数控加工刀具技术的现状及发展趋势

作者：成都工具研究所 王瑚

欢迎访问e展厅 展厅 3 铣刀展厅 钨钢铣刀, 立铣刀, 整体铣刀, 盘铣刀, 螺纹铣刀, ... 近年来，在微电子技术、计算机技术、信息工程和材料工程等高新技术的推动下，传统的制造技术得到了飞速的发展，迅速发展成为一门新兴的制造技术——数字化制造技术。对比传统制造技术，其重要的特征就是数控加工技术得到了广泛的应用，这一发展的原动力来自于制造业对产品制造效率的强烈追求。在这一背景下，以制造业为主要服务对象的刀具制造及应用技术发展迅速。大量高速、高效、柔性、复合、环保的数控加工刀具及应用新技术不断涌现，使传统的切削加工技术发生了根本的变化。如今，硬切削、干式切削、高速高效加工已成为现代切削技术的重要标志，并带动着切削加工技术水平的全面提高，已成为数控加工的关键技术。刀具产品已发展成为高附加值、高科技含量的产品，包含着当代材料、信息科学、计算机、微电子应用技术领域中的最新成果。 1.刀具材料的进展 当前，刀具材料进展的主要特点是：一方面硬质合金取代高速钢成为主要的刀具材料；另一方面超硬刀具材料使用比重大幅增加。 1.1 在硬质合金基体方面 （1）硬质合金新牌号的开发越来越具有很强的针对性 如美国Kennametal公司仅针对不同被加工材料的车削加工牌号就有：加工钢材的KC9110、加工不锈钢的KC9225、加工铸铁的KY1310、加工耐热合金的KC5410、加工淬硬材料的KC5510、加工非铁材料的KY1615，新牌号比原牌号平均可提高切削效率15%～20%。山高公司推出的加工铸铁的TK1000、TK2000新牌号，可提高切削速度20%～30%，而该公司为加工钢件开发的TP3000在重切削、断续切削、大进给的应用中则有很好的可靠性。 铸铁和不锈钢是目前两种应用较多的工件材料，然而两者的可加工性有很大的差异，很多公司都开发出了加工这两种材料的专用牌号。如株洲钻石切削刀具股份有限公司开发的黑金刚刀片系列，是专门加工铸铁的硬质合金刀片，包括可干式高速加工灰铸铁的YBD052、可高速加工球墨铸铁的YBD102、可用于中高速或铣削的YBD152 及适用中低速湿式铣削或断续条件下车削的YBD252等牌号。这些新牌号比原有的牌号可提高切削速度30%～40%，使用寿命可提高将近40%～50%。在加工不锈钢方面，瑞典Sandvik公司车削奥氏体不锈钢的GC2015是具有梯度区的抗塑性变形和改进热硬性的基体，加上专为此牌号而设计的TiN-TiN/Al2O3（多层）-TiCN涂层，并对涂层表面进行平滑处理，提高了抗磨料磨损、抗剥落、抗积屑瘤的能力。而韩国KORLOY公司的PC9530为铣削不锈钢的牌号，采用超细颗粒的基体和PVD涂层。 （2）在新牌号的开发中重视基体和涂层的优化组合 对于适合高速加工的牌号，其基体应有较高抗塑性变形的能力和富钴的表层及抗月牙磨损的涂层；对于适合断续切削的牌号，基体和涂层都要有较好的韧性。Sandvik公司车削铸铁的专用牌号GC3205、GC3210、GC3215为CVD涂层硬质合金，分别用于灰铸铁的高速加工、球墨铸铁的高速加工、各种铸铁的中低速的断续切削加工，这三种牌号分别采用不同的硬质合金基体和不同厚度的Al2O3、MT-TiCN涂层。日本三菱综合材料公司开发的车削铸铁用的UC5105、UC5115硬质合金CVD涂层牌号，前者用于灰铸铁或球墨铸铁的高速连续切削，采用高硬度的基体，后者用于球墨铸铁的不稳定条件加工，采用强韧的基体；两者均涂覆微粒Al2O3和微粒且纤维状的TiCN厚膜。