首先、刀具材料是刀具幾何設(shè)計(jì)和加工工藝參數(shù)選擇的基礎(chǔ)。刀具材料是推動(dòng)當(dāng)今高速切削技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，刀具材料的超前發(fā)展為高速切削加工工藝的發(fā)展創(chuàng)造了重要的條件。
隨著航空航天業(yè)的快速發(fā)展以及新型材料的廣泛應(yīng)用，金屬切削加工技術(shù)的研究與發(fā)展需解決更多、更復(fù)雜的加工題目。盡管目前多種特種加工技術(shù)已應(yīng)用于航空航天材料的加工，并可達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但切削加工還是生產(chǎn)中首選的方法。其中，高速切削加工技術(shù)是先進(jìn)實(shí)用的制造技術(shù)，正成為切削加工的主流，具有強(qiáng)大的生命力和廣闊的應(yīng)用遠(yuǎn)景。
刀具材料是刀具幾何設(shè)計(jì)和加工工藝參數(shù)選擇的基礎(chǔ)。刀具材料是推動(dòng)當(dāng)今高速切削技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，刀具材料的超前發(fā)展為高速切削加工工藝的發(fā)展創(chuàng)造了重要的條件。本文主要討論切削加工典型航空航天材料——高溫合金刀具材料的公道選用，并進(jìn)一步對(duì)刀具幾何角度做扼要分析。
高速切削技術(shù)背景以及被加工材料
1 高速切削技術(shù)
在常規(guī)切削速度范圍內(nèi)，切削溫度隨切削速度的進(jìn)步而升高，然而德國(guó)物理學(xué)家Carl.J.Salomon的高速切削理論卻指出:當(dāng)切削速度進(jìn)步到某一閾值后，切削溫度反而隨切削速度的進(jìn)步而降低，在這樣的高速區(qū)進(jìn)行切削加工，會(huì)有比常規(guī)切削加工更低的切削溫度和更小的切削力，因此，高速切削加工能得到高的加工精度并明顯進(jìn)步生產(chǎn)率。
高速切削技術(shù)是高速切削加工過(guò)程能量的應(yīng)用中，由于高硬的刀具(切削部分)對(duì)工件的作用，導(dǎo)致其表面層產(chǎn)生高應(yīng)變速率的高速切削變形，同時(shí)刀具與工件之間存在著高速切削摩擦學(xué)行為。所以，形成熱、力耦合不均勻強(qiáng)應(yīng)力場(chǎng)，這種工藝技術(shù)稱之為高速切削加工技術(shù)。
再次、不同材料的告訴切削加工速度范圍
高速切削是一個(gè)相對(duì)的概念，不同的加工方式、不同工件有不同的高速切削范圍。根據(jù)目前實(shí)際情況和可能的發(fā)展趨勢(shì)，不同的工作材料的大致切削速度范圍如圖1所示。
2 高溫合金
高溫合金，特別是鎳基高溫合金具有優(yōu)良的高溫強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性及抗熱疲憊性能。
高溫合金是難加工材料之一。若45#鋼的加工性為100%，則高溫合金的相對(duì)加工性僅為10%～20%。其切削加工的特點(diǎn)為：切削力大，約是普通鋼材的1.5～2倍；切削溫度高，最高達(dá)1000℃以上，加工硬化嚴(yán)重，表面硬度比基體硬度高50%～100%；塑性變形大，在室溫下的延伸率可達(dá)30%～50%；刀具易磨損，常見(jiàn)的有擴(kuò)散磨損、邊界磨損、刀尖塑性變形、月牙洼磨損及積屑瘤。
3 應(yīng)用
高速切削技術(shù)加工高溫合金對(duì)應(yīng)不同的工件材料，其高速切削的臨界值由于材料各自的加工性差異而各有不同。在高溫合金的切削加工中，由于該材料體現(xiàn)出上述諸多的難加工特性，使得它的加工性能極其差，因而通常的切削速度比較低，一般在10～20m/min左右。根據(jù)圖1可知，當(dāng)切削速度達(dá)到15～30m/min時(shí)，即以為該速度進(jìn)進(jìn)了普通切削和高速切削的過(guò)渡區(qū)，當(dāng)切削速度超過(guò)30m/min時(shí)，可以以為其完全進(jìn)進(jìn)了高速切削狀態(tài)。
在高速切削加工中，切削速度進(jìn)步到某一閾值后，隨著切削速度的進(jìn)步，切削力降低，切屑帶走的熱量相對(duì)更多，傳給刀具和工件的熱量相對(duì)未幾。因此，切削溫度開(kāi)始固然升高很快，但達(dá)到一定速度后，逐漸緩慢，升高很少，甚至略有下降。因此，高速切削加工能得到高的加工精度并明顯進(jìn)步生產(chǎn)率。
