淬硬鋼的延伸率小、塑性低，易于形成高光潔的加工表面，在模具行業中得到廣泛的應用。但淬硬鋼在淬火或低溫去應力退火后，硬度往往高于40 HRC，材料的切削加工性能變差，刀具的過早失效成為制約高速數控加工應用的主要原因。把握淬硬鋼的加工技術，選擇合理的刀具及其幾何參數，延長刀具的使用壽命，是高速數控加工要解決的主要問題之一。

1 淬硬鋼的高速數控加工技術

　　淬硬鋼的高速數控加工技術主要包括：切削刀具及應用、刀具刃口強化、高速切削的走刀方式、編程策略、優化的高速加工參數、充分冷卻潤滑并具有環保特性的冷卻方式等。

　　1.1 切削刀具及應用

　　高速數控加工的刀具不僅在耐用度和可靠性方面比常規加工有更高的要求，在刀具系統的安全性方面也有特殊的要求。采用硬質合金涂層刀具材料，如氮化鈦、氮化鈦鋁和碳氮化鈦等，能夠加工HRC40甚至更硬的工件材料。從提高刀具耐用度和可靠性的角度來看，采用涂層切削刀具加工淬硬鋼是非常適宜的。

　　涂層刀具的涂層厚度一般在2～18m之間，它在刀具性能方面起著重要的作用。較薄的涂層比厚的涂層在沖擊切削時，經受溫度變化的性能要好，因為較薄的涂層應力較小，不易產生裂紋。用薄涂層刀片進行干式切削可以延長刀具壽命約40％。

　　目前，氮化鈦涂層刀具在所有涂層刀具中約占80％。然而，在高速干式切削的情況下，涂層氮鋁鈦(TiAlN)具有較好的熱穩定性，它的硬度可達維氏3 500度，工作溫度高達1 470下，還適宜干式銑削及小直徑孔的深孔鉆削。其性能優于氮化鈦4倍。涂層刀片有較長的刀具壽命，在干式切削時比濕式切削更穩定。

　　切削刀具結構對刀具耐用度和安全性有很大影響，刀具與機床的聯接普遍采用HSK刀柄或類似雙面接觸短錐刀柄。刀具夾緊的最新趨勢是采用冷縮式夾緊結構(或稱熱裝式)。裝夾時利用感應或熱風加熱使刀桿孔膨脹，取出舊刀具，裝入新刀具，然后采用風冷使刀具冷卻到室溫，利用刀桿孔與刀具外徑的過盈配合夾緊。這種結構刀具剛度高，動平衡性好，夾緊力大，高轉速下仍能保持高的夾緊可靠性，特別適用于高速數控切削加工。

　　1.2 刀具刃口強化

　　由于涂層切削刀具硬而較脆，不能經受太大的壓力，因此制造刀具時必須結合其特點進行設計，以便滿足高速數控加工的需要。方法是對涂層切削刀具加強支撐、分散壓力。主要方式有：刃帶、強化、刃帶強化等。

　　(1)刃帶即在刀具刃口上磨出窄平面，以取代較脆弱而鋒利的刀刃。要先在刀具上找出最小的平面寬度并賦予刀刃適當強度和壽命的角度，從而大大提高刀具的耐用度。

　(2)強化就是圓整鋒利的刃口。雖然強化不像刃帶有棱有角，但是強化對用于精加工的涂層刀具的刀片材料效果很好。這些強化刀具主要用于淺切深、低速進給、并保持切削壓力最小。

　　(3)刃帶強化當強化用于倒棱的前面與后面相交處時，也能加強刃帶。在實際應用中，當有微小的剝落發生時，強化能分散在這些部位上的壓力，不會使倒棱變大而加強了刀具刃口。

　　除了針對工件確定最適合的刀具刃口外，還必須優化刀具的幾何角度和排除切屑的能力。通過增加后角來減小切削力和對刀具的壓力，降低切削區的溫度，使正前角盡可能地大，減少切削力對切削加工的影響。

