精密加工 刀具

先进刀具使用现状和未来发展的方向刘佐军s1*******金属切削加工是用刀具从工件表面切除多余的金属材料，从而获得在几何形状、尺寸精度、表面粗糙度及表面层质量等方面均符合要求的零件的一种加工方法。

其核心问题是刀具切削部分与工件表层的相互作用，即刀具的切削作用和工件的反切削作用。

在切削加工技术的发展进程中，切削刀具所起的作用是十分显著的。

国外的统计表明，刀具费用只占零件制造成本的3% ~ 4%，若使用优良的刀具，可提高加工效率、减少机床台时费用和人工费用，使零件的制造成本降低10% ~ 15%，这是国外制造厂商谋求发展和提高企业竞争力的主要手段之一。

1先进刀具的重要性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。

2）现实生产说明“刀具虽小、潜力无穷”。

如粗加工一根20万千瓦发电机转子轴，净重3 0吨，锻件毛坯60—70吨，废切屑占了毛重50％以上，如果没有一把高效刀具是不行的；又如精加工一个重型精密大齿轮，没有一把80万元的高性能高精度的滚刀也是不行的。

国际上一位切削与机床方面的权威他对切削刀具的作用作了如下论说：“改进刀具对降低切削成本比其它任何单一过程的改变更具有潜力。

合理地选择和应用现代切削刀具是降低生产成本，获得主要经济效益的关键。

”又一位美国专家N，兹拉丁说：“一台价值25万美元的CN机床，其效率的发挥在很大程度上取决于一把价值30美元立铣刀的性能”。

3）现代科技水平的提高，设备更新换代速度越来越加快，10至俩年换一代，在这样短期内赚圈设备投资并创造出利润，就要投资研究改进。

依靠刀具挖潜。

据有关资料表明：刀具费用占制造成本2，4—4％，但它却直接影响占制造成本里边20％的机床费用和38％的人工费用。

还有一种算法：机床与刀具投入比为9：1到7：3。

只要刀具投资到位，切削速度和进给速度，每提高1 5—20％可降低制造成本1 O一1 5％。

所以买机床的同时，一定考虑配置好的刀具，才能高效运转。

还有，要做到三个耐用度(即最大生产率，最低成本和最大利润率)要知道把握，真正把钱花在刀刃上，生产才能解渴。

4）我国数控机床使用率低的原因：国外数控机床在两班制工作下开动率达到60—70％，但国内许多用户往往只能达到20%-30％，其原因：①用户盲目选购数控机床，致使“货不对路”；②数控机床有关技术人员综合素质低：③编程效率低：④维修时间长、维修工作跟不上；⑤数控机床的工作环境差《电压波动大、环境温度、湿度变化及强电磁干扰等)；⑥数控机床管理水平低，生产技术准备工作滞后；⑦特别强调指出的是机床与刀具技术含量不匹配，”先进的机床、落后的刀具”，不懂得“门当户对”，“好马配好鞍”，“使用不合理，设备潜力没有充分发挥出来，也是造成巨大浪费的原因。

2国内外先进刀具使用现状进入新世纪以来，我国制造业获得新一轮的高速发展。

到2008年，我国机床拥有量达到700万台，同期美国为240万台，日本为140万台，所以我国已经成为全球最大的制造业基地。

刀具是为制造业服务的，2008年我同制造业的刀具消费达到41亿美元，超过日、美、德等工业发达国家，居全球第位。

守着这么个大市场，工具企业发展机遇是很大的。

在我国刀具消费的构成中，国产刀具市场占有率65％，进口刀具约占总消费的35％。

仅从这些数字看，国产刀具仍占据市场主导地位。

但是，国产刀具的产品构成落后，传统的标准高速钢刀具仍占60％，主要服务对象为国内中低端制造企业。

我国硬质台金刀具生产的比重，经多年努力，已达到40％，但其中部分产品，仍未达到现代高效刀具的水平。

当今工业发达国家，现代高效理质台金刀具的比重达到70％以上，图1是美同切削刀具协会(USCTI)发布的美国国内市场硬质台金刀具和高速钢刀具消赞变化趋势，图2是曰本国内市场硬质台金刀具和高速钢刀具的自费情况。

图1.美国的硬质合金刀具和高速钢刀具的消费情况图2.日本的硬质合金刀具和高速钢刀具的消费情况图3全球切削刀具按照行业的销售去向随着我国产业结构的升级，现代制造业迅速崛起，如-如汽车制造、航空航天、现代兵器制造、高效节能的超临界发电设备、新能源装备、大型精密模具制造等，都获得了迅速的发展。

而所有这些新兴制造业领域的关键加工技术，都需要现代高效刀具来满足，图3是发达国家各制造业领域对现代高效刀具的需求情况。

进人新世纪以来，由于我国高效刀具的生产不能满足制造业迅速发展的需要，不得不依靠大量进口来解决，每年刀具进口量以25-30％的速度增长。

至2008年，当年进口刀具达到14亿美元，约100亿人民币的水平。

可见国内制造业发展对现代高效刀具需求之迫切。

面对这种发展形势，国内工具企业努力调整产品结构，来满足制造业对高鼓刀具的需求，佃目前的进展还不尽人意。

在国内制造业的高端刀具需衷中，国产刀具所占份额仅为10一20％，和国外竞争对手相比，我们的差距还是很大的。

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的方向。

改革开放后，我国制造业的发展举世瞩目，机床总产量和技术水平已迈入世界第一方阵，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。