蓝帜集团的BOEHLERIT公司的车削铸铁牌号Casttec LC620H采用强韧基体，可用于断续切削，而Al2O3的表面涂层可减小月牙洼磨损，下面还有一层互锁的中间层提高结合强度，能以400m/min高速加工灰铸铁。 1.2 在超硬刀具材料方面 随着干切削、硬切削的发展，近年来，国外各公司都推出了陶瓷及超硬刀具材料的新牌号，如Kennametal公司的KY4400陶瓷刀片，是一种适合于硬车削的混合陶瓷材料，在1μm晶粒度的Al2O3基体中加入了TiCN硬材料，以提高刀片的硬度和韧性，适合于精车或半精车硬度达40～67HRC的淬火钢或铸铁。Sandvik公司的CT5005无镍金属陶瓷车刀片，是用于超精加工的新牌号，适用于高效干切削或湿切削。Iscar公司推出了两种超细颗粒硬质合金基体加PVD TiAlN涂层的908、907牌号，前者有高的抗塑性变形的能力，适用于钻孔刀片和车螺纹刀片；后者适用耐热合金、奥氏体不锈钢和淬硬钢的低中速加工。 2.刀具涂层技术取得重大进展 先进的涂层设备为涂层技术的发展创造了重要条件，尤其是PVD涂层工艺技术，一方面，在改进控制技术，提高等离子体密度、提高磁场强度、改进阴极靶的形状、实现过程的计算机全自动控制等关键技术上取得了全面的进展，从而使涂层与基体的结合强度、涂层的性能有显著的提高。如PLATIT和PVT公司采用的多弧涂层工艺及设备可对电弧产生的“液滴”进行有效控制，使刀具涂层表面的光洁度得到很大改善。CemeCon公司开发的CC800/9涂层设备采用磁控溅射技术，从根本上避免多弧工艺的“液滴”问题，为解决磁控溅射沉积速率低、结合力低的缺陷，开发了HIS（高电离化溅射）技术，并在此基础上开发了H.I.P（高电离化脉冲）技术，推出了能同时具有氧化物涂层的化学稳定性及硬质涂层的物理特性的Supernitrides系列涂层。另一方面，涂层的品种也从常规的TiN、TiCN、TiAlN迅速扩展到特殊TiAlN、AlTiN、TiAlCN、CrN、CBC（DLC）等涂层以及各种复合涂层和纳米涂层，并能对涂层的组分、百分比、结构在更大范围内加以控制和改变，以适应不同的被加工材料和不同的切削条件，从而显著地提高了刀具的切削性能。如Balzers的CrAlN涂层，以Cr元素代替Ti元素，具有3200Hv硬度和1100℃的氧化温度的高性能，与TiAlN相比韧性更好，更适合于断续切削如铣削、滚削。日立公司开发的9种涂层自成体系，除了常规的TiN、TiCN、TiAlN以外，还开发了以Si元素代替Al元素的涂层，有适用于硬切削的TiSiN涂层；有润滑性的CrSiN涂层，在Cr中添加Si使涂层细微化进一步降低摩擦系数，更适用于铝、不锈钢等粘附性强的材料的加工；有超强耐氧化能力的AlCrSiN涂层和在高温下具有低摩擦系数的TiBON涂层。Balzers公司开发的并已被一些刀具制造商应用的FUTUNA NANO和FUTUNA TOP是两种TiAlN纳米结构涂层，涂层硬度均为3300Hv，开始氧化温度900℃。纳米涂层的开发和推广应用，将进一步提高切削加工的效率。 与此同时，为了提高加工铝合金等非铁金属和非金属材料的效率，金刚石涂层得到进一步的应用，产品覆盖了可转位刀具和整体硬质合金刀具。厦门金鹭特种材料有限公司利用引进的Balzers设备开发出了金刚石涂层整体硬质合金球头立铣刀。