先进 设计技术： 结构、 材料与涂层技术

    金属切削加工是用 从工件表面切除多余的金属材料，从而获得在几何形状、尺寸精度、表面粗糙度及表面层质量等方面均符合要求的零件的一种加工方法。其核心问题是 切削部分与工件表层的相互作用，即 的切削作用和工件的反切削作用。这是切削加工中的主要矛盾，而 的切削作用则是矛盾的主要方面。
    采用新型 实现高效、优质、低成本生产是现代企业提高经济效益的重要途径。 材料的改进是 技术发展的主线。在现有 材料的基础上，通过 几何设计改善切削状态也是生产实践中行之有效的方法。CIRP公布的一项研究报告指出：“由于 材料的改进， 许用切削速度每隔10年提高1倍；而由于 结构和几何参数的改进， 寿命每隔10年几乎提高2倍。”采用新型 材料可以提高 的切削性能，而优化 切削部分的几何形状则能充分发挥新型材料的威力。
    现代 不仅应能满足高速切削、干式切削、硬切削、复合切削加工等先进切削技术的需要，而且对产品功能的多样化、结构的合理化、外观宣型的美观等方面也提出了更高要求。但令人遗憾的是长期以来 的设计主要依靠经验，依靠尝试法(try-and-error ) ，这种方法效率低、开发周期长，显然已经阻碍了新型 的开发和使用，满足不了先进切削加工技术的需求，迫切需要先进的 设计技术。
    结构、 材料、涂层技术的创新推动着切削加工技术的快速发展。本文介绍了 结构设计、 材料和 涂层技术的新进展，指出先进 发展的方向，以促进先进 的开发与合理使用，为提高制造业的加工效率发挥应有的作用。
    结构设计技术
    结构设计的特点是空间角度计算难，形状复杂绘图难，形状相同尺寸繁。随着粉末冶金技术、模具制造技术、五轴联动数控刃磨技术的高度发展，现代金属切削 的切削部分已可加工成十分复杂的形状。因此， 厂家不断创新，采用先进的设计技术和专业应用软件进行 设计。
 

