展望我国切削加工与刀具技术的发展趋势 作者:mtlike 时间:2007-5-31 10:36:00
第 1 楼
一、先进制造技术发展阶段与思考
1、当我们进入21世纪的时候，从世界范围观察，我们正处在先
进制造技术空前快速发展的时期。由于数控机床（nc）的问世，发展一系列数控加工技术，如加工中心（mc）、柔性制造单元（fmc）、柔性制造系统（fms）、计算机集成制造系统（cims）、甚至出现了不同于传统机床的虚拟轴机床，和与机床同时相辅相成发展起来的高速加工新技术、新刀具、新工艺的紧密结合，使机械加工中的劳动强度大大降低，辅助时间大大缩短，产品质量和生产效率大大提高，成为制造业乃至全球经济的发展起到巨大的推动作用。制造技术正朝着高速、高效、柔性、复合、环保、网络的方向发展，现代切削技术是制造技术的主力军之一。
2、大力发展数控加工技术及装备，已成为世界各国政府的战略决策，用数控装备武装现代工业和改造传统工业也成为世界各国制造业发展方向。在90代后期如德、日、美、意四国的机床产值数控化率已达到51.75%以上。数控机床已成为当今制造技术的主要装备，数控加工技术成为先进制造技术的主流，开创着整个现代制造业的新时代。改革开放后，我国制造业的发展世界瞩目，机床总产量和技术水平已迈入世界第一方陈，机床的进口消费量近年已达世界之首，我国已跨入世界制造大国之列；但还不是制造强国，就我国目前制造业劳动生产率只相当于美国的1/23，日本的1/25，德国的1/18，与先进的工业国家相比，还存在着巨大的差距。
3．2002年和2003年，我国进口刀具的金额增长率高达61.21%和87.46%,说明国产刀具还难以满足制造业的发展需要.国产数控刀具无论在寿命,可靠性等方面都存在明显差距,还是在产品品种、性能和质量上都远远满足不了用户的要求，这直接严重影响数控机床效率的发挥。还有相当一部分生产企业还较普遍采用焊接式刀具，或几十年一贯制的老工艺方法，严重阻碍了生产力的提高，是值得我们认真思考和改进的。
二、高速加工（高速切削）发展的必然趋势
1、首先回顾百年来切削发展史：1900年当时的刀具材料为碳素工具钢，如果加工一根直径φ100mm，长500mm的碳钢轴件，需要100分钟才能完成，而在2000年，刀具材料为硬质合金涂层刀具和立方氮化硼刀具，加工上述同样一根轴，仅需要一分钟完成，切削效率提高100倍。切削加工（含磨削）不仅现在而在整个21世纪仍是机械制造业的主导加工方法，目前切削加工约占整个机械加工工作量的95％，据有关专家估计，21世纪的切削加工仍将占机械加工的90％以上。
2、提高切削效率首先要求机床不断更新换代，高速主轴采用陶瓷轴承，液体静压轴承、空气静压轴承、磁浮轴承后，其主轴转速可达10000－50000转／分；小型机床可达100000转／分。进给速度：滚珠丝杠可达40－60米／分，直线电机可达90－120米／分。可以看出辅助运动已达到了主运动的水平，为高速加工创造了最重要的保证条件。再加上刀具新材料、新工艺、新结构的不断研究创新，从而使切削加工进入了高速加工，即新一轮的高速与超高速切削发展新阶段，与50年前的高速切削水平有了一个质的飞跃。
3、目前国际上对高速加工尚无统一定义。有两种提法：一种是以切削速度在1000米/分以上称为高速加工。另一种从被加工材料和刀具材料两个方面考虑，即切削速度与进给速度高于常规值的5——10倍的加工方法称为高速加工。例如：铣削：cbn铣削铸铁、切削速度可达1000－2000米／分。pcd铣削铝合金、切削速度可达4000－7000米／分。车削：氮化硅陶瓷车削灰铸铁、切削速度可达500－700米／分。cbn车削淬火钢（hrc60），切削速度可达100－200米／分。cbn车削铸铁刹车盘，切削速度可达700－1000米／分。钻削：整体硬质合金钻头钻灰铸铁，切削速度可达100米／分。