其中我国目前制造业的劳动生产率只相当于美国的1／23，E1本的1／25，德国的1／18，与先进的工业国家相比，还存在着巨大差距。

工业发达国家的数控机床在两班制工作条件下开动率达到60"--70％，而我国国内许多企业往往只能达到20～30％，造成我国数控机床使用率低的原因是多方面的，除了设备配备不合理、技术人员综合素质有待提高、数控机床的工作环境差、生产技术准备工作滞后等原因外，最重要的一点是机床与刀具的技术含量不匹配，有相当一部分生产企业还普遍地采用焊接式刀具用于数控机床加工，不讲究“门当户对”、“好马配好鞍”，致使先进的机床配备落后的刀具，造成设备潜力没有充分发挥出来，从而造成巨大的浪费。

因此，更新观念，广泛应用先进刀具巳成当务之急。

在投资机床的同时，一定要配备相应的刀具，才能保证设备的高效运转，有效地提高生产率，从而获取更大的利润。

建国以来，我国刀具行业为机械制造业的发展做了大量的工作，取得了很大的成绩，但随着切削加工速度的提高，难切削加工材料的大量使用，数控设备的普及，对切削加工刀具的要求越来越高。

国产刀具在使用寿命、可靠性等方面都与国外发达国家存在明显差距，无论是在产品的品种还是性能和质量上都远远满足不了我国制造业发展的需求。

近年来，我国每年进口刀具的金额增长率高达50％以上，这一事实值得我们认真思考和努力改进。

3先进刀具在未来制造业中的发展趋势刀具的设计主要集中在刀具的几何设计，刀具材料的选择。

通过刀具几何设计来改善切削状态是生产实践中一条行之有效的方法，对生产成本具有实质性的影响。

同时，刀具的合理设计与正确选用还对产品质量具有直接的影响。

这是切削加工中的主要矛盾，而刀具的切削作用则是矛盾的主要方面。

采用新型刀具实现高效、优质、低成本生产是现代企业提高经济效益的重要途径。

刀具材料的改进是刀具技术发展的主线。

在现有刀具材料的基础上，通过刀具几何设计改善切削状态也是生产实践中行之有效的方法。

CIRP公布的一项研究报告指出：“由于刀具材料的改进，刀具许用切削速度每隔10年提高1倍；而由于刀具结构和几何参数的改进，刀具寿命每隔10年几乎提高2倍。

”采用新型刀具材料可以提高刀具的切削性能，而优化刀具切削部分的几何形状则能充分发挥新型材料的威力。

现代刀具不仅应能满足高速切削、干式切削、硬切削、复合切削加工等先进切削技术的需要，而且对产品功能的多样化、结构的合理化、外观造型的美观等方面也提出了更高要求。

但令人遗憾的是长期以来刀具的设计主要依靠经验，依靠尝试法(try—and—error)，这种方法效率低、开发周期长，显然已经阻碍了新型刀具的开发和使用，满足不了先进切削加工技术的需求，迫切需要先进的刀具设计技术。

3.1先进刀具的新型结构设计技术刀具结构设计的特点是空间角度计算难，形状复杂绘图难，形状相同尺寸繁。

随着粉末冶金技术、模具制造技术、五轴联动数控刃磨技术的高度发展，现代金属切削刀具的切削部分已可加工成十分复杂的形状。

因此，刀具厂家不断创新，采用先进的设计技术和专业应用软件进行刀具设计。

在生产实际中大量遇到的是各种解刀具内部应力、应变及温度的分布规律，获得应力、应变及温度分布图，并方便地找出危险点。

该方法可为改进刀具受力情况、合理设计刀具结构以及对刀具进行失效分析提供理论依据，为刀具强度和寿命的分析计算提供一种新方法。

随着制造业的高速发展，汽车工业、航空航天工业、模具工业等高技术产业部门对切削加工不断提出更高的要求，推动着刀具结构的持续创新。

为汽车工业流水线开发的专用成套刀具成为革新加工工加工成本的重要工艺因素，发挥着重要的作用。

模具工业的发展促进了多功能面铣刀、各种球头铣刀、模块式立铣刀系统、插铣刀、大进给铣刀等高效加工刀具的不断涌现。

为满足航空航天工业高效加工大型铝合金构件的需要，开发出了结构新颖的铝合金高速加工面铣刀和立铣刀等先进刀具。

与此同时，出现了各种新型可转位刀片结构，如多功能、多盘、多工位可变角、快换微调的机夹梅花刀，用于车削的高效刮光刀片，形状复杂的带前角铣刀刀片，球头立铣刀刀片，防甩飞的高速铣刀刀片等。

五轴联动数控工具磨床功能的实现使立铣刀、钻头等通用刀具的几何参数进一步多样化，改变了标准刀具参数千篇一律的传统格局，可适应不同的被加工材料和加工条件，切削性能也相应提高。

一些创新的刀具结构还可产生新的切削效果，如不等螺旋角立铣刀与标准立铣刀相比，可有效遏制刀具的振动，降低加工表面粗糙度值，增大刀具的切削深度和进给速度。

硬质合金丝锥及硬质合金螺纹铣刀的开发将螺纹加工效率提高到高速切削的水平，尤其是硬质合金螺纹铣刀，不仅加工效率高，而且通用性好，可显著降低刀具费用。

另外，专业刀具厂家不断开发复合的或专用的刀具，创新加工工艺，充分发挥机床的功能。

微电子、传感技术的应用和智能刀具的开发实现了加工过程的主动控制和优化。

可见，只有通过先进的刀具结构才能充分发挥刀具材料和涂层的优势，创新的刀具结构代表了当前刀具结构发展的方向。