    在生产实际中大量遇到的是各种复杂形状的 。为了断屑，可转位刀片的切削部分也设计出具有复杂形状的刃形和断屑槽。为建立复杂形状 的三维模型，研究者们采取了2种建模方法：一是综合法，即等效刀刃法；二是分解法，即微分刀刃法，并将计算机辅助设计(CAD)技术应用于 的设计。目前，应用较多的CAD软件主要有UG、Pro/E、I-DEAS等几种，有的CAD软件经过企业的二次开发，其适用性进一步提高。这些软件集三维实体造型、平面绘图、工程分析、数控加工、零件组装等模块于一体，形成较完整的 设计软件系统，具有较强的实体造型与编程功能。计算机辅助设计使得 的设计、计算简便，免去 复杂图形的绘制，并能参数化快速设计 ，有利于提高 的设计水平。
    应用工程分析技术(如有限元)对 强度进行数值模拟分析，可较精确地掌握 上各点的受力情况，了解 内部应力、应变及温度的分布规律，获得应力、应变及温度分布图，并方便地找出危险点。该方法可为改进 受力情况、合理设计 结构以及对 进行失效分析 理论依据，为 强度和寿命的分析计算 一种新方法。
    随着制造业的高速发展，汽车工业、航空航天工业、模具工业等高技术产业部门对切削加工不断提出更高的要求，推动着 结构的持续创新。为汽车工业流水线开发的专用成套 成为革新加工工艺、提高加工效率、降低加工成本的重要工艺因素，发挥着重要的作用。模具工业的发展促进了多功能面铣刀、各种球头铣刀、模块式立铣刀系统、插铣刀、大进给铣刀等高效加工 的不断涌现。为满足航空航天工业高效加工大型铝合金构件的需要，开发出了结构新颖的铝合金高速加工面铣刀和立铣刀等先进 。与此同时，出现了各种新型可转位刀片结构，如多功能、多盘、多工位可变角、快换微调的机夹梅花刀，用于车削的高效刮光刀片，形状复杂的带前角铣刀刀片，球头立铣刀刀片，防甩飞的高速铣刀刀片等。
    五轴联动数控工具磨床功能的实现使立铣刀、钻头等通用 的几何参数进一步多样化，改变了标准 参数千篇一律的传统格局，可适应不同的被加工材料和加工条件，切削性能也相应提高。一些创新的 结构还可产生新的切削效果，如不等螺旋角立铣刀与标准立铣刀相比，可有效遏制 的振动，降低加工表面粗糙度值，增大 的切削深度和进给速度。硬质合金丝锥及硬质合金螺纹铣刀的开发将螺纹加工效率提高到高速切削的水平，尤其是硬质合金螺纹铣刀，不仅加工效率高，而且通用性好，可显著降低 费用。
    另外， 厂家不断开发复合的或专用的 ，创新加工工艺，充分发挥机床的功能。微电子、传感技术的应用和智能 的开发实现了加工过程的主动控制和优化。
    可见，只有通过先进的 结构才能充分发挥 材料和涂层的优势，创新的 结构代表了当前 结构发展的方向。
材料
    目前使用的 材料种类繁多，主要有金刚石、立方氮化硼、陶瓷、金属陶瓷、硬质合金和高速钢等。不同 材料具有不同的性能，并有其特定的应用范围。 
   金刚石
    能用作 材料的金刚石有4类：天然金刚石、人工合成单晶金刚石、聚晶金刚石和金刚石涂层。
    天然金刚石是最昂贵的 材料，由于天然金刚石可以刃磨成最锋利的切削刃，主要应用在超精密加工领域，如加工微机械零件、光学镜面、 和火箭中的导航陀螺、计算机硬盘芯片等。人工合成单晶金刚石 有很好的尺寸、形状和化学稳定性，主要用来加工木材，如加工高耐磨Al2O3 涂层的木地板。聚晶金刚石是以钴作为粘结剂，在高温高压下(约507MPa ，几千摄氏度)由金刚石微粉压制而成的。聚晶金刚石 具有优异的耐磨性，可用来切削有色金属和非金属材料，精加工难加工材料，如硅铝合金和硬质合金等。

1、立方氮化硼
    立方氮化硼(CBN)与聚晶金刚石一样，也是在高温高压下人工合成的，其多晶结构和性能也与金刚石类似，具有很高的硬度和杨氏模量，很好的导热性，很小的热膨胀，较小的密度，较低的断裂韧性。此外，立方氮化硼具有卓越的化学和热稳定性，同铁族元素几乎不发生反应，这一点要优于金刚石。因此，加工黑色金属时多选用立方氮化硼而不用金刚石。聚晶立方氮化硼(PCBN)特别适合于加工铸铁、耐热合金和硬度超过HRC45的黑色金属(如发动机箱体、齿轮、轴、轴承等汽车零部件)。PCBN 适合于高速干切削，可以用2O00m/min以上的速度高速加工灰铸铁。PCBN 在高速硬切削方面的应用也比较广泛，尤其是精加工汽车发动机上的合金钢零件，如硬度65 之间HRC6O～65之间的齿轮、轴、轴承，而这些零部件过去是靠磨削来保证尺寸精度和表面质量的。
    CBN的力学和热学性能受粘结相的种类及其含量的影响。粘结相有钴、镍或碳化钛、氮化钛、氧化铝等，CBN 的颗粒大小和粘结相种类影响到其切削性能。低CBN 含量(质量分数，下同，50%～65%)的PCBN 主要用来精加工钢(HRC45～65) ，而高CBN 含量(80%～90%)的PCBN 用来高速粗加工、半精加工镍铬铸铁，断续加工淬硬钢、烧结金属、硬质合金、重合金等。
    不含粘结相的CBN 正在研制当中，通过控制合成条件使CBN颗粒更微细，微细颗粒的CBN 即使在高温下也具有高热导率、极高热稳定性、高硬度和高强度。无粘结相的CBN可望成为下一代 材料。
2、陶瓷
    按化学成分， 材料可分为氧化铝基陶瓷、氮化硅基陶瓷、赛阿龙(复合氮化硅