數(shù)控刀具的發(fā)展

數(shù)控切削加工技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)、特別是先進(jìn)切削加工制造技術(shù)中的一個(gè)主要發(fā)展領(lǐng)域。數(shù)控切削加工機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控刀具和夾具、工件以及測量系統(tǒng)這五大要素構(gòu)成了數(shù)控切削加工系統(tǒng)�？梢赃@樣來比喻：數(shù)控刀具和數(shù)字化精密測量儀器是數(shù)控切削技術(shù)發(fā)展的兩個(gè)車輪。數(shù)控加工技術(shù)尤其是數(shù)控切削加工技術(shù)和數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，不能脫離數(shù)控刀具和精密測量技術(shù)和儀器的發(fā)展，它們相互依存、相互促進(jìn)、息息相關(guān)。先進(jìn)的切削加工技術(shù)和數(shù)控刀具以及先進(jìn)的數(shù)字化測量技術(shù)和儀器、裝備及服務(wù)推動(dòng)著數(shù)字化制造技術(shù)尤其是數(shù)字化切削加工技術(shù)的發(fā)展，裝備與服務(wù)還推動(dòng)著數(shù)控機(jī)床、數(shù)控制造裝備的發(fā)展。

　　數(shù)控刀具的發(fā)展

　　高速、高效、復(fù)合、高精度、高可靠性及環(huán)保是先進(jìn)切削技術(shù)的發(fā)展趨勢，也是對數(shù)控刀具提出的要求。數(shù)控刀具制造技術(shù)的發(fā)展主要集中在如下幾個(gè)方面：刀具材料制造技術(shù)、刀具涂層制造技術(shù)、刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造技術(shù)、連接數(shù)控刀具和數(shù)控機(jī)床的工具系統(tǒng)制造技術(shù)以及切削數(shù)據(jù)庫等相關(guān)軟件技術(shù)。

　　·數(shù)控刀具材料“對癥下藥”，重視超硬超細(xì)材料的開發(fā)

　　切削刀具材料是決定刀具切削性能尤其是刀具切削效率和可靠性的基礎(chǔ)。“對癥下藥”，針對工件的特點(diǎn)（材料性能、加工余量、批量、要求等）開發(fā)匹配的特定刀具材質(zhì)是當(dāng)今的一個(gè)發(fā)展趨勢。鈷高速鋼、粉末冶金高速鋼、硬質(zhì)合金（包括超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金）以及陶瓷、金屬陶瓷等材料在數(shù)控刀具上得到了迅速推廣和廣泛應(yīng)用。尤其是數(shù)控刀具、可轉(zhuǎn)位不重磨刀片用硬質(zhì)合金牌號近年來發(fā)展迅速，占主要份額。亞微米級超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金材料顯著提高了刀具的切削機(jī)械性能（強(qiáng)度、硬度）。對于復(fù)雜成型數(shù)控齒輪刀具，鈷高速鋼和粉末高速鋼則大有取代傳統(tǒng)高速鋼的趨勢。隨著有色金屬材料、有機(jī)復(fù)合材料甚至木材等切削加工需求的增加，尤其是汽車（氣缸體、氣缸蓋、活塞等）、航空航天、軍工、家具制造業(yè)的發(fā)展，硅鋁合金、鋁鎂合金、復(fù)合蜂窩材料零件以及淬硬工件的加工，推動(dòng)了聚晶金剛石（PCD）、立方氮化硼（CBN）等超硬刀具材料制造技術(shù)的進(jìn)步。環(huán)保要求的提倡，干切削技術(shù)和微量冷液卻、低溫氣冷卻技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，對切削刀具材料（及涂層）的抗高溫性能提出了新要求——優(yōu)良的高溫紅硬性、高溫抗粘合性、高溫摩擦性能等對實(shí)施干切削數(shù)控刀具的使用性能至關(guān)重要。

　　·數(shù)控刀具涂層發(fā)展迅速，新涂層層出不窮

　　刀具涂層是決定刀具切削性能尤其是刀具切削效率和可靠性的另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，符合節(jié)約型發(fā)展的要求：切削效率顯著提高，刀具性能明顯改善、使用壽命成倍增加，既節(jié)省了資源，又降低了成本。近年來，刀具涂層技術(shù)發(fā)展空前迅猛，新的涂層裝備和涂層材料層出不窮。在傳統(tǒng)的TiN、TiC、TiCN、Al2O3涂層的基礎(chǔ)上，發(fā)展了高溫紅硬性更好的TiAlN、TiBN、TiAlBN、CrN、CrC、SN2等新涂層，以及可改善自潤滑性能的軟涂層MoS2。金剛石涂層、類金剛石涂層DCL以及CBN涂層等也得到了快速的發(fā)展。納米涂層結(jié)構(gòu)在同樣的涂層情況下可顯著提高涂層性能，備受重視。

