金属切削刀具未来发展趋势

激光切割
激光切割有三种类型的机器YAG固体激光切割机、光纤激 光切割机和CO2激光切割机。由于激光加工对人体损伤极大， 所以加工时要确保加工环境密封。目前光纤激光切割机和CO2 激光切割机发展前景很好。光纤激光切割机的优点是光电转换 率可达30%以上，热影响区极小，工件几乎无变形，而且割缝 细小切面光滑，加工灵活可切割出复杂图形。但由于光纤切割 的缝隙很窄所以会消耗大量气体，而且碰到铝板，铜板等高反 射材料，光纤激光切割机很难甚至不能切割这类材料。且在切 割厚板时速度很慢,但在未来可以考虑发展高功率光纤激光切割 机来提高切割厚板时的生产效率。若有需要切割高反材料可以 换成干切削加工刀具或其他水刀等特殊刀具。CO2激光切割机 在切割薄板时速度很快,且CO2激光切割技术相较于其他加工工 艺，切割质量好，切口粗糙度低通常可以直接焊接。同光纤激 光切割技术一样热影响区极小，工件几乎无变形。这一点可以 在加工精密、高精密工件提高工件的精密度。但CO2激光切割 机难以切割较厚的工件材料，配件耗材等相关维护费用极高， 另外在实际使用用运营成本很高。如果加工工件是特殊形态不 需要高效可以选择CO2激光切割机，必要时刻可以替换线切割 或水刀切割以提高生产效率。
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精密、高精密机床的要求 精密、高精密加工工件使用的机床有 很多要求，要提高刚度、精度、自动化、 稳定性。提高刚度不仅要注意本身刚度， 还要注意接触刚度。提高精度重点注意 定位精度，几何精度和重复定位精度。 提高自动化是为了解决因为人为因素造 成的误差。提高稳定性是为了使设备具 有良好的抗震性和耐磨性。
在加工精密、高精密工件时传 统的刀具加工是依靠金刚石刀 具。除了传统刀具也可以依靠 其他特殊刀具，如水刀切割， 线切割和激光切割。
水刀切割
水刀切割是一种利用增压器给水加压，再从细小的喷嘴喷 射出来，从而使水获得的压力能转换成动能，形成高压水射流 的加工技艺。由于水刀切割属于冷切割，切割时不产生热效应、 无烧蚀、无熔渣，所以在危险品处理及石油化工等方面体现出 了极大优势。而且水刀适用范围广，容易操作，成本低廉且精 加工合格率高，适用于各个加工业，可以批量生产对尺寸精度 和表面粗糙度有高要求的工件。又因其切割缝隙小，且属于冷 切割，所以能够切割细小的零件并且提高材料的利用率。而且 切割介质只有水和天然磨料，切割过程中不产生其它物质，不 会对自然环境产生危害。切割后，切口整齐光滑，切割过程中 也不会损伤被切工件，可以实现许多切割刀具无法完成的切割 作业。因为水刀的形态自由可以通过数控加工平台来控制所以 也达到高精密加工时对于高自动化的期望。当然水刀切割也伴 随着一定程度缺憾，如要用到质量很高的水沙，若是军方要求 的话会用到石榴石水沙，成本将会提高；其次对设备的维护要 求极高；在切割碳钢时容易造成工件腐蚀，如果通过化学手段 去除水中大量的氧和水垢又可能改变水本身的性质如高酸、高 碱，同样会腐蚀工件，所以在未来要想出更温和的手段去除水 中的氧和水垢。
2、 干切 削技 术涌 现
2.1 改变 金属 自身 晶体 结构
2.2 使用 涂层 材料
2.3 其他 材料 作为 刀具
2.4 改变 刀具 几何 结构
二、 精密 高精 密加 工行 业
1、 精密、 高精 密机 床的 要求
2、 辅助 使用 的特 殊刀 具
2.1 水刀 切割
2.2 线切 割
2.3 激光 切割
三、 总结
改变金属自身晶体结构
对于耐磨性和高温韧性我们可以 想出新的热处理方法通过改变刀具本 身的金属晶体结构与结晶例如通过激 光光束或其他等离子束对刀尖部分集 中加热改变刀尖硬度。当然细化晶粒 研发细晶粒和超细晶粒可以从根本上 增强金属本身的硬度。这样研发出的 刀具不仅拥有高硬度也有极高的韧性， 非常适合高速切削黏而韧的材料。
总结
综上所述，未来刀具的发展离不开高硬，高精， 高效这几个方面。在加工过程在，可以先使用传统 刀具加工来进行粗加工，精加工时使用特殊刀具辅 助精加工。如果加工工件不是精密、高精密工件可 以直接使用干切削加工工艺的刀具。对于适用于航 空航天方面的高精工件可以使用传统金刚石刀具加 上激光切削，线切削，水刀切削辅助加工。若遇批 量生产可以直接使用特殊刀具加工以提高精度和效 率