OSG公司开发出了超微粒结晶的金刚石涂层铣刀，结晶粒度为1μm，使刀具的刃口更加锋利，减少切削中的粘结，降低了工件表面的粗糙度。 此外，提高涂层表面光洁度也是涂层技术发展的一个动向，以提高涂层刀具抗摩擦、抗粘结的能力。在CVD涂层中，通过晶粒细化技术，使涂层表面光滑，如株洲钻石公司用于铸铁精加工的YBD052黑金刚刀片，表层是细晶的Al2O3，刀片外观光亮平滑。三菱公司的UE系列加工钢材的CVD涂层硬质合金刀片，采用平滑氧化铝和平滑涂层技术，对微粒氧化铝进行平滑涂层处理，即在上层涂覆特殊钛化物沉积层，表面组织平滑且化学稳定性好，减少了刀具粘结磨损。日本不二越公司为GS立铣刀开发的GS涂层，采用平滑化技术，涂层表面的粗糙度Ra=0.08μm，Rz=1.1μm，显著改善了涂层表面的特性。 3.立铣刀、丝锥、钻头等传统刀具进入高速切削发展阶段 长期以来，立铣刀、丝锥和钻头属于量大面广的通用刀具，主要采用高速钢制造，切削效率偏低。近年来，由于刀具材料尤其是超细颗粒硬质合金材料性能的提高和应用的普及、涂层技术和刀具数控磨削技术的不断进步，使通用刀具发生了根本的变化。 首先是整体硬质合金铣刀的性能成倍提高，切削速度由原来的不到100m/min提高到180m/min以上，特别是在航空工业铝合金加工方面，切削速度更是达到了2000～5000m/ min，具备了高性能刀具的水平。其次是整体硬质合金刀具的品种增加，涵盖了立铣刀、麻花钻、丝锥等众多的品种，应用领域进一步扩大。第三是数控工具磨床的广泛应用和普及，使刀具在结构方面产生了巨大变化，理论上讲，当前工具制造企业所使用的五轴联动数控工具磨床可以加工出几乎任何形状的刀具来，从而使刀具切削部分的几何形状、参数和刀具的结构突破了传统标准刀具千篇一律的旧格局，实现了多样化的、并充分体现切削过程内在规律的创新设计，使通用刀具的潜力得到充分的挖掘。通用刀具的这种重大进展，标志着立铣刀、丝锥、钻头等传统通用刀具的发展已进入了高速切削的新阶段。 4.可转位刀具的新进展 随着制造业的高速发展，汽车工业、航空航天工业以及模具行业等重点产业部门对切削加工不断提出了更高的要求，CAD/CAM技术和CNC数控制造技术在刀具开发中的应用以及刀片压制技术的进步，推动着可转位刀具持续的发展。 近年来，可转位刀具在刀杆结构的优化、切削负荷的合理分布、刀片三维断屑槽形开发以及带前角的螺旋形刀刃铣削刀片的问世和小规格浅孔钻的开发等方面，都取得明显的成效。其中，可转位立铣刀的进展尤为突出。如：Iscar公司开发的FEEDMILL立铣刀系列，以新的刀片外形、较小的切削主偏角和新的装夹结构，使每齿进给量最高可达3.5mm，以小吃深大进给的方式实现很高的金属切除率，小的主偏角能把高速进给的径向力转化为轴向力，因此可采用悬伸较长的刀杆对较深的模腔或外轮廓进行高效加工，主副切削刃之间的平缓的过渡刃，既可增加刀尖的强度又能改善加工的表面粗糙度。为了使刀片的装夹更可靠，以适应大的进给量，在刀片的底面多出一个圆柱形的凸起，在安装时与刀座的孔相配，可承受大部分切削力，减少中间夹紧螺钉的载荷。 开发多功能的复合刀具是当前刀具结构发展中的另一个趋势。为了发挥以车削加工中心和镗铣类加工中心为代表的数控加工技术的优势，对复杂零件在一次安装中进行多工序的集中加工，并淡化传统的车、铣、镗、螺纹加工等不同切削工艺的界限，是当前提高数控机床效率、加快产品开发的重要途径。