　　目前。切削刀具的涂層工藝主要采用化學(xué)涂層（CVD）和物理涂層（PVD）二大類。由于物理涂層工作溫度低，對刀具基體強(qiáng)度影響小，保持刀具幾何精度和刃口切削性能好，因此使用較多。成都工具研究所的熱陰極離子鍍技術(shù)和設(shè)備、西安理工大學(xué)和英國合作生產(chǎn)的閉合場非平衡磁控濺射離子鍍及設(shè)備，以及德國CemeCon公司的高電離濺射涂層技術(shù)和設(shè)備，部分反映了當(dāng)今涂層技術(shù)及裝備的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，在高速鋼復(fù)雜成型刀具以及硬質(zhì)合金數(shù)控刀具的涂層應(yīng)用上獲得了很好效果。近年來，上海工具廠和貴陽工具廠分別引進(jìn)了新型涂層設(shè)備，哈一工和PVT、漢江工具和BALZERS也分別成立了聯(lián)合涂層中心，以及多家國外公司在國內(nèi)開設(shè)的刀具涂層服務(wù)中心推動(dòng)了國產(chǎn)復(fù)雜成型刀具、數(shù)控刀具及刀片涂層質(zhì)量的迅速提高，向國際先進(jìn)水平進(jìn)一步靠攏。

　　需要提及的是，要重視工件材料與切削刀具基體和涂層的優(yōu)化配置。株洲硬質(zhì)合金廠及株洲鉆石切削刀具公司近年投資數(shù)億元，通過引進(jìn)技術(shù)，在硬質(zhì)合金新材料牌號、涂層技術(shù)及設(shè)備、可轉(zhuǎn)位數(shù)控刀片和整體硬質(zhì)合金數(shù)控刀具的開發(fā)和生產(chǎn)方面取得了明顯成效。

　　·數(shù)控刀具和工具系統(tǒng)滿足高速、復(fù)合切削的要求

　　數(shù)控刀具和可轉(zhuǎn)位數(shù)控刀片結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)的創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計(jì)，如新型精密成型的斷屑槽型的開發(fā)，有效的改善了刀具的切削性能。近年來，數(shù)控組合刀具和復(fù)合刀具的開發(fā)步伐加快。如波狀切削刃粗切滾刀和精切滾刀組合、齒輪滾刀和去毛刺刀具組合均使?jié)L削加工效率得到了提高。為了適應(yīng)CNC復(fù)合車銑加工中心的要求，在工件一次安裝中完成平面、圓柱面、孔以及螺紋切削加工的要求，開發(fā)了滿足車銑自動(dòng)換刀的新型數(shù)控刀柄。株洲鉆石投資引進(jìn)技術(shù)、上工和SU的合作都將進(jìn)一步提高我國數(shù)控刀具和齒輪刀具的設(shè)計(jì)制造水平。

　　工具系統(tǒng)將數(shù)控刀具與數(shù)控機(jī)床主軸精密牢固連接，決定刀具的夾持精度，傳遞刀具的切削運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。對于高速高效加工，傳統(tǒng)的采用單面（錐面）約束夾緊、帶有7∶24錐度的工具系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足要求，而HSK工具系統(tǒng)（帶有1∶10錐面）得到了推廣應(yīng)用。它采用雙面（錐面和端平面）約束夾緊原理，接觸剛度和傳遞扭矩大大提高，近年在國內(nèi)的推廣也有所進(jìn)展，但主要是與進(jìn)口機(jī)床配套使用，其主要原因在于機(jī)床主軸和工具系統(tǒng)的制造中基準(zhǔn)的建立和傳遞、計(jì)量檢測裝備和手段的配備問題。日本大昭和精機(jī)開發(fā)了帶有7∶24錐的雙面（錐面和端平面）約束夾緊工具系統(tǒng)，不僅可達(dá)到與HSK相似的效果，還能與傳統(tǒng)7∶24錐柄刀具互換。最近哈爾濱量具刃具廠收購了德國KELCH公司，吸納了先進(jìn)的數(shù)控工具系統(tǒng)成套制造技術(shù)（設(shè)計(jì)、加工制造、檢測、工作基準(zhǔn)規(guī)等），此舉將推動(dòng)并加快我國數(shù)控工具系統(tǒng)和數(shù)控刀具開發(fā)制造的進(jìn)程。

　　·數(shù)控刀具測量儀器

　　為確保高切削性能、高精度、形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的數(shù)控刀具的質(zhì)量，數(shù)控刀具檢測儀器得到重視。如德國Zoller公司的Saturn系列CCD數(shù)控刀具預(yù)調(diào)儀、Schenck公司的Tooldyne SV數(shù)控刀具動(dòng)平衡檢測儀等發(fā)展迅速，國外高端新產(chǎn)品不斷進(jìn)入市場。德國BLUM公司和英國RENISHAW公司的非接觸式在機(jī)數(shù)控刀具檢測儀，采用了噴氣裝置，能在數(shù)控機(jī)床加工過程中，在刀具快速回轉(zhuǎn)時(shí)在機(jī)床上精密檢測并設(shè)置刀具的長度、半徑、徑向跳動(dòng)，也可監(jiān)控刀具刃口形狀誤差和破損。此外還能測量并補(bǔ)償因溫度變化造成的刀具相對位置誤差，提高了機(jī)床的加工精度。

