数控刀具切削刃制备技术的探讨

1 引言

　　为适应先进切削加工技术的迅速发展，数控刀具在高速、高效、高性能、高可靠性等质量方面的要求也不断提高。数控刀具的制造技术可归结为三大领域，即刀具基体材质的制备、刀具表面涂层的获取和刀具结构与几何参数的设计等。　　

在近二三十年间，从事数控刀具制造和应用的绝大多数单位都将大量资源投入到上述三大关键技术领域中，取得了很多切实的成果和进步，推动了数控刀具制造技术和产品的快速发展；但是对于数控刀具制造中的另外一个关键技术——数控刀具切削刃制备技术的研究、开发而言，学术界和产业界对其重要性认识相对滞后，研究不足投入不够，与国外相比差距更大。　　

在数控刀具尤其是硬质合金刀具、CBN及PCD等超硬刀具得以广泛应用的过程中，切削刃制备技术对于提升数控刀具切削性能的重要性日益显现÷切削刃制备技术过去常被认为是刀具结构与几何参数设汁的内容，但近几年来该技术已被认为是第四项关键技术：切削刃制备技术是在刀具生产过程中或者在其使用前，采用精加工技术和方法对已成形的刀具切削刃的微观几何形貌进行精细、超精细深度加工，一起来看一下数控刀具切数控技术削刃制备的探讨。　　

通过改善刃口、刃区的微观结构形貌、应力状态，可以提高刀具切削性能、可靠性及寿命等。切削刃的(微观)再制备，一是要消除或减少前道加工工序所造成的、刀具切削刃及其邻区(刃区)的微尺度几何形貌缺陷及力学性能缺陷，二是通过再制备的精细深加工，改变／改善并提高切削刃及其邻区(刃区)的微尺度几何形貌及力学性能，以达到提升刀具整体切削性能的目的。

2 历史回顾

　　切削工程是门实验科学，切削刀具的设计制造和参数选定，是在切削理论的指导下进行的，更是通过切削实验和生产实践来获取并验证的。切削刃制备技术也同样体现了这点：

　　切削过程是根据成品的几何形貌，遵循确定的路径对工件毛坯进行切削加工，切除多余材料并最终获得成品。切削时，首先接触并切人工件毛坯的是切削刃，因而在刀具一工件这一对矛盾中，刀具切削刃是矛盾的主要因素、在不重磨数控刀片得到广泛应用前，操作者常采用油石鐾刀，改善车刀刃口的光整度，以提高切削质量和刀具寿命二而今切削刃制备技术已成为高硬度刀具制造中的重要工序，尤其在数控硬质合金成形刀片／刀具的制造中，已成为不可或缺的关键工序一

　　随着硬质合金刀具和超硬刀具等高硬度刀具制造和应用的快速发展，切削刃制备的重要性更为突显，相关理论研究和工程技术实践得到更多的重视欧美日等工业发达国家在切削刃制备理沦和制备技术方面，进行了多年的研究开发工作，取得了大量的成果，并在实际应用上获得了明显的效果，逐步形成了切削刃制备成套技术和装备。工具所王守安在《工具技术》1992年第10期发表了德国译文‘刃口钝化处理——可转位刀片自动化生产中的重要工艺环节’，扼要说明了口T转位硬质合金刀具／刀片刃口钝化的重要性，简要介绍了德国WENDT公司开发的新型高自动化刃口钝化机。该设备具有毛刷自动修整和补偿的特点，文章还介绍了可转位硬质合金刀片自动化集成制造系统方案二该方案由多台高精度数控双端面磨床、周边磨、倒棱机、毛刷式钝化机、断屑槽自动磨床及清洗装置等多个模块所构成。钝化机的出现给大批量高质量、钝化一致性好的硬质合金刀片生产提供了可能：工具所马吉平在《工具技术》1992年第10期发表的综述文章‘石油管螺纹梳刀的日本专利技术’，介绍分析了日本住友金属钢管制造所、三菱金属等多家日本公司在难加工高合金钢石油管螺纹用梳刀刃口制备技术上的专利。其中包括刃口的二次钝化工艺等，文章强调了刃口强化／钝化是石油管螺纹刀具制造中的重要工艺。工具所张铁铭在《工具展望》2000年4期的译文‘刀具刃口的强化加工及其最新发展’中，介绍了，美国Conicitv公司新开发的CNC数控刀片刃口可控钝化机。该公司近年提出了‘工程微几何学’(EMG)的理念，(译文见《刀具展望》2012年3期)阐述了刃口切削过程。文中明确提出了在动态变化的切削刃一工件界面区域内不同关键区段中，切削刃刃制备量和切削进给量之比是一个需要严格控制的关键参数，它将影响到刀具的切削性能和工件质量；公司开发了‘非均匀町控切削刃制备技术’和相应的数控刃口钝化装备——专利产品IXM50刀片刃口制备系统。