为此，也对刀具提出了新的要求，除了刀具模块化以外，还要求一种刀具要尽可能多地完成对零件不同工序的加工。减少换刀次数，节约频繁换刀时间；同时，还可以减少刀具的数量和库存量，有利于管理和降低制造成本。Sandvik、Kennametal等公司都开发出了为加工汽车、航空发动机零件、飞机构件开发的成套专用复合刀具。随着这类刀具的品种增加，结构优化，几何参数更趋合理，性能得到提高，应用面不断扩大，它不仅在车削、铣削、钻削领域的应用有新的突破，而且扩大到拉削和齿轮加工等复杂形面的加工领域。这类专用高效刀具已经成为现代自动生产线的特色，对减少投资费用、保证生产节拍和产品质量发挥了重要作用，也反映出刀具与工艺在制造技术中的紧密关系，甚至是开发新工艺、设计新的生产线的前提。 5.切削加工新的配套技术 切削加工的配套技术是现代切削技术不可缺少的组成部分，对切削技术的进步起着重要的作用，已成为现代工具产品的一部分，并与切削技术和刀具保持着快速同步的发展。现阶段的切削配套技术主要包括工具系统的刀柄、刀具的装夹与动平衡、刀具的使用、监控和管理技术等。 首先，在工具系统和刀柄方面：HSK刀柄的应用更加普及，各类带HSK刀柄的工具在我国的汽车工业、航空航天工业、模具制造业、气轮机制造业等行业得到了广泛的应用。与此同时，日研公司和大昭和公司分别开发了三处接触（3LOCK SYSTEM）和双面接触（BIG PLUS）两种7:24连接刀柄，与现有的7:24刀柄比较，它们有更高的连接刚性和精度，可用于高速、高效切削，并且还能与现有的7:24刀柄或机床兼容，减少了新增的工具费用，具有现实意义。 Sandvik公司的Capto刀柄随着使用面的不断扩大推出了与之配套的刀具主轴，并以OEM的方式供应数控机床制造商，以充分发挥Capto刀柄在车削中心复合加工中的优良性能。 其次，在夹紧部位方面：各类高效、高性能工具夹头得到广泛应用。国外各刀具公司研制开发了液压夹头、热装夹头、压入式夹头等各种刀具夹紧系统。如：德国雄克公司开发了一种无夹紧元件的三棱变形静压夹头；日本日研工作所开发的PF压入式系列刀柄，也实现了端面接触，卸刀时采用专门装置把刀具顶出；Sandvik公司开发了CoroGrip液压驱动夹头；Biltz、Zoller等数家公司开发了热装夹头及加热装置，新推出的加热夹头装置都加快了冷却的速度，增加了冷却的工位，有的还增加了轴向可调的机构，并与对刀仪结合在一体，提高了加热夹头装刀的轴向精度。 第三，在刀具安全性技术方面：刀具的动平衡技术得到了飞速发展。刀具的动平衡是高速铣削刀具的重要指标，为此，德国的HAIMER和意大利的CEMB等公司，根据对刀具动平衡的要求开发了专用的动平衡仪。可实现全自动的刀具动平衡测量，计算机屏幕显示不平衡量的大小、相位及相应的平衡质量等级和最大使用转速等数据，并可根据需要作一个平面或两个平面的不平衡测量，设定平面的位置，不平衡量的去重位置由激光束指示，还可通过更换主轴接头测量不同刀柄的刀具。目前，安全性技术已被世界上著名的工具制造厂家所采用，除德国的Walter、Mapal等公司推出的高速铣刀外，日本东芝Tungaloy公司的DIA9000加工铝合金铣刀、住友电工公司的专用SUMIDIA金刚石铣刀等在结构上都作了改进，以适应高速加工的需要，推荐的切削速度为3000～5000m/ min。美国Valenite公司推出的直径3～12in的高速面铣刀，其铝合金刀体经表面处理后硬度达60HRC，提高了刀体的耐磨性。