　　·數(shù)控刀具閉環(huán)制造系統(tǒng)

　　將測量技術(shù)和裝備集成于數(shù)控刀具的機(jī)械加工制造過程中，推動(dòng)了數(shù)控刀具數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展。德國WALTER公司的數(shù)控刀具閉環(huán)制造系統(tǒng)和Klingelnberg公司的弧錐齒輪刀具閉環(huán)制造系統(tǒng)就是這項(xiàng)數(shù)控刀具先進(jìn)制造技術(shù)的實(shí)例。系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)通訊，可實(shí)現(xiàn)從CAD、CAM、CAI到CAM再加工直至質(zhì)量達(dá)到要求，實(shí)現(xiàn)數(shù)控刀具“零廢品”制造。數(shù)控刀具整個(gè)制造系統(tǒng)信息實(shí)現(xiàn)了集成和融合。

　　數(shù)控刀具切削數(shù)據(jù)庫集成于數(shù)控機(jī)床，也是數(shù)控切削技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要內(nèi)容。我國已開始探索起步。實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)的可行性和實(shí)用性。成都工具研究所在網(wǎng)上開通的金屬切削數(shù)據(jù)庫查詢服務(wù)工作集成了工具所從“六五”以來的相關(guān)研究成果。隨著切削技術(shù)的發(fā)展，尤其是高速、高效、難加工材料切削技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)庫應(yīng)適應(yīng)發(fā)展需要，不斷更新、補(bǔ)充和提高。

　　對于數(shù)控切削加工系統(tǒng)而言，必須重視數(shù)控刀具制造技術(shù)的發(fā)展，重視切削機(jī)理、數(shù)控刀具的設(shè)計(jì)、材料、制造工藝、刃口強(qiáng)化技術(shù)、表面強(qiáng)化技術(shù)、數(shù)控刀具檢測技術(shù)直至數(shù)控刀具切削數(shù)據(jù)庫等數(shù)控刀具制造全過程的技術(shù)發(fā)展和質(zhì)量管理。

　　采用先進(jìn)信息技術(shù)，將數(shù)控刀具制造閉環(huán)系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)(包括應(yīng)用)的信息進(jìn)行集成、分析、診斷、反饋，以提高制造質(zhì)量和水平，這對于數(shù)控刀具制造技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要，對于數(shù)控切削加工技術(shù)的發(fā)展也至關(guān)重要。

　　結(jié)束語

　　數(shù)字化制造技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)。在數(shù)字化制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)將數(shù)控機(jī)床、數(shù)控刀具、數(shù)控測量儀器和加工對象(工件)以及相應(yīng)的信息集成融合在一起，構(gòu)成了的一個(gè)數(shù)字化閉環(huán)切削加工系統(tǒng)。可以認(rèn)為這是CIMS理念中的一種具體實(shí)施形式。CIMS應(yīng)該具有多樣性，即具有不同水平和不同層次。從近年數(shù)控刀具閉環(huán)制造系統(tǒng)和圓柱齒輪、錐齒輪制造閉環(huán)系統(tǒng)的發(fā)展，可以得到啟示：應(yīng)結(jié)合實(shí)際，大處著眼，小處著手。專項(xiàng)(產(chǎn)品)數(shù)字化閉環(huán)制造系統(tǒng)也許是當(dāng)前CIMS領(lǐng)域的一條切實(shí)可行的發(fā)展途徑。

　　要提高我國機(jī)床工具行業(yè)的技術(shù)水平，增強(qiáng)競爭力，根本途徑就是提高自主創(chuàng)新能力，發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品和技術(shù)。從近幾屆我國舉辦的國際機(jī)床展覽會(huì)來看，我國精密工具行業(yè)的創(chuàng)新意識不斷加強(qiáng)，創(chuàng)新能力不斷提高，創(chuàng)新技術(shù)成果和產(chǎn)品不斷出現(xiàn)。但是，我國精密工具制造行業(yè)的發(fā)展相比于我國機(jī)床制造行業(yè)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，無論在規(guī)模上還是技術(shù)先進(jìn)程度上都差距較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足和適應(yīng)先進(jìn)制造行業(yè)如轎車制造業(yè)、航空航天制造業(yè)、微電子制造業(yè)等的需求。工具行業(yè)需要緊跟機(jī)床制造行業(yè)，加強(qiáng)合作，加快發(fā)展。