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高速加工中心的使用使金屬加工踏上了高速之路，但能否行之，還要看刀具的選擇，因?yàn)榈毒呤菍?shí)現(xiàn)高速切削的基本、和活躍的因素。我們接觸了世界刀具廠家，研究了發(fā)達(dá)國家平均刀具費(fèi)用和生產(chǎn)成本等各種相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)降低30％的刀具費(fèi)用，可降低1％的單件生產(chǎn)成本；提高50％的刀具壽命，可降低1％的生產(chǎn)成本；而提高20％的加工效率，則可降低15％的生產(chǎn)成本。這充分說明利用現(xiàn)代切削技術(shù)，選擇高速且效率高的刀具，充分發(fā)揮機(jī)床的性能和效率，實(shí)現(xiàn)高速切削，才是加工中心柔性生產(chǎn)線組織生產(chǎn)提率、降低生產(chǎn)成本的正確之路。
先進(jìn)刀具特性
加工中心采用的高速刀具除應(yīng)具備一般刀具應(yīng)具備的良好的硬度和性、高的強(qiáng)度和韌性等性能外，還應(yīng)該具備：
1. 更高的可靠性——切削穩(wěn)定，質(zhì)量一致，換刀次數(shù)少，壽命長。
2. 更高的安裝精度和重復(fù)定位精度，好的互換性和快換性。
3. 系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化，盡量采用機(jī)夾可傳位刀具和復(fù)合刀具。
4. 良好的斷屑、卷屑和排屑性能，確保切屑不纏繞在刀具和工件上，不破壞已加工表面，不妨礙切削液的澆注。
可供高速加工中心選擇的刀具品種很多，下面幾種材料的刀具是常用的刀具：
1. 陶瓷刀具具有硬度高、性好、耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良的特點(diǎn)，加工中不易與金屬粘接，在數(shù)控加工中獲得廣泛應(yīng)用；其中氧化鋁基陶瓷刀具適用于碳鋼、合金鋼和鑄鐵材料的加工；氮化硅基陶瓷刀具更適用于合金鑄鐵、冷硬鑄鐵等高硬材料的加工，切削速度可達(dá)500～1000m/min。
2. 聚晶金剛石（PCD）刀具加工鋁及鋁合金材料有高的壽命和良好的精度，切削速度可達(dá)1000～4000m/min，波音公司高速銑削鋁合金切削速度已高達(dá)5000～7500m/min。與PCD相比，CVD金剛石刀具硬度更高、性、摩擦系數(shù)更小、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性更強(qiáng)，壽命較PCD長2～3倍，缺點(diǎn)是韌性不如PCD。CVD金剛石刀具被認(rèn)為是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品加工中應(yīng)用前景廣闊的新一代刀具材料，尤其是鋁及鋁合金材料的加工。
3. 立方氮化硼（CBN）、聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具材料，同PCD、VCD相比有更高的熱穩(wěn)定性和優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，在1 200～1 300℃環(huán)境下也不與鐵系材料發(fā)生反應(yīng)；其硬度、性與金剛石接近，非常適用于加工鑄鐵和淬硬鋼，被加工材料的硬度越高越能體現(xiàn)立方氮化硼刀具的性，由于在加工精度，切削效率，刀具壽命等各方面具有的性，立方氮化硼、聚晶立方氮化硼刀具材料越來越受到世界各國的重視。
4. 涂層刀具，按涂層方法不同可分為CVD和PVD涂層刀具，根據(jù)涂層材料的性質(zhì)又分為“硬”涂層刀具和“軟”涂層刀具，根據(jù)基體材料不同可分為硬質(zhì)合金涂層刀具、高速鋼涂層刀具及陶瓷和硬材料涂層刀具，又開發(fā)了納米涂層刀具。涂層刀具可以靈活地選擇基體材料和涂層材料使刀具獲得需要的性能，提高加工效率、加工精度、延長刀具壽命和降低加工成本。
刀具應(yīng)用案例
近年來，長城公司轎車發(fā)動(dòng)機(jī)廠采用世界機(jī)床廠家的高速、高 效加工中心組建了3條柔性機(jī)加生產(chǎn)線，與世界刀具廠家肯納公司一起，結(jié)合所加工的產(chǎn)品精心選擇刀具，正在努力實(shí)現(xiàn)高速高 效切削。
1. KSCM-AluMill面銑刀