高速切削
高速切削呈现出两种发展 趋势，一方面是提高润滑剂和 冷却液的效率保证在切削过程 中不会过热导致工件和刀具金 属特性发生变化；另一方面高 速切削中的干切削、硬切削等 工艺涌现出来。
润滑剂和冷却剂的发展
刀具切削工件时会产生切削热，如果工件导热系数较大，加工 时测量到的尺寸会与常温下的尺寸略有出入；但如果工件导热 系数较小，又会加剧刀具的磨损。这时候需要充分的切削冷却 润滑剂来冷却降温。而现在市面上开始出现一些新的切削技术， 因为国家开始对企业的环保方面提出一定的要求且人们的环保 意识也开始提高。例如将矿物油替换成可降解的植物油类物质 作为切削液的基础油，科技人员还可以尝试研发用硼酸铵、磷 酸盐等代替水基切削液中的具有毒性的添加剂。 金属切削润滑剂按照成分可分为矿物油型，乳化油，半合成液， 合成液等。合成液冷却性好但容易受细菌影响且排放废水处理 量大；而矿物油型不受细菌侵入且使用寿命长但冷却性差工件 脱油成本也高。未来随着新的金属材料的发展和应用，润滑剂 的发展也要着重于高效性和多功能性，来满足高速，高效，精 密的加工条件。
使用涂层材料
还可以将一些超硬薄膜涂覆在刀具上来加强硬 度，由于不改变刀刃芯部材料所以也可以解决韧性 问题，因为使用的涂层材料大都是稳定的材料如TIN、 ZrCN所以化学稳定好。以往的涂层技术仅仅只是单 一的涂覆一层涂层，可以开发复合涂层、厚涂层还 有多元涂层。包括涂层技术也可以改进。拿我们比 较熟悉的金刚石涂料的涂覆方式举例，传统的方式 是通过电镀法，电镀后必须经过修磨才可以使用。 我们可以先制造一个与刀具几何形状相反的高精度 模具，在模具内腔表面上电镀金刚石涂料，再通过 脱模将涂层转移到刀体上。这样就改进了金刚石磨 粒不均匀，高低不平的缺点。
改变刀具几何结构
为了研究改进刀具的几何结 构，我们首要要研究在切削过程 中切削变形以及切削时的各个参 数对于刀具的影响。通过总结各 个影响来改进刀具的具体结构， 模拟过程可利用CAD/CAM技术， 以此来保证刀具设计和制造的高 效率和高质量。
精密高精密加工行业
当代精密、超精密加工技术 不仅仅只是应用于航天、航空等少 数领域，我们生活中相关的计算机 工业，光学工业也有所应用。如研 究天体用的X射线天体望远镜、检 测旋转工作台分度精度的多面棱镜， 甚至生活中常见的录像机磁头、计 算机磁盘、光盘等，都对尺寸精度 和表面粗糙度有极高的要求。
线切割
线切割一般指电火花线切割加工，其基 本工作原理是利用连续移动的电极丝，对工 件进行脉冲火花放电腐蚀多余金属，进行轮 廓切割成型。可以加工如精密仪表、计算机 磁盘等形状特殊、精密细小的工件，非常适 合精密、高精密工件的辅助加工。线切割还 可以加工可导电的高硬度工件材料，且具有 加工费用低生产周期短、材料利用率高余量 小、加工精度高、安全可靠等优点。
金属切削刀具的发展趋势
金属切削刀具未来的发展是 为了在加工过程中提高加工效率 和质量，降低成本，缩短开发周 期。所以刀具在未来要提高速度 和精度，同样出现的需求还有可 以进行细微切屑的精密（或超精 密）技术和拥有更加自由灵活加 工的精加工方式的刀具。
一、 高速 切削
1、 润滑 剂和 冷却 剂的 发展
其他材料作为刀具
提高硬度耐磨性可以在其他材料上下手， 如陶瓷刀具这类的超硬刀具，立方氮化硼复 合材料刀具。这类刀具相比现在的合金硬质 刀具优点是韧性高，硬度可达（92-95）HRA， 化学稳定性好，不易与钢或铁产生化学反应， 耐热性好，不易产生积屑瘤，从而使加工表 面粗糙度值降低。而且相较传统的高硬合金 刀具陶瓷刀具和复合材料刀具不易崩刃，大 大提高了刀具的寿命。
干切削技术涌现 由于金属切削液和金属润滑剂不 可避免的会对环境产生污染，所以干切 削加工技术涌现出来。干切削加工技术 是一种加工过程几乎不使用切削液的加 工技术，且能够在环境污染源头进行控 制的清洁环保的制造工艺。这类刀具应 具有优良的热硬性耐磨性，较高高温韧 性，较高热化学稳定性和合理的刀具结 构几何角度。