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中國礦業大學（北京）超硬刀具材料研究所所長鄧福銘

　　一、高速切削技術的發展歷程

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

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

　　薩洛蒙高速切削理論的證實和發展：

　　①美國洛克希德公司R.L.Vaughan的“彈道切削”試驗;

　　②美國G.E公司七十年代初參加了“高速切削”研究;

　　③美國洛克希德公司R.I.King的加工中心與《高速切削技術手冊》;

　　④德國達姆斯塔特工業大學H.Schulz教授著《高速切削》。

　　高速切削技術作為現代先進制造工藝，已在國外發達國家推廣使用；我國作為世界制造大國，近年來作為國家發展戰略正在大力發展之中。

　　二、高速切削、數控機床與超硬刀具發展關系

　　高速數控機床、高速切削刀具及高速切削工藝是實現高速切削的三大關鍵技術。

國外會展上高速數控機床發展統計

PCBN刀具全球市場增長情況

　　高速切削理論到技術的應用成果——高速數控機床、加工中心、柔性制造系統

　　①數控機床——機床工業的第一次革命；

　　②高速數控機床——機床工業的第二次革命；

　　③加工中心——高速數控機床的進一步發展；

　　④柔性制造系統——機床工業的第三次革命。

　　普通機床切削加工時間70%為輔助時間——上下料、測量、換刀、調整機床等；

　　數控機床——縮短換刀時間，加快空程動作，縮短輔工時間；

　　高速數控機床——提高切削速度，減少切削時間。

圖3 四十多年來切削加工時間構成的變化

　　柔性制造系統——縮短新產品開發周期, 加快產品更新換代速度。

圖4 在產品生產周期內市場需求和產品生產能力的變化

　　超硬刀具——高速切削刀具的發展方向

　　——精密高效切削工具；

　　——汽車工業鋁合金發動機的最佳加工工具；

　　——現代先進切削工藝如“干切削”、“硬態切     削”、“以車（銑）代磨”的載體；

　　——綠色環保、環境友好、資源節約、能源節約型新型工具；

　　超硬刀具更明顯體現了高速切削技術的“高效、精密和柔性”的基本特征，代表了現代高效高速切削技術的發展方向。

　　三、PCBN高速切削刀具發展中的問題

　　PCBN優異的物理力學性能及其“以車代磨”、“硬態加工”和“干式切削”等先進切削工藝，被公認為是二十一世紀高效、綠色環保和資源、能源節約型切削加工工具。

　　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發展中的主要技術瓶頸。

圖4 切削力與切削速度的關系。Al-10%Si合金；切深2mm, 進給0.15mm/齒干式加工。

圖5 PCBN刀具切削鑄鐵時切削力與切削速度的實驗結果

　　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力問題是PCBN刀具的高速切削加工中的必須解決的技術問題。

　　四、問題的提出與學術思想

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

　　高速切削時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。與硬態干切削的“金屬軟化效應”相悖，因此，要充分利用其“金屬軟化效應”就必須加大切削進給量，其結果都將是切削力增大，現有粘結型PCBN刀具不能滿足其服役條件。

　　因此，對新型PCBN刀具的高溫力學性能提出了很高的要求。既要有高的硬度和耐磨性，又要有高的強度和沖擊韌性。

　　2、學術思想

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

　　五、難度與挑戰

　　1、主攻關鍵之一

　　如何利用超高壓燒結技術，實現CBN晶粒間的CBN-CBN直接結合，控制晶界結構及晶粒尺寸大小，以提高燒結體高溫力學性能。

　　這就要求對CBN高壓反應燒結行為規律、轉化機制及聚結機理以及聚晶晶界結構和力學行為等基本科學問題有較深入的了解。

　　2、主攻關鍵之二

　　高速硬態切削純PCBN刀具設計中要解決的關鍵技術問題是如何根據高速硬態切削使用條件要求和純PCBN刀具材料高溫力學性能，提出刀具的結構設計理論和優化幾何結構參數，設計出使用壽命長、安全可靠的新型純PCBN高速切削刀具，解決大進給量的高速硬態切削使用過程中純PCBN刀具的使用安全性、穩定性、可靠性問題。

　　這就必須深入了解其切削過程中將發生的各種機械、熱、摩擦磨損等物理現象，深入了解不同進給量條件下的切屑形態及其形成機理，刀具切削力特性、切削熱和切削溫度的變化規律，刀具摩擦磨損的形式、破壞特征和損壞機理等應用基礎理論問題。

　　中礦大近年來在北京市教委產業化共建項目《高效高速超硬切削工具的研究與開發》、北京市科技人員服務企業行動計劃《高效高速超硬切削刀具的產業化開發》，以及中礦大產業化重點項目《純PCBN刀具材料及高速硬態切削技術研究》的支持下，在高性能純PCBN刀具材料的探索制備，以及純PCBN刀具設計理論研究及高速硬態切削工藝的基礎研究方面，取得初步的研究進展，將可能突破PCBN刀具切削速度的發展瓶頸，為高速硬態切削技術發展提供理論依據和技術支撐。

　　最近的研究結果表明，新型純PCBN，在一定溫度范圍內均表現出很高的硬度和斷裂強度，且抗彎強度在溫度升高到一定值后不是降低而是增高。這預示著新型純PCBN刀具將有可能解決傳統PCBN刀具高速硬態干切削應用的有關問題。

　　六、結束語

　　高純PCBN高速切削刀具開發與推廣，將促進我國高速硬態切削技術發展，不僅帶動相關制造產業產品的升級換代，提升我國制造業產品的競爭力，而且對提高我國綠色切削技術的應用比例, 減小切削加工對環境的負面影響，以及制造業中節能減排均起到重要的作用。