4、高速加工的机理：早期有萨洛蒙“采用较高的切削速度”理论，在1931年曾获德国专利，文中指出：“在一定的切削速度（比常规加工高5-10倍）下，在切削刃处的切屑去除温度将会开始降低……这种高速加工将提高生产率。”对于钢铁这种温度降低程度较小，对于铝和其它非金属材料这种温度降低程度较高。实践证明：高速加工与常规加工相比，有许多突出的优点：①单位时间的材料切除率可增加3－6倍；②切削力可降低30％以上，尤其是径向切削力的大幅度减少，特别有利于薄壁细筋件（如航空、航天）的高速精密加工；③95－98％的切削热被切屑带走，工件可基本保持冷态；④高速加工时机床的激振频率特别高，远离“机床－刀具－夹具－工件”工艺系统的固有频率，切削平稳振动小，能加工出非常光洁、精密的零件，例如高速铣削高速车削常可达到磨削水平；⑤由于切屑是在瞬间被切离工件，工件表面的残余应力非常小，这对航空航天工业产品有特殊重要的意义。
5、高速加工是一个系统工程，不是一种简单的高切削速度加工。高速加工新工艺，包括：软切削、硬切削、干切削、大走刀切削等配套技术。其中硬切削（切淬硬钢件），干切削（无冷却液）为代表，国际上提出了绿色机械加工的新概念。传统机械加工主要有三个缺陷：①资源利用率不高；②对环境污染大；③损害人体健康。70年代以来，随着世界经济的发展，地球环境日趋恶化、据统计造成环境污染物有70％以上来自制造业，由于人们对环境意识的加强、对清洁生产和绿色制造提出了新的要求。美国和欧洲一些公司加工闸轮和印刷机零件，采用干切削加工铸件钢件都非常成功。总的发展趋势很快，但孔加工的干切削还是个瓶颈，不少专家学者花力气研究，采用空气射流冷却、液氮射流冷却、喷雾冷却等方法，初步取得了成效。
6、20世纪80年代以来，我国相继从德、美、法、日等国引进多条较先进的轿车数控生产自动线，使我国的轿车工业得到空前发展。较典型的是来自德国的一汽——大众捷达轿车和上海大众桑塔纳轿车自动生产线，处于国际20世纪90年代中期水平。其中应用了较实用的高速加工技术，其刀具材料的选用以超硬材料为主的高性能刀具材料，使铣削速度达2200米/分，钻与铰削速度达80-240米/分，车削速度达200米/分以上，拉削速度达10-25米/分，剃齿速度达170米/分。孔加工采用多刃复合刀具，并以铰挤削替代磨削和精密镗削，在一次往复走刀中完成外元、端面、内孔的精加工，刀具转速达3000转/分，走刀速度达1.5-3米/分，精度可达5-7级，表面粗糙度值达ra 0.7μm。从中可部分了解到世界高速加工技术的概貌和发展趋势。
三、充分认识刀具在切削加工中的重要性
1、在机械加工中，金属切削机床和刀具作为切削加工的基础工艺装备，刀具被称为机床的“牙齿”和“孪生兄弟“，无论是什么样的金属切削机床，都必须依靠这个“牙齿”才能发挥作用，刀具性能和质量直接影响到数百万台机床生产效率的高低和加工质量的好坏，直接影响到整个机械制造业的生产技术水平和经济效益。所以说：“企业的红利在刀刃上”，这是国外企业家的切身体会。古人云：“工欲善其事，必先利其器”，现代人说：“磨刀不误砍柴功”，“把劲使在刀刃上”，这些都是我国劳动人民在长期的生产实践活动中的经验总结。
作者:mtlike 时间:2007-5-31 10:36:00
第 2 楼
6、聚晶金刚石（pcd）刀具材料；pcd材料具有高硬度、高耐磨性、高导热性及低磨擦系数等特点，pcd刀具可实现有色金属及耐磨非金属材料的高速、高精度、高稳定性加工。如采用铝基体刀盘φ100、六齿高速铣刀的最高切削速度可达7000米／分。pcd颗粒的大小对刀具影响较大，如：pcd粒径为10－25μm的pcd刀具适于切削加工si含量≥12％的铝合金（切削速度v＝300－1500米／分）及硬质合金；pcd粒径为8－9μm的pcd刀具适于切削加工si含量≤12％的铝合金（切削速度v＝500－3500米／分）及通用非金属材料；pcd颗粒径为4－5μm的pcd刀具适于切削加工frp、木材或纯铝等材料。
此外，高性能高速钢、粉末冶金高速钢、整体硬质合金等已成为制造滚刀、剃齿刀、插齿刀等齿轮刀具的主流刀具材料、可用于齿轮的高速切削，其切削速度可达150－180米／分，如再对其进行tiain涂层处理，则可应用于高速干切削。
五、刀具新结构的应用
1、可转位刀具技术是刀具发展史上的一个重要创新，它具有不经焊接，无裂纹等缺陷，充分发挥原有刀片的切削性能，并减少机床停机磨刀、装卸刀具的辅助时间等优点。国外分析资料表明；使用可转位刀具比焊接刀具提高切削效率37.5%，并可降低单件生产成本30－49％。他们的结论是：应用可转位刀具是生产发展的必由之路。因此西方工业化国家用了5－10年就全面普及应用，又用了10年使可转位刀具进入成熟期，其品种不断增加，结构优化，几何参数更趋合理，不仅在车削、铣削、钻削有新的突破，而且扩大到拉削、齿轮加工等涉及高速钢刀具领域的加工，目前美国、德国、日本可转位刀具使用面达到90％左右，使可转位刀具这颗机床的“牙齿”更加锋利和坚硬，真正成为现代切削加工这个舞台上的主角。