在缸體和缸蓋生產(chǎn)線，我們將肯納KSCM-AluMill面銑刀用于鋁合金缸體和缸蓋的平面銑削加工。此刀具由鋼制刀盤和鋁制刀體組成，在保證足夠剛性的前提下減輕了重量，而且雙金屬結(jié)構(gòu)也減少了加工振動(dòng)。該刀具具有高金屬率、低加工毛刺及高加工效率等特點(diǎn)，非常適用于高速切削。KSCM-AluMill面銑刀有5種形式的刀夾，不同刀夾相互搭配用于粗銑和精銑，可達(dá)到不同的表面粗糙度，也可同時(shí)安裝粗銑和精銑刀夾，粗精加工一次完成，縮短加工時(shí)間，提高工作效率。
實(shí)際加工中我們選用了適用于加工低硅鋁合金，具有高性、高壽命的KD1415和KD1420兩種PCD切削材料刀夾。KD1415刀片硬度較高，適于加工余量均勻，硬度一致的表面，因此將其用于缸體、缸蓋上下和前后表面的精加工；KD1420刀夾，刀片韌性較好，適用于余量不均勻，硬度不一致的表面，將其用于粗加工。精加工后，缸體、缸蓋上下面、前后面等大平面的平面度誤差大不大于0.02mm，達(dá)到0.0034mm，平均平面度誤差不大于0.01mm，表面粗糙度低于Ra0.8，加工節(jié)拍滿足要求。KSCM-AluMill面銑刀更換刀夾時(shí)，僅做軸向調(diào)整，不需要徑向調(diào)整，具有調(diào)整方便、調(diào)整時(shí)間短和調(diào)整精度高的特點(diǎn)，在長城公司實(shí)際使用時(shí)實(shí)現(xiàn)了軸向調(diào)整偏差不大于0.003mm，使切削負(fù)荷均勻分布到每個(gè)刀齒上，地延長了刀具壽命。經(jīng)幾個(gè)月的試加工，KSCM-AluMill面銑刀鋁合金加工效果良好。
僅舉缸體頂、底面精銑為例，頂面精銑刀盤Φ100、Z12（9個(gè)精銑刀夾、3個(gè)修光刀夾），修光量0.008＋0.002mm，整體焊接PCD刀片；加工參數(shù)：V＝2500m/min，fz=0.12mm/z，Vf＝11.5m/min；精銑后實(shí)測試件，表面粗糙度Ra0.8，平面度誤差＜0.004，節(jié)拍滿足要求。底面精銑刀盤Φ200、Z24（18個(gè)精銑刀夾，6個(gè)修光刀夾），加工參數(shù)：V＝2500m/min，fz=0.12mm/z，Vf=14.3m/min；加工后實(shí)測試件，表面粗糙度Ra0.8，平面度＜0.004mm，節(jié)拍滿足要求。
2. 復(fù)合加工刀具
復(fù)合加工是提高加工效率的一個(gè)非常的手段，幾個(gè)加工內(nèi)容用一把刀在一次加工中完成，減少了換刀次數(shù)，節(jié)約了輔助時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。階梯鉆是簡單也是常見的一種復(fù)合加工刀具，帶倒角刃的鉆頭就是簡單的階梯鉆。在缸體、缸蓋孔系加工中，孔口需要倒角的鉆孔加工都選用了這種簡易階梯鉆，取得了良好的效果。例如，肯納直槽180°頂角TX階梯鉆頭，鉆孔時(shí)徑向力幾乎為零，4條直線刃帶沿圓周對(duì)稱分布，導(dǎo)向性好，兼具修光作用，使鉆孔的直線度和位置度得到大幅提高。缸體和缸蓋孔系加工中，選用的另一種復(fù)合鉆頭是圓周均布3個(gè)切削刃的TF鉆頭，它鉆芯比二刃鉆頭厚、強(qiáng)度高，彌補(bǔ)了硬質(zhì)合金韌性差的弱點(diǎn)；刀尖前端形狀，可自動(dòng)定心，不需加工中心孔；切削刃多使每轉(zhuǎn)進(jìn)給量增大（切鋁時(shí)可達(dá)20m/min），強(qiáng)度高，可進(jìn)行高速切削（切鋁時(shí)高可達(dá)1000m/min），從而大幅度縮短了加工時(shí)間，提高了加工效率，尤其適于深孔加工，尺寸精度高可達(dá)H9，位置精度高可達(dá)±11μm，粗糙度Rz20～25。
在長城曲軸生產(chǎn)線，選用了肯納整體硬質(zhì)合金SE階梯鉆頭，與普通高速鋼鉆頭相比有更高的鉆孔圓度，高速鋼鉆頭的鉆孔圓度高可達(dá)到20μm，而SE鉆頭的鉆孔圓度僅為前者的1/5。按照這一鉆孔形狀精度，我們可以考慮免去擴(kuò)孔這一工序，在某種場合，甚至可以替代要求不高的鉸孔（譬如擠壓螺紋的螺紋底孔）。這種鉆頭的特點(diǎn)是橫刃修磨的較短，可減少軸向力近50％；鉆芯附近前角為正值，因此切削刃更鋒利；槽形為拋物線型，鉆芯厚度更大，鉆頭強(qiáng)度更高、剛性更強(qiáng)；有兩個(gè)噴油冷卻孔，冷卻條件好；圓弧形切削刃和排屑槽型布置合理，便于切屑斷裂成小塊順利排出。該鉆頭用于曲軸前后端鉆孔，效果良好。
