一  我國機械行業(yè)的歷史與發(fā)展

我國在金屬切削方面有著悠久的歷史榜寸。古代加工石質降宅、木質喷兼、骨質和其他非金屬器物是今天金屬加工的序曲菇绵。在舊石器時代就有石砍砸器肄渗，到了新石器時代，人們再與大自然的搏斗中生產工具得到了不斷的改進咬最，如：石斧翎嫡、石刀、石鐮等永乌。并且以能在石器上鉆孔惑申。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。

人類從這時候起翅雏，在生產實踐中逐步認識了刀刃的作用镇纳。可以這樣說咒娶，一個原始的切削加工過程形成了仍枕。基本上具備了切削的基本條件：刀具（帶刃口的石器）吗罪，被加工對象（生產和生活用品）尚蔗，切削運動。

我國的金屬切削加工工藝话贯，從青銅器時代開始萌芽的篡搓，并逐漸形成和發(fā)展。從殷商到春秋時期已經有了相當發(fā)達的青銅冶鑄業(yè)出現(xiàn)了各種青銅工具露使，如：青銅刀页镜、青銅銼、青銅鋸等等答肤。同時有出土文物與甲骨文記錄表明纸牌，這個時期的生產的青銅工具和生活工具瘾显，在制造過程中大都要經過切削加工或研磨。我國的冶鑄技術比西歐早一千多年黄刚。滲碳捎谨、淬火、和煉鋼技術的發(fā)明憔维，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)畏邢，表明金屬切削加工進入了一新的階段业扒。有記載表明早在三千多年前的商代已經有了旋轉的琢玉工具，這也就是金屬切削機床的前身舒萎。７０年代在河北滿城一號漢墓出土的五銖錢程储，其外圓上有經過車削的痕跡，刀花均勻臂寝，切削振動波紋清晰章鲤，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咆贬，用手拿著工具進行切削败徊。

八世紀的時候我國就有了金屬切削車床。到了明代呆逼，手工業(yè)有了很大的發(fā)展侣豌，各種切削方法，有了較細的分工嘲陋。如：車幼浩、銑、鉆铸烈、磨等等软健。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砰吻。這也就說明當時就有較高精度的磨削祸榨、車削、銑削苦旋、鉆削等等火晕。其動力是畜力和水力。

清末偏秦，由于政府腐敗和外國的侵略使我國的科學技術發(fā)展停滯不前液珠，金屬加工也處于落后的狀態(tài)。

解放前辅甥，我國的工業(yè)已經十分落后酝润，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要销，麻花鉆這樣的普通工具都不能制造构回。

解放后，我國的機床也有了長足的發(fā)展疏咐。機床和工具制造業(yè)也從無到有纤掸，從小到大。

七八十年代浑塞，工具材料進一步得到發(fā)展借跪，硬質合金和高速鋼的規(guī)格和品種不斷增加。如：涂層硬質合金酌壕、立方碳化硼掏愁，陶瓷等等。

到了八十年代數(shù)控卵牍、數(shù)顯設備也開始發(fā)展起來了果港。由于受當時電子設備、微機陋锚、傳輸?shù)扔绊懪饲矗瑳]有太大的發(fā)展空間。隨著電子設備液炼、微機剩织、傳輸速率的快速發(fā)展，數(shù)控枕络、數(shù)顯設備也快速發(fā)展起來了硬拴。

現(xiàn)今，我國機床制造也已基本上成熟了搜澈，特別是在普通機床上魁济。準確來講機床是先進制造技術的載體，機械產品質量乏傀、更新速度孙已、應變能力、效率在相當程度上取決于機床杆坪。我國現(xiàn)在對機床的需求將是中檔數(shù)控機床淋袖、加工中心和專用機床為主。其他機床相對要少得多了锯梁。而我國的尖端數(shù)控機床和自動化生產線的制造還不能與世界強手相比即碗。

但是，我國在軍事陌凳，航空等方面還需要精密剥懒、復合内舟、智能的設備。這也就要求我們奮發(fā)圖強趕上他們初橘，在這樣的環(huán)境下也確定了我國數(shù)控機床的發(fā)展方向验游，向復合、高速保檐、智能耕蝉、精密、環(huán)保等方面的發(fā)展夜只，完善我國自主知識產權的開放式數(shù)控系統(tǒng)平臺及技術規(guī)范赔硫，開發(fā)數(shù)控機床的智能化和網絡化技術；進一步研究并聯(lián)加工技術和集車盐肃、磨、銑没靖、鉆锚倦、鉸、鏜等工序于一身的集成技術驱宴，減少加工中的裝夾次數(shù)任咨；攻克高水平電主軸、直線電機歧衡、高速滾珠絲杠等功能部件制造技術簇友，提高產品性能和技術水平；推廣機械加工中的無冷卻庸颂、無潤滑肠豺、無氣味等技術，減少機床使用中對環(huán)境的污染扁钥。

而普通機床也不能少俐粪，在小規(guī)模的生產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為主捐煤，一些民品的精度不是很高褪秀，普通機床完全可以滿足他們的需要。