切削高溫合金實(shí)際上是一種高溫切削加工，與高溫合金一樣，硬質(zhì)合金在高溫下(例如1000℃)硬度會(huì)明顯下降，所以應(yīng)用高速切削技術(shù)，公道地選擇切削速度和切削會(huì)使得切削效率和切削效果明顯改善。
高速切削高溫合金的刀具材料應(yīng)該具有高強(qiáng)度、高的紅硬性、良好的耐磨性和韌性、高的導(dǎo)熱性和抗粘接能力等，適用于高速切削的刀具材料主要包括：涂層硬質(zhì)合金刀具、陶瓷刀具和立方氮化硼(CBN)刀具等。
再次、高速切削高溫合金的機(jī)理簡(jiǎn)析
1 高速切削的切削區(qū)的材料變形
在刀具與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的作用下，工件材料的被切除部分及其鄰近區(qū)域?qū)⑹艿降毒叩摹扒小薄ⅰ案睢焙汀皵D”的作用，使被切除的材料經(jīng)變形后形成切屑，而其鄰近區(qū)域(如已加工表面)也將產(chǎn)生一定的變形。
剪切面與變形系數(shù)
切削區(qū)分為4個(gè)變形區(qū)：(1)基本變形區(qū)；(2)前刀面摩擦變形區(qū)；(3)后刀面摩擦變形區(qū)；(4)刃前變形區(qū)。1區(qū)和2區(qū)消耗動(dòng)力的主要部分，而3區(qū)和4區(qū)則對(duì)形成加工表面起著重要的作用。
假如切削刃鋒利，則4區(qū)很小；如刀具后角大，則3區(qū)也很小。1區(qū)是主要變形區(qū)，如切削速度足夠高，則1區(qū)變得很窄，幾乎成為一個(gè)面，稱為剪切面(見(jiàn)圖2中的線OM)。剪切面的方向與切削速度的方向之間的夾角是剪切角?。
剪切角?的大約數(shù)值可用M·E·Merchant(麥錢特)公式或Lee and Shaffer(李和謝弗)公式計(jì)算。
M·E·Merchant公式：
?=π/4-β/2+y0/2，
Lee and Shaffer公式：
?=π/4-β+y0，
式中：β——前刀面與切削間的摩擦角；
y0——前角。
當(dāng)切削速度很高時(shí)，被切材料來(lái)不及充分變形，剪切角?加大，變形量減小，從而切削力也減小。切削速度進(jìn)步后，前、后刀面與切屑、工件間的的摩擦隨之降低，因此，前刀面與切屑間的摩擦角β減小，進(jìn)而摩擦因數(shù)減小，從而有利于切削力減小。
應(yīng)用高速切削技術(shù)加工高溫合金，可以使得切削速度增大并超過(guò)某一閥值后，切削力增大的趨勢(shì)大大減緩，甚至出現(xiàn)切削力降低，從而有利于切削的順利進(jìn)行。
切削熱的來(lái)源
2 高速切削的切削熱和切削溫度
在切削過(guò)程中，切削熱的來(lái)源是剪切面區(qū)域材料變形所做的功和前、后刀面所做的摩擦功，如圖3所示。一部分切削熱傳到切屑中被切屑帶走；一部分熱傳到工件中；還有一部分熱傳到刀具中。當(dāng)切削速度進(jìn)步后，傳進(jìn)切屑而被切屑帶走的熱量份額增多，而傳進(jìn)工件和刀具的熱量份額減小，故工件、刀具升溫并不大。
高溫合金由于其材料的特性，具有較高的高溫強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)剪切強(qiáng)度，熱擴(kuò)散系數(shù)較小，切削時(shí)易產(chǎn)生加工硬化，這將導(dǎo)致刀具切削區(qū)溫度高，所以切削溫度很高。切削高溫合金實(shí)際上是一種高溫切削加工，刀具材料在高溫下(1000℃以上)與高溫合金的硬度會(huì)同時(shí)明顯下降，這使得刀具快速磨損、破損直至失效。所以，高溫合金的加工的一個(gè)重要手段就是降低溫度。除了冷卻液等冷卻方式外，應(yīng)用高速切削技術(shù)，可以使得在加工效率、加工精度進(jìn)步的情況下，切削溫度并不明顯進(jìn)步，反而會(huì)略有下降。因此，高速切削高溫合金是其加工的極其優(yōu)化的選擇。
3 高速切削的動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)析
從動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)看，高速切削加工中，隨著速度的增加，切削力增大趨勢(shì)減緩甚而略有下降，將有利于減小由于切削力原因產(chǎn)生的振動(dòng)。另外，由于轉(zhuǎn)速的進(jìn)步，使切削系統(tǒng)的工作頻率大大闊別機(jī)床的低階固有頻率，因此高速切削加工可大大降低加工表面質(zhì)量。
