淺談機械發(fā)展與刀具材料現(xiàn)狀

1、我國在金屬切削方面有著悠久的歷史。古代加工石質、木質、骨質和其他非金屬器物是今天金屬加工的序曲。在舊石器時代就有石砍砸器，到了新石器時代，人們再與大自然的搏斗中生產(chǎn)工具得到了不斷的改進，如：石斧、石刀、石鐮等。并且以能在石器上鉆孔。甚至把堅硬的石刃鑲嵌或粘接在骨把上制成夾固式石刃骨刀。人類從這時候起，在生產(chǎn)實踐中逐步認識了刀刃的作用?？梢赃@樣說，一個原始的切削加工過程形成了。 基本上具備了切削的基本條件： 刀具 （ 帶刃口的石器 ） ， 被加工對象（ 生產(chǎn)和生活用品 ） ，切削運動。我國的金屬切削加工工藝，從青銅器時代開始萌芽的，并逐漸形成和發(fā)展。從殷商到春秋時期已經(jīng)有了相當發(fā)達的青銅冶鑄業(yè)出

2、現(xiàn)了各種青銅工具，如：青銅刀、青銅銼、青銅鋸等等。同時有出土文物與甲骨文記錄表明，這個時期的生產(chǎn)的青銅工具和生活工具，在制造過程中大都要經(jīng)過切削加工或研磨。我國的冶鑄技術比西歐早一千多年。滲碳、淬火、和煉鋼技術的發(fā)明，為制造堅硬鋒利的工具提供了便利的條件。鐵質工具的出現(xiàn)，表明金屬切削加工進入了一新的階段。有記載表明早在三千多年前的商代已經(jīng)有了旋轉的琢玉工具，這也就是金屬切削機床的前身。 70 年代在河北滿城一號漢墓出土的五銖錢， 其外圓上有經(jīng)過車削的痕跡，刀花均勻，切削振動波紋清晰，橢圓度很小。有可能將五銖錢穿在方軸上然后裝夾在木質的車床上，用手拿著工具進行切削。八世紀的時候我國就有了金屬切削

3、車床。到了明代，手工業(yè)有了很大的發(fā)展，各種切削方法，有了較細的分工。如：車、銑、鉆、磨等等。從北京古天文臺上的天文儀器可以看出當時采用了與五、六十年代類似的加工方法。這也就說明當時就有較高精度的磨削、車削、銑削、鉆削等等。其動力是畜力和水力。清末，由于政府腐敗和外國的侵略使我國的科學技術發(fā)展停滯不前，金屬加工也處于落后的狀態(tài)。解放前，我國的工業(yè)已經(jīng)十分落后，根本沒有自己的機床，工具制造業(yè)。就連高速鋼這樣的工具材料，麻花鉆這樣的普通工具都不能制造。解放后，我國的機床也有了長足的發(fā)展。機床和工具制造業(yè)也從無到有，從小到大。七八十年代，工具材料進一步得到發(fā)展，硬質合金和高速鋼的規(guī)格和品種不斷增加。如

4、：涂層硬質合金、立方碳化硼，陶瓷等等。到了八十年代數(shù)控、數(shù)顯設備也開始發(fā)展起來了。由于受當時電子設備、微機、傳輸?shù)扔绊?，沒有太大的發(fā)展空間。隨著電子設備、微機、傳輸速率的快速發(fā)展，數(shù)控、數(shù)顯設備也快速發(fā)展起來了?，F(xiàn)今，我國機床制造也已基本上成熟了，特別是在普通機床上。準確來講機床是先進制造技術的載體，機械產(chǎn)品質量、更新速度、應變能力、效率在相當程度上取決于機床。我國現(xiàn)在對機床的需求將是中檔數(shù)控機床、 加工中心和專用機床為主。 其他機床相對要少得多了。而我國的尖端數(shù)控機床和自動化生產(chǎn)線的制造還不能與世界強手相比。但是，我國在軍事，航空等方面還需要精密、復合、智能的設備。這也就要求我們奮發(fā)圖強趕上

5、他們，在這樣的環(huán)境下也確定了我國數(shù)控機床的發(fā)展方向，向復合、高速、智能、 精密、環(huán)保等方面的發(fā)展，完善我國自主知識產(chǎn)權的開放式數(shù)控系統(tǒng)平臺及技術規(guī)范，開發(fā)數(shù)控機床的智能化和網(wǎng)絡化技術；進一步研究并聯(lián)加工技術和集車、磨、銑、鉆、鉸、鏜等工序于一身的集成技術，減少加工中的裝夾次數(shù)；攻克高水平電主軸、直線電機、高速滾珠 絲杠等功能部件制造技術，提高產(chǎn)品性能和技術水平；推廣機械加工中的無冷卻、無潤滑、 無氣味等技術，減少機床使用中對環(huán)境的污染。而普通機床也不能少，在小規(guī)模的生產(chǎn)廠家普通機床是必不可少的，這些廠家主要以修配和 小批量生產(chǎn)為主，一些民品的精度不是很高，普通機床完全可以滿足他們的需要。刀具材