二  刀具材料的發(fā)展及現(xiàn)狀

在現(xiàn)代機械加工中薛训，刀具材料以硬質合金和高速鋼用得最多媒吗，幾乎各占一半。高速鋼的發(fā)明和應用乙埃，已有整整一個世紀的歷史闸英，硬質合金則已有半個世紀。但二者均研制出許多新品種膊爪，其性能不斷提高自阱，在機械加工中發(fā)揮著重要作用嚎莉。近年來，隨著數(shù)控加工技術的迅猛發(fā)展以及數(shù)控機床的普遍使用沛豌，要實現(xiàn)高效率趋箩、高穩(wěn)定性、長壽命加工加派。超硬刀具的應用也日漸普及起來叫确，同時引入了許多先進的切削加工概念，如高速切削叁渣、硬態(tài)加工玲装、高穩(wěn)定性加工、以車代磨溯侦、干式切削等墅糯。超硬刀具已成為現(xiàn)代切削加工中不可缺少的重要手段。

（一）  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况魔，其中以人造金剛石復合片(PCD)刀具及立方氮化硼復合片(PCBN)刀具占主導地位

(1) PCD金屬切削刀具

PCD金屬切削刀具可利用PCD材料的高硬度况逼、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奢赡、高效率了槽、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刀片掷暇。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刀具蛙疗，如帶柄PCD銑刀、PCD鏜刀层攀、PCD鉸刀等曾蚊，刀柄型式主要為圓柱柄、錐柄和HSK柄瘩将。這種刀具（尤其是多齒刀具）的特點是切削刃對刀柄的跳動幸魉啊（如刃長為30mm的HSK柄PCD銑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姿现、孔肠仪、階梯孔等進行大批量高速加工。例如备典，采用鋁基體刀盤的PCD高速銑刀（六刃异旧，直徑100mm），最高轉速可達20,000R/MIN, 以上提佣，切削速度可達7,000M/MIN

可轉位式PCD刀片是在硬質合金可轉位刀片上鑲裝一塊PCD刀坯再經刃磨而成吮蛹，可裝夾在各種數(shù)控機床的刀桿、刀夾或刀盤上拌屏，用于高可靠性的大批量加工潮针。隨著數(shù)控機床术荤、加工中心及自動生產線的日益普及，可轉位式PCD刀片的使用越來越多每篷，其刀具耐用度較硬質合金刀具可提高幾十倍瓣戚。

(2) PCBN金屬切削刀具

PCBN金屬切削刀具也可分為焊接式PCBN刀具和可轉位式PCBN刀片兩類。

焊接式PCBN刀具是將PCBN刀坯焊接在鋼基體上經刃磨而成搁蛤，主要有車刀挥痊、鏜刀、鉸刀等建搞。PCBN刀具大多用于耐磨黑色金屬的加工芥嫉，因此其刀尖角不能太小，刀具前角一般為-5°～5°祈岔，后角一般為3°～10°鲜附，斷續(xù)切削時一般采用負倒棱。

轉位結構的PCBN刀片（主要為車刀片和銑刀片）一般是在可轉位硬質合金刀片的一個角上鑲焊一塊PCBN刀坯口纸，經刃磨而成浮烫。考慮到刀坯較貴及重磨等原因揉民，一般只做成一個刀尖。隨著焊接工藝質量的提高听公，其剪切強度可達0.78kg/m2鼎嫉。隨著PCBN刀坯尺寸越做越小，不重磨PCBN刀片的價格也隨之降低周伦。

（二）超硬刀具的典型應用

(1) 硬態(tài)加工夕春，以車代磨

由于PCBN刀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专挪，所以采用PCBN刀具車削淬硬鋼可實現(xiàn)“以車代磨”及志。應用實例如汽車、摩托車齒輪孔的加工寨腔，此類零件材料一般為20CrMnTi速侈，滲碳淬火，表面硬度為60～62HRC迫卢，齒輪孔精度為IT6倚搬，表面粗糙度Ra≤0.8μm。傳統(tǒng)加工工藝為：機加工->熱處理->磨削乾蛤。采用超硬刀具“以車代磨”的加工工藝為：粗加工->熱處理->精加工每界。新工藝可大幅度提高加工效率，降低加工成本家卖，原采用磨削工藝一班僅能加工100個小齒輪眨层， 現(xiàn)采用PCBN刀具車削(切削參數(shù)V=60～120m/min荷右，f≤0.12mm/r，ap≤0.1mm捅硅，一班能加工400個小齒輪完簿，此外，分攤到每個齒輪的加工成本也有所下降鸟焊。

(2) 高速切削予售，高穩(wěn)定性加工

在汽車發(fā)動機生產線上，灰鑄鐵缸體的缸孔精加工是關鍵工序之一藕龄，要求缸孔加工尺寸精度高湿斩、表面粗糙度值小、穩(wěn)定性好削蕊；由于生產線加工節(jié)拍快忧埠，要求切削速度高(通常V≥500m/min)，刀具壽命長 (加工孔數(shù)≥1000)元丈，且倒角坤乌、止口、粗精鏜等多個工位的刀片壽命均應滿足耐用度要求显驼。采用PCBN刀具即可實現(xiàn)發(fā)動機缸孔的高速切削及高穩(wěn)定性加工哼御，其典型切削參數(shù)為： V=500m/min，f=0.2～0.4mm/r焊唬，ap=0.2～0.7mm恋昼；加工表面粗糙度Ra≤1.6μm ，刀具壽命>1,000件赶促。