高溫合金廣泛應(yīng)用于航空航天產(chǎn)業(yè)。由于航空航天中的很多部件由于所受的載荷多為周期性載荷，因此為了保證其良好的使用壽命，必須對(duì)其加工表面質(zhì)量提出嚴(yán)格的要求，因此，能夠大大改善其表面加工質(zhì)量的高速切削技術(shù)的應(yīng)用勢(shì)在必行。刀具材料的選擇
1 硬質(zhì)合金
硬質(zhì)合金刀具材料業(yè)已廣泛應(yīng)用于高溫合金的加工。由于加工高溫合金切削力大，切削溫度高并集中在刀刃四周，輕易產(chǎn)生崩刃和塑性變形現(xiàn)象，因而通常采用韌性和導(dǎo)熱性較好的K類和高溫性能好的S類合金。
碳化物晶粒的均勻尺寸低的WC-Co類硬質(zhì)合金(超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金)，其硬度可達(dá)90～93HRA，抗彎強(qiáng)度為2000～3500MPa，由于其硬質(zhì)相和鈷高度分散，增加了粘結(jié)面積，進(jìn)步了粘結(jié)強(qiáng)度，在高溫合金的加工中表現(xiàn)出優(yōu)異的切削性能。如用超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金(91.5HRA，σbb=2800MPa)切削鎳基合金GH141，在切削速度Vc=42m/min，進(jìn)給f=0～3.5mm/r條件下，刀具壽命接近15min。
2 涂層硬質(zhì)合金
涂層硬質(zhì)合金一般是用物理和化學(xué)氣相沉積工藝(PVD，CVD)在硬質(zhì)合金表面涂覆一層或多層耐磨性化合物，如TiC，TiN，Al2O3等，使刀具表層具有很高的耐磨性和耐熱性，同時(shí)整體的強(qiáng)度和韌性也不降低，從而獲得遠(yuǎn)高于基體的表面硬度和優(yōu)良的切削性能。
涂層刀片的涂層溫度低，保持了基體的高強(qiáng)度，而且能給刀具切削刃表面提供一個(gè)可防止高溫合金切削中最輕易產(chǎn)生裂紋的壓應(yīng)力，而沒(méi)有減少刀具韌性，所以它能提供一個(gè)密度高、金相組織均勻的涂覆表面，極好地延長(zhǎng)刀具壽命。對(duì)比當(dāng)前涂層硬質(zhì)合金所使用的各種圖層材料，對(duì)應(yīng)高溫合金的高速切削，筆者以為TiAlN涂層由于其化學(xué)分解的溫度較高而最適合。如筆者使用伊斯卡(Iscar)IC907 TiAlN PVD涂層刀片，用于加工GH4169，切削速度Vc=50m/min，f=0.1mm/r，切削深度ap=1mm，壽命為22min。
3 陶瓷
鎳基合金切削溫度高，在高溫區(qū)易與刀具材料發(fā)生非常強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)，陶瓷刀具材料具有硬度高、耐磨性能好、耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良、不易與金屬產(chǎn)生粘結(jié)的特點(diǎn)，已成為高速切削高溫合金的主要刀具材料之一。
氧化鋁(Al2O3)基陶瓷(如Al2O3+TiC)在1200℃時(shí)也能保持HRA80的硬度進(jìn)行切削，所以可以用比硬質(zhì)合金高4～5倍的切削速度加工高溫合金，如筆者用氧化鋁(Al2O3)基陶瓷加工GH4169，Vc=50m/min，f=0.1mm/r，ap=1mm時(shí)，刀具壽命約為100s。
脆性是制約陶瓷刀具廣泛使用的一個(gè)重要因素，晶須增韌陶瓷刀具是一種特殊材料的刀具，由于它具有抗沖擊韌度好、抗熱沖擊性能強(qiáng)的特點(diǎn)，降低了陶瓷刀具高脆性的缺陷，所以在高速切削高溫合金中，晶須增韌陶瓷的性能優(yōu)于氧化鋁基陶瓷。其中，Al2O3SiCw晶須增強(qiáng)陶瓷特別適合于高速加工硬度低的鎳基合金。例如，南京航空航天大學(xué)使用肯納金屬(Kennametal)晶須狀陶瓷Al2O3和SiCw混合結(jié)構(gòu)的KY4300切削GH4169，Vc=50m/min、f=0.2mm/r，ap=1mm時(shí)，刀具壽命約為120s，切削速度為80m/min時(shí)，刀具壽命約為150s；氮化硅(Si3N4)基陶瓷有較高的強(qiáng)度和韌性(抗彎強(qiáng)度為900～1500MPa)、較高的耐熱性能(可達(dá)1300℃～1400℃以上)、優(yōu)良的耐熱沖擊能力(是Al2O3的2～3倍)和高的導(dǎo)熱系數(shù)。氮化硅陶瓷(Si3N4)也可用于高溫合金的加工。應(yīng)用氮化硅(Si3N4)基陶車削鎳基合金時(shí)，切削速度可達(dá)300m/min以上。
