削工具制造商，刀柄、工具系統(tǒng)制造商，CNC機床制造商以及用戶應(yīng)該攜起手來，共同推進車削加工技術(shù)的進步。