3. 精密孔加工刀具
現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展對(duì)孔的尺寸精度、幾何形狀及表面粗糙度提出了更高的要求，尤其是汽車工業(yè)，即要求高精度又要求大批量，因而迫切需要高 效率的精密孔加工刀具。金剛石鉸刀正是適應(yīng)這種需要而發(fā)展起來的一種精密刀具。在缸蓋生產(chǎn)線導(dǎo)管和座圈底孔等工位，使用了肯納多刃整體焊接PCD鉸刀；缸體缸蓋定位孔的精加工，使用了肯納Bencere分體式可轉(zhuǎn)位PCD鉸刀，實(shí)現(xiàn)了高速切削，充分發(fā)揮了高速加工中心的性能，大大提高了加工效率?，F(xiàn)場實(shí)際抽測部分產(chǎn)品?8、?10和?13三組孔，尺寸變動(dòng)范圍在0.014之內(nèi)，尺寸精度誤差不到公差的60％，平均誤差小于0.005mm，孔的表面粗糙度＜Ra0.8。
缸體曲軸孔精加工和缸蓋凸輪軸孔精加工使用了肯納Bencere QUATTRO-CUT刀具，4刃可轉(zhuǎn)位刀片安裝在高精度鋸齒狀刀窩中，尺寸精度控制在μ級(jí)。與傳統(tǒng)分體式可轉(zhuǎn)位刀具相比，QUATTRO-CUT刀具只需調(diào)整刀片徑向高度，不需要調(diào)整刀片背錐，縮短了調(diào)整時(shí)間。按抽測記錄，精鏜曲軸孔。尺寸精度加工誤差＜0.018mm，同軸度誤差＜0.016mm，誤差僅0.0021mm，粗糙度＜Ra1.6； 精鏜凸輪軸孔，同軸度誤差＜0.007，誤差為0.0014mm，圓度誤差＜0.002mm，位置度誤差＜0.063，誤差為0.0148mm，尺寸精度偏差＜0.018mm，偏差為0.0044mm。兩組孔的加工都能滿足節(jié)拍要求，試加工至今已累計(jì)生產(chǎn)幾百件，效果良好。
4. 缸孔和曲軸加工刀具
長城公司缸體生產(chǎn)線上的缸體，缸孔鑲鑄鑄鐵缸套，缸孔粗加工是大余量的鑄鐵加工，需要刀具有高的強(qiáng)度和韌性，經(jīng)仔細(xì)斟酌使用了肯納Fix-Perfect刀具。Fix-Perfect刀具系統(tǒng)是一個(gè)不同正負(fù)角組合的產(chǎn)品系列，其特點(diǎn)在于：刀片負(fù)的徑向前角和正的軸向前角，正的軸向前角減小了軸向切削力，并且與負(fù)的徑向前角形成了很好的剪切作用，便于斷屑。正的軸向前角使切削力向著主軸，使銑刀工作更穩(wěn)定；而且，負(fù)的徑向前角能使切入工件的“沖擊點(diǎn)”離開刀尖，對(duì)刀尖起保護(hù)作用。刀片立裝，刀刃的下部有較強(qiáng)的實(shí)體支承，增加了刀刃強(qiáng)度。Fix-Perfect刀具加工精度、表面粗糙度都不錯(cuò)，惟一不足就是壽命太低。 在曲軸生產(chǎn)線上，主軸頸及前后端軸頸的加工全部使用了KM工具系統(tǒng)。KM工具系統(tǒng)由肯納金屬（Kennametal）公司及WIDIA公司聯(lián)合研制，其基本形狀與HSK很類似，也是采用了1:10的空心短錐配合和雙面定位方式。其主要的差別在于夾緊機(jī)構(gòu)的不同，KM刀柄是使用鋼球斜面鎖緊，夾緊時(shí)鋼球沿拉桿凹槽的斜面被推出，卡在刀柄上的鎖緊孔斜面上，將刀柄向主軸孔拉緊，刀柄產(chǎn)生彈性變形使刀柄端面與主軸端面貼緊。KM工具系統(tǒng)具有高剛度、高精度、快速裝夾和維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)證實(shí)，KM刀柄的動(dòng)剛度比HSK系統(tǒng)更高。 在曲軸主軸頸、前后端軸頸的車削加工中使用了KC9315等涂層硬質(zhì)合金刀片，該刀片CVD復(fù)合涂層中有很厚的K-MTCVD氧化鋁層，抗磨損性能非常，厚的KMT CVD TiCN涂層確保了長壽命，可以進(jìn)行高速連續(xù)切削或者輕微斷續(xù)切削，特別適合加工灰口鑄鐵或延展性鑄鐵。在曲軸加工中切削速度達(dá)到223m/min，節(jié)拍滿足要求，實(shí)現(xiàn)了高速、高 效加工。 結(jié)語
高速加工中心組成的生產(chǎn)線的高速、高 效切削，是一個(gè)系統(tǒng)工程，受機(jī)床、刀具、被加工材料、冷卻潤滑和切削參數(shù)等多種因素影響，只有大量地試驗(yàn)、充分地采集數(shù)據(jù)，認(rèn)真仔細(xì)地分析，不斷摸索規(guī)律，將各種因素進(jìn)行組合，才能獲得預(yù)期的加工效果。