　　1.3 走刀方式與編程策略

　　淬硬鋼的高速數控加工常采用分層環切加工。斜線軌跡進刀方式的切削力是逐漸加大的，對刀具和主軸的沖擊比垂直下刀小，可明顯減少下刀崩刃的現象。螺旋式軌跡進刀方式采用螺旋向下切入，最適合型腔高速加工的需要。直接垂直向下進刀極易出現崩刃現象，不宜采用。

　　高速數控加工的編程策略是盡可能保持恒定的刀具載荷，把進給速率的變化降到最低，使程序處理速度最大化。主要方法有：①盡可能減少程序塊，提高程序處理速度；②在程序段中可加人圓弧過渡段，減少速度的急劇變化；③粗加工要注意保證本工序和后續工序加工余量均勻，減少切削負荷的變化；④多采用分層順銑方式；⑤切入和切出盡量采用連續的螺旋和圓弧軌跡進行切向進刀，以保證恒定的切削條件；⑥充分利用數控系統提供的仿真驗證的功能，在加工前必須經過仿真，驗證刀位數據的正確性、刀具各部位是否與零件發生干涉及刀具與夾具附件是否發生碰撞，確保加工質量和操作安全。

　　1.4 切削用量與切削液

　　淬硬鋼高速數控加工的銑削用量主要考慮加工效率、加工表面質量、刀具磨損以及加工成本。不同刀具加工不同的工件材料時，銑削用量會有很大的差異。通常，隨著切削速度與加工效率的提高，刀具磨損加劇，除較高的每齒進給量外，加工表面粗糙度隨切削速度的提高而降低。對于刀具壽命，每齒進給量和軸向切深均存在最佳值，而且最佳值的范圍相對較窄。高速切削參數的選擇原則是：高的切削速度、中等的每齒進給量、較小的軸向切深和適當大的徑向切深。

　　淬硬鋼高速數控加工時，由于金屬去除率和切削熱的增加，切削液必須具備將切屑快速沖離工件、降低切削熱和增加切削界面潤滑的功能。常規的切削液及加注方式很難進入加工區域，反而會加大切削刃在切人切出過程的溫度變化，產生熱疲勞，降低刀具壽命和可靠性。

　　微量油霧冷卻一方面可以減小刀具一切屑一工件之間的摩擦，另一方面，細小的油霧粒子在接觸到刀具表面時能快速氣化，其換熱效果與普通冷卻液熱傳導的換熱效果相比，能帶走更多的熱量，目前已成為首選的冷卻介質。

　　氮氣油霧冷卻介質在鈦合金的高速銑削中具有良好的效果，除具有空氣油霧的冷卻潤滑作用外，還具有抗氧化磨損等作用。在33 m／min的銑削速度時，相比較空氣油霧冷卻，刀具耐用度提高了60％，銑削力可降低20％～30％。

2 淬硬鋼的高速數控加工實例

　　2.1 涂層硬質合金刀具與未涂層硬質合金刀具的壽命對比

　　(1)實驗條件

　　機床：MIKRON HSM700高速數控加工中心刀具：涂層氮鋁鈦(TiAlN)硬質合金刀具(WC基體)與未涂層硬質合金刀具(WC基體)

　　(2)實驗步驟及數據

　　將3種含Co量不同的涂層硬質合金和未涂層硬質合金刀具對相同材質的淬硬鋼SKD61(40HRC)進行加工，分別檢測刀具的磨損情況。實驗數據、實驗結果、刀具磨損圖片及磨損量曲線圖。

　　(3)實驗分析

　　根據實驗數據，可作出3種刀具磨損量對比曲線

　　(4)實驗結論

　　①涂層氮鋁鈦(TiAIN)硬質合金刀具比未涂層硬質合金刀具的壽命高出很多。在同等條件下，如刀具切削長度為1 1TI時，涂層刀具的壽命是未涂層刀具的2至4倍。

　　②涂層氮鋁鈦(TiAIN)硬質合金刀具比未涂層硬質合金刀具的刀具磨損過程慢。主要是由于涂層的支撐作用，延緩了刀具的磨損。因此，涂層氮鋁鈦(TiAIN)硬質合金刀具的壽命更長。