它可用于所有常用材料和形状的不重磨数控刀片：根据不同加工对象和切削用量，该系统可对刀片切削刃不同部位的刃制备量尺寸和形貌，进行均匀或非均匀的精密可控制备(见图3)一2009年德国Kassel大学机械制造学院卡尔斯·朱里奥博士的论文‘采用微磨粒喷射和毛刷刷磨方法对精密切削刀具进行切削刃制备的研究’，明确地提到精密切削刀具系统开发的四个相关领域：切削刀具材料，涂层工艺，刀具的宏观几何结构设计制备和切削刃微观结构设汁制备。刃口制备关系到切削具的重现性(一致性)、质量、费用和可柔性，而刃口制备过程的合理选择和规划尤为重要二论文还研究了刃口几何学、刃口制备参数的确定和评估，以及采用微磨粒喷射和毛刷刷磨方法制备刃口的刀具实际使用效果比对，以及相应的刃制备参数的测量方法、技术及测量装置等。该论文对精密切削刀具的成套刃口制备技术和装备做了较系统的探究。

　　在追踪国外先进切削刃制备技术的同时，刘秀清在《工具展望》1984年第2期发表了‘刀具刃口强化工艺及其设备的研究动向’二该文介绍了刃口强化的理念和作用，即强化处理刃口，形成适宜的刃口半径，改善切削刃表层应力状态、硬度、刃口表面粗造度以及刃口涂层结合强度等，以提高刀具使用寿命；文中综述了七十年代起国外在刃口强化机理方面的研究成果和实际应用成效。基于该工艺所需投资少．设备简单，具有很高性价比和技术一经济价值的特点，作者建议采用推广；文章也较详尽地介绍了当时国外推行的多种强化方法和设备：该文为推动我国切削刀具制造领域积极开展刃口强化技术及装备的研究开发吹响了号角。宝钢杨振祥在《工具技术》1990年10期发表了‘硬质合金可转位刀片刃口钝化方法及刃口圆弧半径的测量’，全面介绍了常用的硬质合金可转位刀片刃口钝化方法——毛刷法，喷砂法，研磨和振动式钝化法等。还特别介绍了水平圆筒滚动式刀片振动钝化装置。它适合于螺纹类复杂刃形硬质合金刀片刃口的均匀钝化；文章对刃口圆弧半径的测量方法进行了探讨论述。哈工大袁哲俊教授1992年发表了‘金刚石刀具刀刃锋锐度对切削变形和加工表面质量的影响’一文揭示了超精密切削时天然单晶金刚石刀具的刀刃锋锐度对加工表面的质量影响很大；大连理工陈德宏博士和胡荣生教授于1999年发表‘硬质合金刀片刃部强化工艺的研究与应用’，阐述了硬质合金螺纹刀片刃口钝化的特殊性，介绍了自行开发、采用了振动珩磨法的立式钝化机、钝化工艺及钝化螺纹刀片。经试验验证，他们的设备在保证工件加工高质量的前提下成倍提高了刀具使用寿命；桂育鹏和于敝勋老师于2004年发表‘刀具刃口钝化技术的探讨’，简要阐述了刀具刃口钝化的重要性，介绍了他们自创的简易钝化机，并推荐了适用于该机器的多种优化钝化工艺参数；2008年山东大学姜良斌发表‘刀具刃口钝化及刀具管理集成信息系统研究’，对刀具刃口钝化技术进行界定，分析了刃口钝化对切削加工和工件表面质量的影响，推导了钝化尺寸计算公式和刃口钝化参数的选择等。文章特别进行了刀具刃口钝化查询系统的开发，并将其纳入了‘刀具管理集成信息系统’二2009年哈理工范依航的硕士论文‘高速刀具刃口刃形重构技术的研究’研究了刀具刃口刃形对高速切削过程的影响，在此基础上提出了刀具刃口刃形的重构理论和方法：同年，哈汽顾祖慰等在《工具技术》第8期发表‘刀具刃口钝化技术应用前景的展望’，介绍了他们将钝化工艺成功应用于加工汽轮机转子轮槽的枞树形铣刀，使刀具寿命和加工质量都得到了提高。

　　曾为我国切削刀具研究制造领域技术归口单位的成都工具研究所，从上世纪60年代末就开始针对石油管螺纹数控刀片的成套加工制造技术进行了系统的研究开发；对精密螺纹刀片切削刃口的强化处理制备技术和装置，进行了科研和产业化的实践和探索，时至今日仍在继续努力：在‘七五’国家重点科技攻关项目中，工具所研制开发了采用天然磨料振动桁磨工艺的刃口强化专机：它简单实用、造价低廉，刀具钝化质量能达到要求，但噪音太大，时有崩刃废品，费时太长；在‘八五’国家重点科技攻关项目中，工具所探索了先进的毛刷珩磨新工艺，并于1995年成功开发出毛刷珩磨式数控硬质合金刀片刃口强化机——Ms328型机床(见图5)。该机床采用工控机自动控制工作循环，多个刀片工件和内冷却毛刷都实现了无级变速及复杂f*JfHX寸运动轨迹，自行开发的带电压补偿的功率监测仪，实现了毛刷珩磨深度的实时监测。期间我所还改装开发了抛光轮刀片钝化机多台用于生产线(见图6)：工具所方勤和骆明涛等人，根据长期在石油管螺纹梳刀生产、科研和实践中积累的成果和经验，发表了‘精密复杂成型刀具刃口的加工工艺’。该文简明扼要地介绍了复杂精密成形数控刀具刃口制备的意义、作用，制备的形式种类，常用制备的方法、工艺和装备，以及实用的检测技术等。文章对精密复杂成型刀具刃口强化工艺的应用推广具有相当的参考价值。由工具所陈云、杜齐明和董万福等编著的《现代金属切削刀具实用技术》一书，对刀具切削刃部结构的形式和参数等给以了介绍和推荐，阐述了刃口／刃区制备技术重要性。

