中國礦業(yè)大學(xué)（北京）超硬刀具材料研究所所長(zhǎng)鄧福銘

　　一、高速切削技術(shù)的發(fā)展歷程

　　高速切削（High Speed Cutting，簡(jiǎn)稱HSC）通常是指用比常規(guī)切削速度和進(jìn)給速度高得多（≥5-10倍）的速度進(jìn)行高效加工的一種先進(jìn)制造技術(shù)。

　　高速切削理論假設(shè)是由德國物理學(xué)家薩洛蒙博士（Salomon）1931年提出的。

　　薩洛蒙高速切削理論的證實(shí)和發(fā)展：

　　①美國洛克希德公司R.L.Vaughan的“彈道切削”試驗(yàn);

　?、诿绹鳪.E公司七十年代初參加了“高速切削”研究;

　?、勖绹蹇讼５鹿綬.I.King的加工中心與《高速切削技術(shù)手冊(cè)》;

　　④德國達(dá)姆斯塔特工業(yè)大學(xué)H.Schulz教授著《高速切削》。

　　高速切削技術(shù)作為現(xiàn)代先進(jìn)制造工藝，已在國外發(fā)達(dá)國家推廣使用；我國作為世界制造大國，近年來作為國家發(fā)展戰(zhàn)略正在大力發(fā)展之中。

　　二、高速切削、數(shù)控機(jī)床與超硬刀具發(fā)展關(guān)系

　　高速數(shù)控機(jī)床、高速切削刀具及高速切削工藝是實(shí)現(xiàn)高速切削的三大關(guān)鍵技術(shù)。

國外會(huì)展上高速數(shù)控機(jī)床發(fā)展統(tǒng)計(jì)

PCBN刀具全球市場(chǎng)增長(zhǎng)情況

　　高速切削理論到技術(shù)的應(yīng)用成果——高速數(shù)控機(jī)床、加工中心、柔性制造系統(tǒng)

　?、贁?shù)控機(jī)床——機(jī)床工業(yè)的第一次革命；

　?、诟咚贁?shù)控機(jī)床——機(jī)床工業(yè)的第二次革命；

　?、奂庸ぶ行?mdash;—高速數(shù)控機(jī)床的進(jìn)一步發(fā)展；

　?、苋嵝灾圃煜到y(tǒng)——機(jī)床工業(yè)的第三次革命。

　　普通機(jī)床切削加工時(shí)間70%為輔助時(shí)間——上下料、測(cè)量、換刀、調(diào)整機(jī)床等；

　　數(shù)控機(jī)床——縮短換刀時(shí)間，加快空程動(dòng)作，縮短輔工時(shí)間；

　　高速數(shù)控機(jī)床——提高切削速度，減少切削時(shí)間。

圖3 四十多年來切削加工時(shí)間構(gòu)成的變化

　　柔性制造系統(tǒng)——縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期, 加快產(chǎn)品更新?lián)Q代速度。

圖4 在產(chǎn)品生產(chǎn)周期內(nèi)市場(chǎng)需求和產(chǎn)品生產(chǎn)能力的變化

　　超硬刀具——高速切削刀具的發(fā)展方向

　　——精密高效切削工具；

　　——汽車工業(yè)鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳加工工具；

　　——現(xiàn)代先進(jìn)切削工藝如“干切削”、“硬態(tài)切     削”、“以車（銑）代磨”的載體；

　　——綠色環(huán)保、環(huán)境友好、資源節(jié)約、能源節(jié)約型新型工具；

　　超硬刀具更明顯體現(xiàn)了高速切削技術(shù)的“高效、精密和柔性”的基本特征，代表了現(xiàn)代高效高速切削技術(shù)的發(fā)展方向。

　　三、PCBN高速切削刀具發(fā)展中的問題

　　PCBN優(yōu)異的物理力學(xué)性能及其“以車代磨”、“硬態(tài)加工”和“干式切削”等先進(jìn)切削工藝，被公認(rèn)為是二十一世紀(jì)高效、綠色環(huán)保和資源、能源節(jié)約型切削加工工具。

　　問題一——PCBN刀具的高速切削速度問題已成為全世界高速切削技術(shù)發(fā)展中的主要技術(shù)瓶頸。

圖4 切削力與切削速度的關(guān)系。Al-10%Si合金；切深2mm, 進(jìn)給0.15mm/齒干式加工。

圖5 PCBN刀具切削鑄鐵時(shí)切削力與切削速度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　問題二——PCBN刀具的高速切削加工中的表面精度問題已成為PCBN刀具的高速切削加工中的又一攔路虎。