旋转刀具的动平衡，按ISO1940/1的规定，已达G40等级以上，某些精加工高速铣刀的不平衡质量已达到G2.5级，平衡性比G40高很多，而美国平衡技术公司推出的刀具动平衡机甚至可平衡到G1.0级。 6.数控切削技术的发展对工具工业提出了更高的要求 一方面，高精度、高效率、高可靠性和专用化是先进数控加工技术的基本特征，现代刀具企业最响亮的竞争口号，就是为制造业提供效率最高的切削刀具。制造业也认识到通过采用高效率刀具提高劳动生产率来降低成本，比单纯节省刀具费用更加有利。所以，在现代刀具的制造和使用领域，“效率优先”已经代替了传统的“性能价格比”老概念。 其次，要求现代工具企业具有综合的高科技特征，现代工具企业的生存和发展需依靠强大的研究开发能力作后盾，在提高切削率这样一个根本目标的推动下，现代刀具企业从传统的单纯加工型企业逐步发展成为涉及刀具基础材料、表面处理、基础工艺和和成套服务等具有综合高科技特征的开发型企业。其表现在：第一，工具新材料的研发和生产已经成为现代刀具企业不可分割的组成部分；第二，涂层技术（PVD和CVD）的开发和应用成为现代刀具制造业中与新材料发展并驾齐驱的技术发展方向；第三，先进数控加工技术的开发和应用已经成为现代刀具制造业确保产品质量的必备手段。 现代刀具发展的重要特征之一是专业化、复合化和多功能化，导致刀具结构日趋复杂，形状变得十分特异。传统的刀具工艺技术——普通机床和卡具已经无法保证刀具和刀片的安装基准和切削单元之间的空间位置精度。因此，多轴联动的数控加工技术已经成为现代刀具企业不可缺少的手段。由于刀具制造工艺的特殊性，刀具制造的专用数控机床通常由刀具企业自行研究开发，机床企业协作制造。所以，刀具专用数控技术和装备的开发和应用已经成为现代工具企业的一个重要工作内容。由此可见，现代刀具企业的运作范围，从专用原材料的研究和生产开始，囊括了表面处理技术和刀具生产专用数控技术及装备的研发和应用。“三高一专”刀具产品的研究、生产和推广服务，成为了企业竞争的焦点，谁发展慢一点，就要被淘汰出局。这种竞争的结果，使国际工具工业的发展日趋集中化。那些具有强大研发能力和经济实力的企业在竞争中脱颖而出，成为推动和领导行业发展的主力。在制造业中，生产技术运作跨度如此宽的行业并不多见。 另一方面，对用户提供综合服务的深度和广度日益成为衡量现代工具企业竞争力的重要标志。在传统工具工业的生产模式下，工具企业只是一个标准刀具的生产供应商，使用现场的诸多技术问题和管理问题，都是使用者自己来解决的。而发展到现代工具工业阶段，这个服务者的角色发生了大变换。国外制造业为使新产品开发费用和管理工作量部分地转嫁到工具供应商，达到共同承担开发风险之目的，广泛采用平台战略，全球采购、一体化管理方式已成趋势。在工具的采购上，将目标转向生产成本低的国家和地区，以降低生产成本，增加市场竞争力。在工具管理上则突出表现为工具厂从主要提供刀具产品转变为主要提供切削技术，负责刀具采购、管理和现场服务，即所谓一体化管理模式。工具企业向用户提供的已经不是单纯的刀具产品，而是切削加工问题的整体解决方案，这个方案的两个基本要素就是先进的刀具和优质的服务。因此，是否具备向用户提供全方位优质服务的能力，已经成为衡量现代工具企业竞争力的一个重要指标。(end)

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