　　2.2 淬硬鋼加工的切削力、刀具磨損與破損形式

　　2.2.1 切削力

　　表2中列出了直徑為62 mm的TiAIN涂層硬質合金刀具銑削加工45淬硬鋼時，不同切削參數變化對銑削力的影響。

　　結果表明：切削速度對銑削力的影響最小，且隨切削速度的增加，銑削力有下降趨勢。目前切削速度可達到300 m／min。提高每齒進給量和切削深度都會使得切削力呈直線上升。切削深度對切削力的影響最顯著。因此每齒進給量和切削深度應盡量小，可通過切削速度的提高實現進給量的增大。隨著刀具磨損加劇，切削力增大。

　　2.2.2 刀具磨損與破損形式

　　淬硬鋼高速加工常用的刀具結構形式有平底銑刀、球頭銑刀和可轉位銑刀等。平底銑刀的刀尖很容易破損，刀具易失效。相同條件下，球頭銑刀的使用壽命要比平底銑刀長，主要原因是球頭銑刀刀尖不象平底銑刀刀尖那樣薄弱，并且刀刃形狀有利于切削刃上載荷的均勻分布。但球頭銑刀的制造比平底銑刀困難。可轉位銑刀的刀片可根據加工條件設計成有利于延長刀具壽命的不同形式，容易實現批量生產，并且可以輪流使用各刀刃來進行切削加工；但是這類銑刀的刀具直徑一般大于8 mm，不能用于小型模具型腔的加工。因此淬硬模具材料的粗加工應盡可能使用可轉位銑刀，精加工時可根據加工條件選擇相應的整體式球頭銑刀或平底銑刀。

　　銑削是斷續切削，在銑削過程中切削力循環變化產生高頻振動，影響刀具壽命；加工淬硬鋼時，刀具破損更為嚴重。刀具后刀面的磨損比前刀面嚴重，主要失效形式有刀尖破損、涂層燒傷與脫落、側刃微崩等。

　　2.2.3 影響刀具磨損的主要因素

　　影響刀具磨損的主要因素有：

　　(1)刀具直徑：在相同的切削參數和加工長度條件下，直徑小的銑刀磨損比直徑大的銑刀磨損嚴重，而加工表面質量相差不大。因此在用小直徑銑刀加工淬硬鋼時，要考慮整個刀桿能承受的最大載荷，切削深度和進給速度盡量小。

　　(2)刀具幾何參數：由于加工淬硬鋼時刀具的失效主要形式為刀尖破損，因此應選擇適當的刀具角度以提高刀尖的抗沖擊強度，如采用較小的前角和后角等。

　　(3)刀具材料：可用于淬硬鋼加工的刀具材料主要有硬質合金、硬質合金涂層、陶瓷和CBN刀具。陶瓷刀具的抗沖擊韌性差，抗彎強度小，不太適應斷續切削；CBN刀具沖擊韌性好，但價格貴，應用比較少。

3 結語

　　淬硬鋼的高速數控加工技術是多種先進加工技術的集成，不僅涉及到高速數控加工工藝，而且還包括高速數控加工機床、數控系統、高速數控切削刀具及CAD／CAM技術等。本文通過對淬硬鋼的高速銑削力、刀具磨損以及加工工藝技術的研究與實踐，為生產實際中的淬硬鋼的高速數控加工提供了一定的理論依據。

　　實踐證明：淬硬鋼的高速數控銑削加工表面質量好，形狀精度提高，比電火花加工提高效率50％，可減少手工修磨工作量，對于復雜工件表面的加工更具明顯的優勢。還可避免電火花加工產生的表面損傷，提高模具壽命20％。

　　高速數控切削是一項先進的、正在發展的綜合技術，必須將高性能的高速數控切削機床與工件材料相適應的刀具和對于具體加工對象最佳的加工工藝技術相結合，才能充分發揮高速數控切削加工工藝技術的優勢。