（毕业论文）数控加工刀具技术的现状及发展趋势（可编辑）

数控加工刀具技术的现状及发展趋势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
11 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TK1000TK2000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-TiNAl2O3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GC3205GC3210GC3215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Al2O3MT-TiCN涂层日本三菱综合材料公司开发的车削铸铁用的UC5105UC5115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400mmin高速加工灰铸铁
12 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908907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CC8009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com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TiNTiCNTiAlN迅速扩展到特殊TiAlNAlTiNTiAlCNCrNCBCDLC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TiNTiCNTiAlN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 008μmRz 11μm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100mmin提高到180mmin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CADCAM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35mm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SandvikKennametal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724连接刀柄与现有的724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724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BiltzZoller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WalterMapal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ISO19401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G25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G10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
高速切削的定义
高速切削的定义是什么
对于高速切削的讨论在一定程度上仍是混乱的如何定义高速切削 HSM 目前有许多观点和许多方法
让我们看一下这些定义中的几个
高切削速度切削
高主轴速度切削
高进给切削
高速和高进给切削
高生产率切削
我们对高速切削的定义描述如下
HSM不是简单意义上的高切削速度它应当被认为是用特定方法和生产设备进行加工的工艺
高速切削无需高转速主轴切削许多高速切削应用是以中等转速主轴并采用大尺寸刀具进行的
如果在高切削速度和高进给条件下对淬硬钢进行精加工切削参数可为常规的4到6倍
在小尺寸零件的粗加工到半精加工精加工及任何尺寸零件的超精加工中HSM意味着高生产率切削
零件形状变得越来越复杂高速切削也就显得越来越重要
现在高速切削主要应用于锥度40的机床上
高速切削的目标是什么
高速切削的主要目标之一是通过高生产率来降低生产成本它主要应用于精加工工序常常是用于加工淬硬模具钢另一个目标是通过缩短生产时间和交货时间提高整体竞争力
达到这些目标的主要因素为
一次更少此数装夹的模具加工
通过切削改善模具的几何精度同时可减少手工劳动和缩短试模时间
使用CAM系统和面向车间的编程来帮助制定工艺计划通过工艺计划提高机床和车间的利用率
高速切削的实际优点是什么
刀具和工件可保持低温度这在许多情况下延长了刀具的寿命另一方面在高速切削应用中切削量是浅的切削刃的吃刀时间特别短这就是说进给比热传播的时间快
低切削力得到小而一致的刀具弯曲这与每种刀具和工序所需的恒定的加工余量相结合是高效和安全加工的先决条件之一
由于高速切削中典型的切削深度是浅的刀具和主轴上的径向力低这减少了
主轴轴承导轨和滚珠丝杠的磨损高速切削和轴向铣削也是良好的组合它对主轴轴承的冲击小使用这种方法可以使用悬伸较长的刀具而振动的风险不大小尺寸零件的高生产率切削如粗加工半精加工和精加工在总的材料去除率相对低时有很好的经济性
高速切削可在一般精加工中获得高生产率可获得杰出的表面质量表面质量常低于Ra 02μm
采用高速切削使对薄壁零件的切削成为可能使用高速切削吃刀时间短冲击和弯曲减小了
模具的几何精度提高了组装就容易和更快了无论是什么人技能如何都能获得CAMCNC生产的表面纹理和几何精度如果花在切削上的时间稍多一些费时的人工抛光工作可显著减少常常可减少达60-100一些加工如淬火电解加工和电火花加工 EDM 可以大大减少这就可降低投资成本和简化后勤供应用切削代替电火花加工 EDM 模具使用寿命和质量也得到提高
采用高速切削可通过CADCAM很快改变设计特别是在不需要生产新电极的情况下
由于起始过程有高的加速度和减速度以及停止导轨滚珠丝杠和主轴轴承产生相对快的磨损这常常导致较高的维护成本
需要专门的工艺知识编程设备和快速传送数据的接口
可能很难找到和挑选高级技术员工
有相当长的调试和出故障时间
加工中无需紧急停止导致人为错误和软件或硬件故障会产生许多严重后果必须有良好的加工计划向饥饿的机床提供食物
必须有安全保护措施使用带安全外罩及防碎片盖的机床避免刀具的大悬伸不要使用重刀具和接杆定期检查刀具接杆和螺栓是否有疲劳裂纹仅使用注明最高主轴速度的刀具不要使用整体高速钢 HSS 刀具
高速切削对机床有哪些要求
对ISOBT 40号机床的典型要求如下
主轴速度范围 22 kW
可编程进给率 40-60 m分
快速横向进给 1g
块处理速度 1-20 毫秒
数据传递速度 250 Kbits 1 毫秒
增量线性 5-20 微米
或 NURBS 插补
主轴具有高热稳定性和刚性主轴轴承具有高的预张力和冷却能力
通过主轴的送风冷却液
具有高的吸收振动能力的刚性机床框架
各种误差补偿温度象限滚珠丝杠是最重要的
CNC中的高级预见功能
高速切削对切削刀具的典型特性或要求有哪些
整体硬质合金
高精度磨削径向跳动低于3微米
尽可能小的凸出和悬伸最大的刚性尽可能小的刀具弯曲变形和大的芯核直径。