(3) 有色金屬的高速液肌、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鸥滨，由于金剛石硬度高嗦哆，表面與金屬親合力小，且刀具一般拋光成鏡面婿滓，不易產生積屑瘤老速，因此加工尺寸穩(wěn)定性及表面質量都很好，刀具壽命也較長凸主。

例如烁峭，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秕铛，f=0.08mm/r挤毯，ap≤0.15mm，加工表面粗糙度Ra0.1～0.2μm讯完，刀具壽命>5,000件两漫，而采用硬質合金刀具則只能加工幾件汤袭。

采用PCD刀具加工各種硅鋁合金零件，表面粗糙度Ra≤0.1μm宅集，刀具壽命可達幾千～幾萬件席栅，尤其適合汽車、摩托車零件的大規(guī)模生產拔灾。

采用單晶金剛石刀具署霸，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继锰，跳動量≤0.3μm赠魂，工件采用高精度氣動卡盤，可實現(xiàn)快速高精度定位及窃。加工無氧銅材料時缆刁，表面粗糙度Ra≤0.025μm，圓度≤0.3μm起趾；加工鋁件時诗舰，表面粗糙度Ra≤0.025μm。

(4) 干式切削训裆，清潔化加工

采用PCBN刀具加工含硼鑄鐵缸套眶根，切削參數(shù)：V=200m/min，f=0.1mm/r边琉，ap=0.2～1mm汛闸，加工表面粗糙度Ra≤1.6μm，精度IT6艺骂，兩次刃磨間刀具壽命>100件，可實現(xiàn)“以車代磨”隆夯。由于采用干式切削钳恕，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蹄衷，符合清潔化生產要求忧额。

以上所說的刀具價格比較貴一些小型生產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愧口。稀土元素是指化學元素周期表中原子序數(shù)57～71（從La到Lu）武帚，再加上21和39（Sc和Y）辣之，共17個元素丐箩。將某些稀土元素，以一定方式龟聊，微量添加到傳統(tǒng)的硬質合金牌號中苫担，即可有效地提高它們的機械性能與切削性能脓甘。我國稀土元素資源豐富辰丛，對稀土硬質合金的研究開發(fā)，領先于其他國家茅祠。已研制出下列牌號的刀具用稀土硬質合金：YG8R（相當于ISO K30級別）向酝、YG6R（K20）、YW1R（M10）舒跌、YW2R（M20）盖疾、YT5R、YT14R（P20）概丢、YT15R（P10）警沧、YS25R（P25）。還有礦山郑诺、地質工具牌號YG11CR夹姥。

在YG8、YT14辙诞、YW1硬質合金中添加了Ce辙售、Y等稀土元素后，形成了稀土硬質合金YG8R飞涂、YT14R旦部、YW1R。YG8R主要用于鑄鐵和有色金屬的粗加工较店；YT14R主要用鋼材的半精加工士八；YW1R則為通用牌號，可用于各種工件材料的半精加工梁呈。

經過測試婚度，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官卡；斷裂韌性和抗彎強度顯著提高蝗茁，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

通過一些試驗剥乍，稀土硬質合金與無稀土元素的原刀片相比泊术，YG8R、YT14R斧炎、YW1R刀片的耐磨性和使用壽命均有不同程度的提高沃菩。

稀土硬質合金與無稀土元素的原刀片相比，在車削花鍵軸鋼件铝寿，便刀尖受沖擊片迁，直至刀尖破損為止。經多次重復試驗，在刀尖破損前诡岂，YG8R骏芍、YT14R、YW1R刀片所能承受的沖擊次數(shù)分別比YG8登鄙、YT14既憔、YW1刀片提高1～2倍以上等優(yōu)勢。

稀土元素存在于（W,Ti）C或（W,Ti,Ta,Nb）C固溶體中骤公，能強化硬質相抚官；并能抑制WC晶粒不均勻長大，使之趨向均勻阶捆，平均晶粒尺寸有所減小凌节。少量稀土元素還固溶在粘結相Co中，使粘結相得到強化洒试。稀土元素富集在WC/Co的相界面處及（W,Ti）C/(W,Ti)C等相界面間倍奢，常與雜質S、O等化合形成RE2O2 S等化合物垒棋，改善了界面上潔凈狀況并提高了硬質相與粘結相的潤濕性卒煞。由此，稀土硬質合金的沖擊韌性叼架、抗彎強度及工作時的抗沖擊能力明顯得到提高畔裕。其硬度、耐磨性及刀具表面上抗擴散和抗氧化的能力亦有一定提高乖订。

經過電鏡測試扮饶，還發(fā)現(xiàn)稀土硬質合金刀片在切削時表層有富鈷現(xiàn)象，故能降低切屑乍构、工件與刀具間的摩擦系數(shù)惜肃，從而可以降低切削力。

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