　　問題三——PCBN刀具的高速切削加工中的表殘余應(yīng)力問題是PCBN刀具的高速切削加工中的必須解決的技術(shù)問題。

　　四、問題的提出與學(xué)術(shù)思想

　　1、問題的提出——PCBN刀具高速切削原理和硬態(tài)干切削的“金屬軟化效應(yīng)”。

　　高速切削時(shí)切屑帶走了大量的切削熱，工件表面的切削溫度將大大降低。與硬態(tài)干切削的“金屬軟化效應(yīng)”相悖，因此，要充分利用其“金屬軟化效應(yīng)”就必須加大切削進(jìn)給量，其結(jié)果都將是切削力增大，現(xiàn)有粘結(jié)型PCBN刀具不能滿足其服役條件。

　　因此，對(duì)新型PCBN刀具的高溫力學(xué)性能提出了很高的要求。既要有高的硬度和耐磨性，又要有高的強(qiáng)度和沖擊韌性。

　　2、學(xué)術(shù)思想

　　若新型PCBN刀具的高溫力學(xué)性能能滿足其服役條件要求，則采用加大切削進(jìn)給量更合理，更符合現(xiàn)代高效高速切削之理念。

　　五、難度與挑戰(zhàn)

　　1、主攻關(guān)鍵之一

　　如何利用超高壓燒結(jié)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)CBN晶粒間的CBN-CBN直接結(jié)合，控制晶界結(jié)構(gòu)及晶粒尺寸大小，以提高燒結(jié)體高溫力學(xué)性能。

　　這就要求對(duì)CBN高壓反應(yīng)燒結(jié)行為規(guī)律、轉(zhuǎn)化機(jī)制及聚結(jié)機(jī)理以及聚晶晶界結(jié)構(gòu)和力學(xué)行為等基本科學(xué)問題有較深入的了解。

　　2、主攻關(guān)鍵之二

　　高速硬態(tài)切削純PCBN刀具設(shè)計(jì)中要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題是如何根據(jù)高速硬態(tài)切削使用條件要求和純PCBN刀具材料高溫力學(xué)性能，提出刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和優(yōu)化幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)出使用壽命長(zhǎng)、安全可靠的新型純PCBN高速切削刀具，解決大進(jìn)給量的高速硬態(tài)切削使用過程中純PCBN刀具的使用安全性、穩(wěn)定性、可靠性問題。

　　這就必須深入了解其切削過程中將發(fā)生的各種機(jī)械、熱、摩擦磨損等物理現(xiàn)象，深入了解不同進(jìn)給量條件下的切屑形態(tài)及其形成機(jī)理，刀具切削力特性、切削熱和切削溫度的變化規(guī)律，刀具摩擦磨損的形式、破壞特征和損壞機(jī)理等應(yīng)用基礎(chǔ)理論問題。

　　中礦大近年來在北京市教委產(chǎn)業(yè)化共建項(xiàng)目《高效高速超硬切削工具的研究與開發(fā)》、北京市科技人員服務(wù)企業(yè)行動(dòng)計(jì)劃《高效高速超硬切削刀具的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)》，以及中礦大產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)項(xiàng)目《純PCBN刀具材料及高速硬態(tài)切削技術(shù)研究》的支持下，在高性能純PCBN刀具材料的探索制備，以及純PCBN刀具設(shè)計(jì)理論研究及高速硬態(tài)切削工藝的基礎(chǔ)研究方面，取得初步的研究進(jìn)展，將可能突破PCBN刀具切削速度的發(fā)展瓶頸，為高速硬態(tài)切削技術(shù)發(fā)展提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

　　最近的研究結(jié)果表明，新型純PCBN，在一定溫度范圍內(nèi)均表現(xiàn)出很高的硬度和斷裂強(qiáng)度，且抗彎強(qiáng)度在溫度升高到一定值后不是降低而是增高。這預(yù)示著新型純PCBN刀具將有可能解決傳統(tǒng)PCBN刀具高速硬態(tài)干切削應(yīng)用的有關(guān)問題。

　　六、結(jié)束語

　　高純PCBN高速切削刀具開發(fā)與推廣，將促進(jìn)我國高速硬態(tài)切削技術(shù)發(fā)展，不僅帶動(dòng)相關(guān)制造產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品的升級(jí)換代，提升我國制造業(yè)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，而且對(duì)提高我國綠色切削技術(shù)的應(yīng)用比例, 減小切削加工對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，以及制造業(yè)中節(jié)能減排均起到重要的作用。