2、高速加工要求现代刀具具有高效率、高精度、高可靠性和专业化的所谓“三高一专”特点。特别是对其安全性的要求，切削对刀具结构设计提出了新的要求，近年来，国际标准化组织正在制定和提出标准草案作为iso的建议，征求各成员国意见。例如：高速旋转铣刀、镗刀的安全性、动平衡和刀具的装夹都要有可靠的安全措施。刀具在高速旋转时受到离心力的作用，其大小可远远超过切削力，甚至导致刀体的破碎，造成重大事故。试验显示：一把直径80mm的机夹面铣刀在37600转／分时破碎，一把直径12mm的机夹立铣刀在转速达到36000转／分时弯曲、断裂，刀片的夹紧螺钉断裂并造成刀片及其夹紧零件甩飞。因此 用于高速切削的旋转类刀具的结构必须经过科学的强度计算和试验，改进现有刀片的夹紧方法，有的厂家在刀片底面与刀体形成园键连接设计，减少螺钉的受力、防止刀片的甩飞，其结构要求对称，并留有可作动平衡的位置和装置。又如：日本大昭和公司的高速镗刀就是带有配重块通过小齿轮齿条自动补偿的平衡装置、解决了10000转／分以上高速镗高精度孔的问题。
3、刀具技术发展的另一个趋势是开发多功能刀具和高效专用刀具，如以色列依斯卡公司的“霸王刀”，在一个刀头的几个方向上都有切削刃，可在一次装卡工序中完成左右车外园、车端面、切沟槽、倒角、仿形等多道工序，节省刀具数量、减少换刀时间，提高工效1－3倍。一种多功能铣刀，利用数控机床的编程功能，完成几种不同工序的加工，对于复杂形状模具（腔）的加工可实现轴向进刀。另一种孔加工专用刀具，可以在一次走刀中完成钻孔、倒内外角，车端面工序。这些多功能刀具或专用刀具，充分体现了刀具在提高加工效率、降低制造成本、节约投资中的重要作用，因而越来越受到刀具制造商和用户的重视，也代表了刀具结构发展的一个方向。
4、孔加工刀具——钻、扩、镗、铰、滚（挤）压等工艺，仅举钻、铰两类刀具。一般孔采用可转位浅孔钻居多，深孔采用喷吸钻效率高，而精密孔加工则采用德国玛帕公司的单刃铰刀和最新开发的可转位双刃铰刀具有优势。单刃铰刀主要特点：①切削刃与支撑块组成“前切后挤”原理，使孔的不圆度达1-3μm，孔的精度达h6级。②刀片采用上压和微调式结构，夹紧可靠，尺寸精度调整精确。③内冷却排屑流畅、刀具寿命高。德国瓦尔特公司孔加工铰刀在选用刀片材料与所用加工时间的切削效率做了对比；如加工灰铸铁，孔径30mm，孔长50mm，其切削效率对比；高速钢118秒，硬质合金40秒，涂层金属陶瓷（单刃）9秒（多刃）1.5秒，而采用立方氮化硼仅0.3秒，说明材料的改变其切削效率成倍增长。
5、近几年可转位铣刀结构最突出的进展是带前角、螺旋形刀刃及分屑槽刀片的开发，甚至加工铸铁的面铣刀其刀片也是带前角的曲线刀刃，不再是千篇一律的平前倾面，而有了更合理的几何参数、径向前角或轴向前角由负变正、由小变大，因此切削非常轻快平稳（降低切削力30％）。近年来国外几个厂家同时推出一种正八方带前角的刀片、这种正八方的刀片两面用，变成了16个切削刃，大大提高了刀片材料利用率，同时也大大降低了刀片费用。铣刀结构发展另一个方向就是密齿及特密齿，尤其是双负角的陶瓷铣刀，为了增加齿含量，使切削加工更趋于平稳，加快走刀量提高生产效率和表面质量，是一个值得重视的发展趋势。
5、重型刀具结构设计更为新颖，如德国瓦德利希科堡（英格索尔公司），生产世界上最大曲轴铣机床和配套铣刀的厂家。可加工大型船用柴油机曲轴，曲轴的一个拐25吨重。铣刀直径为5.5米，厚140mm，刀齿的粗齿44×5＝220齿、精齿4个共224齿。刀盘重30吨，机床功率200千瓦，每小时切屑重5.7吨。加工工艺：铣曲轴两侧面及轴颈，然后在刀盘上换装一个数控车削装置，车削曲轴轴颈和两园根。该铣刀一个非常重要的关键技术：刀盘上均布有8个大孔，孔内安装了减振装置（专利），解决铣削过程切削振动的问题。刀具结构新颖、奇特、技术含量很高。
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