數(shù)控刀具的加工應用及發(fā)展

高速、高效、復合、高精度、高可靠性及環(huán)保是先進切削技術的發(fā)展趨勢，也是對數(shù)控刀具提出的要求。數(shù)控刀具制造技術的發(fā)展主要集中在如下幾個方面：刀具材料制造技術、刀具涂層制造技術、刀具結構設計制造技術、連接數(shù)控刀具和數(shù)控機床的工具系統(tǒng)制造技術以及切削數(shù)據(jù)庫等相關軟件技術。

　　(1)數(shù)控刀具材料“對癥下藥”，重視超硬超細材料的開發(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。“對癥下藥”，針對工件的特點(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是當今的一個發(fā)展趨勢。鈷高速鋼、粉末冶金高速鋼、硬質合金(包括超細顆粒硬質合金)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用。尤其是數(shù)控刀具、可轉位不重磨刀片用硬質合金牌號近年來發(fā)展迅速，占主要份額。亞微米級超細顆粒硬質合金材料顯著提高了刀具的切削機械性能(強度、硬度)。對于復雜成型數(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、有機復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、復合蜂窩材料零件以及淬硬工件的加工，推動了聚晶金剛石(PCD)、立方氮化硼(CBN)等超硬刀具材料制造技術的進步。環(huán)保要求的提倡，干切削技術和微量冷液卻、低溫氣冷卻技術應運而生，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施干切削數(shù)控刀具的使用性能至關重要。

　　(2)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關鍵技術，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。納米涂層結構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和設備、西安理工大學和英國合作生產的閉合場非平衡磁控濺射離子鍍及設備，以及德國CemeCon公司的高電離濺射涂層技術和設備，部分反映了當今涂層技術及裝備的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，在高速鋼復雜成型刀具以及硬質合金數(shù)控刀具的涂層應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了新型涂層設備，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開設的刀具涂層服務中心推動了國產復雜成型刀具、數(shù)控刀具及刀片涂層質量的迅速提高，向國際先進水平進一步靠攏。

　　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，通過引進技術，在硬質合金新材料牌號、涂層技術及設備、可轉位數(shù)控刀片和整體硬質合金數(shù)控刀具的開發(fā)和生產方面取得了明顯成效。

　　(3)數(shù)控刀具和工具系統(tǒng)滿足高速、復合切削的要求

　　數(shù)控刀具和可轉位數(shù)控刀片結構及幾何參數(shù)的創(chuàng)新優(yōu)化設計，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CNC復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)了滿足車銑自動換刀的新型數(shù)控刀柄。株洲鉆石投資引進技術、上工和SU的合作都將進一步提高我國數(shù)控刀具和齒輪刀具的設計制造水平。

　　工具系統(tǒng)將數(shù)控刀具與數(shù)控機床主軸精密牢固連接，決定刀具的夾持精度，傳遞刀具的切削運動和動力。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，近年在國內的推廣也有所進展，但主要是與進口機床配套使用，其主要原因在于機床主軸和工具系統(tǒng)的制造中基準的建立和傳遞、計量檢測裝備和手段的配備問題。日本大昭和精機開發(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，吸納了先進的數(shù)控工具系統(tǒng)成套制造技術(設計、加工制造、檢測、工作基準規(guī)等)，此舉將推動并加快我國數(shù)控工具系統(tǒng)和數(shù)控刀具開發(fā)制造的進程。

　　(4)數(shù)控刀具測量儀器

　　為確保高切削性能、高精度、形狀和結構復雜的數(shù)控刀具的質量，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)控刀具預調儀、Schenck公司的TooldyneSV

　　數(shù)控刀具動平衡檢測儀等發(fā)展迅速，國外高端新產品不斷進入市場。德國BLUM公司和英國RENISHAW公司的非接觸式在機數(shù)控刀具檢測儀，采用了噴氣裝置，能在數(shù)控機床加工過程中，在刀具快速回轉時在機床上精密檢測并設置刀具的長度、半徑、徑向跳動，也可監(jiān)控刀具刃口形狀誤差和破損。此外還能測量并補償因溫度變化造成的刀具相對位置誤差，提高了機床的加工精度。

　　(5)數(shù)控刀具閉環(huán)制造系統(tǒng)

　　將測量技術和裝備集成于數(shù)控刀具的機械加工制造過程中，推動了數(shù)控刀具數(shù)字化制造技術的發(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)就是這項數(shù)控刀具先進制造技術的實例。系統(tǒng)通過計算機通訊，可實現(xiàn)從CAD、CAM、CAI到CAM再加工直至質量達到要求，實現(xiàn)數(shù)控刀具“零廢品”制造。數(shù)控刀具整個制造系統(tǒng)信息實現(xiàn)了集成和融合。

　　數(shù)控刀具切削數(shù)據(jù)庫集成于數(shù)控機床，也是數(shù)控切削技術發(fā)展的一個重要內容。我國已開始探索起步。實現(xiàn)該技術的關鍵是數(shù)據(jù)的可行性和實用性。成都工具研究所在網上開通的金屬切削數(shù)據(jù)庫查詢服務工作集成了工具所從“六五”以來的相關研究成果。隨著切削技術的發(fā)展，尤其是高速、高效、難加工材料切削技術的發(fā)展，數(shù)據(jù)庫應適應發(fā)展需要，不斷更新、補充和提高。

　　對于數(shù)控切削加工系統(tǒng)而言，必須重視數(shù)控刀具制造技術的發(fā)展，重視切削機理、數(shù)控刀具的設計、材料、制造工藝、刃口強化技術、表面強化技術、數(shù)控刀具檢測技術直至數(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發(fā)展和質量管理。采用先進信息技術，將數(shù)控刀具制造閉環(huán)系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)(包括應用)的信息進行集成、分析、診斷、反饋，以提高制造質量和水平，這對于數(shù)控刀具制造技術的發(fā)展至關重要，對于數(shù)控切削加工技術的發(fā)展也至關重要。