6、料的發(fā)展及現(xiàn)狀在現(xiàn)代機械加工中，刀具材料以硬質合金和高速鋼用得最多，幾乎各占一半。高速鋼的發(fā)明和應用，已有整整一個世紀的歷史，硬質合金則已有半個世紀。但二者均研制出許多新 品種，其性能不斷提高，在機械加工中發(fā)揮著重要作用。近年來，隨著數(shù)控加工技術的迅猛 發(fā)展以及數(shù)控機床的普遍使用，要實現(xiàn)高效率、高穩(wěn)定性、長壽命加工。超硬刀具的應用也 日漸普及起來，同時引入了許多先進的切削加工概念，如高速切削、硬態(tài)加工、高穩(wěn)定性加 工、以車代磨、干式切削等。超硬刀具已成為現(xiàn)代切削加工中不可缺少的重要手段。超硬刀具超硬刀具主要包括金剛石刀具和立方氮化硼刀具，其中以人造金剛石復合片（PCD）刀具及立方氮化硼復合（P

7、CBN）刀具占主導地位。PCD金屬切削刀具PCD金屬切削刀具可利用PCD材料的高硬度、高耐磨性、高導熱性及低摩擦系數(shù)實現(xiàn)有色金屬及耐磨非金屬材料的高精度、高效率、高穩(wěn)定性和高表面光潔度加工。此類刀具從結構上主要可分為焊接式 PCD刀具和可轉位式 PCD刀片。近年來焊接式 PCD刀具中發(fā)展較快的品種 是帶標準刀柄的 PCD刀具，如帶柄PCD銃刀、PCD堂刀、PCD錢刀等，刀柄型式主要為圓柱柄、 錐柄和HSK柄。這種刀具（尤其是多齒刀具）的特點是切削刃對刀柄的跳動?。ㄈ缛虚L為30mm的HSKW PCDa刀的切削刃跳動僅為0.002mm）,尤其適合于對各種有色金屬零件的成形面、孔、階梯孔等進行大批量

8、高速加工。例如，采用鋁基體刀盤的PC*速銃刀（六刃，直徑100mm）最高轉速可達20,000r/min 以上，切削速度可達7,000m/min ?？赊D位式PCD刀片是在硬質合金可轉位刀片上鑲裝一塊PCD刀坯再經(jīng)刃磨而成，可裝夾在各種數(shù)控機床的刀桿、刀夾或刀盤上，用于高可靠性的大批量加工。隨著數(shù)控機床、加工中心及自動生產(chǎn)線的日益普及，可轉位式PCD刀片的使用越來越多，其刀具耐用度較硬質合金刀具可提高幾十倍。PCBN金屬切削刀具PCBNfe屬切削刀具也可分為焊接式PCBNW具和可轉位式PCBNW片兩類。焊接式PCBNW具是將PCBNW坯焊接在鋼基體上經(jīng)刃磨而成，主要有車刀、鑲刀、錢刀等。PCBN刀

9、具大多用于耐磨黑色金屬的加工，因此其刀尖角不能太小，刀具前角一般為-5 5。，后角一般為3。10。，斷續(xù)切削時一般采用負倒棱。轉位結構的 PCBN刀片（主要為車刀片和銃刀片）一般是在可轉位硬質合金刀片的一個角上鑲 焊一塊PCBNW坯，經(jīng)刃磨而成?？紤]到刀坯較貴及重磨等原因，一般只做成一個刀尖。隨著焊接工藝質量的提高，其剪切強度可達0.78kg/m2。隨著PCBNH坯尺寸越做越小，不重磨PCBN 刀片的價格也隨之降低。超硬刀具的典型應用1 ） 硬態(tài)加工，以車代磨由于PCBNH具具有極高的硬度及紅硬性，可使被加工的高硬度零件獲得良好的表面粗糙 度，所以采用PCBNW具車削淬硬鋼可實現(xiàn)“以車代磨”。