氮氧化硅鋁(Sialon)此種材料系用氮化鋁、氧化鋁和氮化硅的混合物在高溫下進(jìn)行熱壓燒結(jié)而成的材料。該種刀具材料具有很高的硬度和韌性。利用高速干式切削產(chǎn)生的切削熱，可使被加工材料變軟而改善其切削加工性，而陶瓷刀具仍可保持良好的高溫紅硬性，這是刀具壽命明顯進(jìn)步的根本原因。Sialon陶瓷韌性很高，適合于切削過(guò)固溶處理高溫合金，已成功用于鎳基高溫合金的加工，是高速加工鎳基高溫合金的理想刀具材料。例如，南京航空航天大學(xué)使用Sialon基體的KY2100圓形陶瓷刀具切削GH4169，f=0.2mm/r，ap=1mm，Vc=160m/min時(shí)，刀具壽命約為60s。沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)團(tuán)體有限公司，使用Si3N4Sialon陶瓷銑削鎳基合金NO.263(與Inconel718相近)，切削速度為150～400m/min，刀具壽命為40s左右。
4 立方氮化硼
立方氮化硼CBN有高的硬度和耐磨性，有很高的熱穩(wěn)定性(可達(dá)1400℃～1500℃)，優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、較好的導(dǎo)熱性(是硬質(zhì)合金的20倍)和較低的摩擦系數(shù)(系數(shù)值為0.1～0.3，硬質(zhì)合金的摩擦系數(shù)為0.4～0.6)，低的摩擦系數(shù)和優(yōu)良的抗粘能力使CBN刀具切削時(shí)不易形成滯流和積屑瘤，故適于高速切削高溫合金。加工高溫合金inconel718，最佳切削速度為100～120m/min。PCBN是在高溫高壓下將微細(xì)的CBN材料通過(guò)結(jié)合合金元素(TiC、TiN、Al、Ti等)燒結(jié)在一起的多晶材料。PCBN的化學(xué)惰性特別大，在1200℃～1300℃時(shí)也不與鐵系材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，與碳在2000℃時(shí)才發(fā)生反應(yīng)，在中性、還原性的氣體中，對(duì)酸堿都是穩(wěn)定的。PCBN刀具用來(lái)高速切削鎳基高溫合金，進(jìn)給量f=0.05～0.15mm/r，切削深度ap=0.1～3.0mm的條件下，切削速度Vc=120～240m/min；進(jìn)給量f=0.05～0.15mm/r，切削深度為ap=0.1～3.0mm。
刀具幾何角度及工藝參數(shù)
高速切削高溫合金時(shí)，刀具失效的類型主要有：溝槽磨損、積屑瘤等。尤其是在用陶瓷刀具高速切削鎳基合金時(shí)，溝槽磨損非常嚴(yán)重，是制約刀具壽命的重要因素。
針對(duì)溝槽磨損，刀具幾何角度及工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)選擇為：(1)增大刀柄夾持角度；(2)采用較大的切削深度，對(duì)應(yīng)不同的高溫合金材料，應(yīng)該盡量使得切削深度大于上一道工序留下的加工硬化層的厚度；(3)刀片外形盡量設(shè)計(jì)得強(qiáng)度足夠大。假如可能，設(shè)計(jì)成圓形，并且，當(dāng)?shù)镀庑卧O(shè)計(jì)為圓形時(shí)，切削深度相對(duì)減小一些，減小大概原切削深度的1/7。
針對(duì)積屑瘤，刀具幾何角度及工藝參數(shù)度的設(shè)計(jì)選擇為：(1)高速切削狀態(tài)下，盡量增加切削速度，積屑瘤現(xiàn)象將受到抑制；(2)采用比較小的正前角，鋒利的涂層刀具;(3)公道使用冷卻液。
最后、高速切削加工技術(shù)可明顯進(jìn)步高溫合金切削加工的效率和刀具壽命，且能得到很好的加工質(zhì)量。選擇公道的高速刀具材料，并相應(yīng)設(shè)計(jì)其合適的幾何角度和加工工藝參數(shù)是實(shí)現(xiàn)高溫合金這種典型的航空航天難加工材料高效加工的必要條件和重要途徑。
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