3 分析与比较

　　为明确刀具切削性能和质量，对先进数控刀具制造的四个关键技术领域进行分析比较，以研究它们相互之间‘合作分工“相互作用“集成融合’的适配关系。

　　(1)涉及学科理论：刀具材料科学——基体材料学，注重研究大(宏观)几何尺度内的材料科学；涂层科学——表面材料科学及涂层机理，注重研究表面小(微观)几何尺度内的材料科学；刀具切削工程学——切削几何学，注重研究大(宏观)几何尺度内的切削科学和切削原理，即注重研究切削过程中刀具切削作用面和工件的矛盾；刃口切削工程学——切削微几何学／工程微几何学，注重研究小(微观)几何尺度内的切削科学和刃切削学／刃区微切削原理，即注重研究切削过程中、尤其是切削初期刚进入切削／切入时、或断续切削及铣削时，刀具刃区／刃口部分区域和工件形成的问题；

　　(2)涉及制造技术：刀具基体材料及毛坯制备技术(包括粉末冶金的真空混料制粒、压制成型和真空加压烧结工艺，其中超细颗粒、混晶材料的制备工艺发展得到重视)；刀具涂层制备技术与工艺(包括涂层材料／靶材的制备技术，涂层制备技术与工艺：PVD、CVD或PCVD等)；刀具计算机设计技术与仿真(包括CAD、CAM、CAI、CAT，即计算机辅助设计——数据库及专家系统、辅助加工、辅助检测及辅助测试，主要内容涉及刀具几何参数设计、刀具制造过程的仿真、切削加工的干涉检验等)，整体刀具与不重磨刀片的成套加工制造技术；切削刃／刃口制备技术(其中的强缈钝化工艺有机械方式、电化学及激光等，包括磨粒振动、液气流体磨粒、含磨料毛刷、砂轮倒棱磨、刃口抛光，及激光强化等)。

　　(3)涉及制造装备：基体材料及毛坯制备装备(真空混料机，制粒机，自动压机，真空加压烧结炉)；涂层制备装备(PVD涂层设备，CVD涂层设备，PCVD涂层设备，辅助清洗、处理装置——喷砂机，酸洗槽)；刀具／刀片制造装备(成形电解缓进给磨床，周边磨床，数控工具磨床)；刃口预处理装备(刃口毛刷钝化机，刃口振动钝化机，数控式刃口可控钝化机，激光处理／强化装置)

(4)涉及质量指标：基体材料(硬度，抗弯强度，冲击韧性，高温红硬度；磁矫顽，)，几何参数(几何形状精度——切削角，安装基面的形状及位置精度，切削刃相对于基面的位置精度)，涂层质量(涂层材料组分，结合强度，厚度，高温硬度，耐磨性)，刃口质量(刃口钝化形状精度，钝化尺寸精度，刃口光洁度)

　　(5)涉及检测装备：材料(扫描电镜，金相显微镜，x光衍射频谱仪)，几何尺寸(投影仪，万工显，图像仪)，涂层(划痕仪，球磨仪，扫描电镜，x光衍射频谱仪)，刃口／刃区(三维扫描轮廓仪——白光／激光非接触式，结构光栅影像式和髑针接触式，可测量微观形貌；)

　　(6)涉及刀具性能——刀具工件匹配性及优化：基体材料(物理性能，机械性能，化学性能——优化刀具切削性能)，刀具结构和几何参数(提高工件几何精度及优化切削，改善工件质量)，涂层(优化刀具切削性能)，刃区／刃口(优化刀具切削性能，提高刀具寿命，改善加工表面质量)

4 展望

　　随着数控技术切削技术的发展和加工实践的深化，切削刃制备的重要性不言而喻。在刀具刃切削机理、设计理论、制备技术、制备工艺和装备、检测技术与装备及切削刃质量评估等方面的研究开发和应用推广工作中，取得了不少的成果和实效。其中，切削刃可控非均匀钝化／强化理念，以及切削刃可控非均匀化制备技术与装备的开发就是一个事例。但是与传统三项关键技术领域相比，在切削刃制备技术领域取得的成果还不能很好满足发展的要求。有必要对切削刃制备领域的科研和技术发展工作，做出认真的、全面的规划。在政府的支持下协调国内(外)刀具行业的重点应用单位、制造企业和科研院所，开展先进数控刀具切削刃制备技术领域的系统成套研究开发。将取得的新成果适时转化为生产力，为我国的数控刀具制造技术迅速缩小和国外先进水平的差距做出努力。