10、應用實例如汽車、摩托車齒輪孔的加工，此類零件材料一般為20CrMnTi,滲碳淬火，表面硬度為6062HRC齒輪孔精度為IT6 ,表面粗糙度RaK 0.8 mi傳統(tǒng)加工工藝為：機加工 - 熱處理-磨削。采用超硬刀具“以車代 磨”的加工工藝為：粗加工- 熱處理 - 精加工。新工藝可大幅度提高加工效率，降低加工成本，原采用磨削工藝一班僅能加工100個小齒輪， 現(xiàn)采用PCBNWM車削（切削參數(shù)V=60120m/min, f 1,000件。（ 3 ） 有色金屬的高速、高穩(wěn)定性、低粗糙度加工及鏡面加工采用PCD刀具加工有色金屬時，由于金剛石硬度高，表面與金屬親合力小，且刀具一般 拋光成鏡面，不易產(chǎn)生積屑瘤

11、，因此加工尺寸穩(wěn)定性及表面質量都很好，刀具壽命也較長。例如，采用 PCD刀具加工電機整流子的紫銅換向器，典型切削參數(shù)為：V=300m/min,f=0.08mm/r , ap5,000件，而采用硬 質合金刀具則只能加工幾件。采用PCD刀具加工各種硅鋁合金零件，表面粗糙度RaK 0.1科m,刀具壽命可達幾千幾萬件，尤其適合汽車、摩托車零件的大規(guī)模生產(chǎn)。采用單晶金剛石刀具，在超精密車床上可實現(xiàn)鏡面球形加工。機床采用超精密氣體靜壓主軸及回轉工作臺，跳動量w0.3 m,工件采用高精度氣動卡盤，可實現(xiàn)快速高精度定位。加工無氧銅材料時，表面粗糙度RaK0.025科mi圓度w0.3科m;加工鋁件時，表面粗糙度

12、 Rav 0.025 科 mi( 4 ) 干式切削，清潔化加工采用PCBNW具加工含硼鑄鐵缸套，切削參數(shù)：V=200m/min, f=0.1mm/r , ap=0.21mm加工表面粗糙度 Raw 1.6科m,精度IT6 ,兩次刃磨間刀具壽命 100件，可實現(xiàn)“以車代磨”。 由于采用干式切削，避免了切( 磨) 削液及砂輪灰對環(huán)境的污染，切屑也可回收再利用，符合清潔化生產(chǎn)要求。以上所說的刀具價格比較貴一些小型生產(chǎn)廠家由于成本的問題不會去大量購買。(三) 我國的新型刀具這種添加稀土元素的硬質合金是刀具材料新品種之一。稀土元素是指化學元素周期表中原子序數(shù)5771(從La到Lu),再加上21和39(Sc

13、和Y),共17個元素。將某些稀土元素，以一定方式，微量添加到傳統(tǒng)的硬質合金牌號中，即可有效地提高它們的機械性能與切削性能。我國稀土元素資源豐富，對稀土硬質合金的研究開發(fā)，領先于其他國家。已研制出下列牌號的刀具用稀土硬質合金：YG8R相當于ISO K30級另1J)、YG6R(K20)、YW1R(M10)YW2R(M20)YT5R YT14R(P20)、YT15R(P10)、YS25R(P25)。還有礦山、地質工具牌號YG11CR 在 YG8YT14、YW1硬質合金中添加了 Ce Y等稀土元素后，形成了稀土硬質合金 YG8R YT14R YW1R YG8要用于鑄鐵和有色金屬的粗加工；YT14R主要

14、用鋼材的半精加工；YW1RW為通用牌號，可用于各種工件材料的半精加工。經(jīng)過測試，添加稀土元素后硬質合金的組織比較致密；室溫硬度和高溫硬度有所改善；斷裂韌性和抗彎強度顯著提高，分別提高20%和 10%以上。稀土硬質合金的耐磨損和使用壽命試驗通過一些試驗，稀土硬質合金與無稀土元素的原刀片相比，YG8R YT14R YW1R刀片的耐磨性和使用壽命均有不同程度的提高。 稀土硬質合金與無稀土元素的原刀片相比， 在車削 花鍵軸鋼件，便刀尖受沖擊，直至刀尖破損為止。經(jīng)多次重復試驗，在刀尖破損前，YG8R、YT14R YW1R0片所能承受的沖擊次數(shù)分別比YG8 YT14 YW1刀片提高12倍以上等優(yōu)勢。稀土元素存在于(W,Ti)C或(W,Ti,Ta,Nb)C 固溶體中，能強化硬質相；并能抑制WC1粒不均勻長大，使之趨向均勻，平均晶粒尺寸有所減小。少量稀土元素還固溶在粘結相 Co 中， 使粘結相得到強化。稀土元素富集在WC/Co的相界面處及(W,Ti)C/(W,Ti)C 等相界面間，常與雜質S、。等