中国刀具与切削加工技术的发展现状与趋势

金属切削刀具市场的发展现状与趋势

随着机床工业的飞速发展, 难加工材料日益增多。多功能复合刀具、智能刀具、高速高效刀具逐渐成为现代制造技术的关键装备。刀具材料与刀具结构方面也有了新的发展。从工艺、性能、结构等方面对刀具与切削加工技术的发展现状进行分析, 并对发展趋势进行展望。

1 刀具与切削加工技术的发展现状

1.1 开创了高速切削等新工艺, 全面提高了加工效率。高速切削作为一种新的切削工艺显示出独特的优越性。首先, 切削效率有显著的提高, 加工铝合金缸盖的PCD 面铣刀, 铣削速度已达402lm/rain, 进给速度5670mm/min; 精加工灰铸铁缸体的CBN 面铣刀, 铣削速度已达2000m/min, 比传统的硬质合金面铣刀提高了10 倍。其次, 高速切削还有利于提高产品质量、降低制造成本、缩短交货周期。此外, 在高速切削技术的基础上, 开发了干切削(准干切削、微量润滑切削)、硬切削(以车代磨、以铣代磨) 等新工艺, 不仅提高了加工效率, 改变了传统不同切削加工的界限, 而且开创了切削加工“绿色制造”的新时代。硬切削技术已成为汽车齿轮内孔精加工、淬硬模具加工实用的高效新工艺。

1.2 以硬质合金材料为主的各种刀具材料性能使硬质合金的性能不断改进, 应用面扩大, 成为切削加工主要的刀具材料, 对推动切削效率的提高起到了重要作用。首先是细颗粒、超细颗粒硬质合金材料的开发, 显著地提高了硬质合金材料的强度和韧性, 用它制造的整体硬合金刀具, 尤其是通用的量大面广的中小规格的钻头、立铣刀、丝锥等刀具, 用来代替传统的高速钢刀具, 使切削速度和加工效率提高了数倍, 把量大面广的通用刀具带入了高速切削的范围, 为切削加工全面进入高速切削阶段打下了半壁江山。整体硬质合金还在一些复杂成形刀具中得到应用。其次, 硬质合金加压烧结等新工艺的开发和使用,提高了硬质合金的内在质量; 以及针对不同加工的需求开发专用牌号的做法, 又进一步提高了硬质合金的使用性能, 在作为化学涂层硬质合金刀片牌号的基体材料时, 开发了具有良好抗塑性变形能力和韧性表层的梯度硬质合金, 提高了涂层硬质合金刀片的切削性能和应用范围。陶瓷和金属陶瓷刀具材料品种增多, 强度和韧性提高, 扩大了应用领域和加工范围, 在钢材、铸铁的精加工、半精加工中代替硬质合金, 提高了加工效率和产品质量。

1.3 涂层成为提高刀具性能的关键技术。刀具的涂层技术在现代切削加工和刀具的发展中起着十分重要的作用, 自从问世以来发展非常迅速, 尤其是近几年取得了重大的进展。化学涂层(CVD) 仍然是可转位刀片的主要涂层工艺, 开发了中温CVD、厚膜三氧化二铝、过渡层等新工艺, 在基体材料改善的基础上, 使CVD 涂层的耐磨性和韧性都得到提高; CTD 金刚石涂层也取得了进展, 提高了涂层表面光洁度,进入了实用的阶段。目前, 国外硬质合金可转位刀片的涂层比例已达70%以上, 在此期间, 物理涂层(PVD) 的进展尤为引人注目, 在炉子结构、工艺过程、自动控制等方面都取得了重大进展, 不仅开发了适应高速切削、干切削、硬切削的耐热性更好的涂层, 如超级TLAIN,及综合性能更好的TLMCN 通用涂层和DLC、W/C 减摩涂层, 而且通过对涂层结构的创新, 开发了纳米、多层结构, 大幅度提高了涂层硬度和韧性。

1.4 刀具结构的创新改变了传统标准刀具千篇一律的面貌和单一的功能。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更高的要求, 推动着可转位刀具持续的发展。为汽车工业流水线开发的专用的成套的刀具, 突破了

传统按需供刀、“闭门造刀”的做法, 成为革新加工工艺、提高加工效率、节省投资的重要工艺因素, 发挥新的作用。模具工业的特点是高效、单件、小批生产、模具材料的硬度高加工难度大、形状复杂、金属切除量大、交货周期短, 成为推动可转位刀具结构创新的强大动力, 如多功能面铣刀、各种球头铣刀、模块式立铣刀系统、插铣刀、大进给铣刀等等。回顾20 世纪90 年代以来切削加工的发展, 模具工业还是今天高速切削、硬切削、干切削新工艺的发源地。为满足航空航天工业高效加工大型铝合金构件的需要, 开发了结构新颖的铝合

金高速加工面铣刀等刀具。与此同时, 也出现了各种可转位刀片的新结构, 如用于车削的高效括光刀片、形状复杂的带前角的铣刀刀片、球头立铣刀刀片、防甩飞的高速铣刀刀片等等。随着五轴联动数控工具磨床功能的完善及应用的普及, 使立铣刀、钻头等标准通用刀具的几何参数更加多样化,改变了传统标准刀具千篇一律的旧格局, 可适应不同被加工材料和加

工条件, 切削性能相应提高。

2 刀具与切削加工技术的发展趋势

采用高性能刀具材料制作的刀具, 包括整体硬质合金刀具、氮化硅陶瓷刀具、CBN 和PCD 刀具、高性能高速钢刀具等, 针对生产的具体情况一种一种引入, 一步一步往前推, 定会收到很好的效果。目前国内的刀具制造厂也可部分供应这些刀具产品。大力采用涂层刀具, 我国涂层刀具的使用比例很低, 有着很大的推广使用空间。应根据加工的条件和需要选用合适的涂层牌号, 以取得理想的效果。大力采用可转位刀具, 可转位刀具在我国推广已多年,但由于种种原因进展还不够快, 发展也不平衡。然而在此期间可转位刀具的技术已有了新的进展, 品种迅速增多, 并朝着更加高效、更加适用的方向发展, 开发了曲线刃铣刀刀片、带修光刃的车削刀片和通用性好的圆刀片、八角刀片等产品, 应用的潜力很大, 积极推广可转位刀具应成为企业技术改造的重要项目。对于大批量流水生产线的企业, 要借鉴国外的经验, 走开发新工艺和专用刀具的路子, 提高效率降低成本, 或者开发组合刀具集中工序提高效率减少投资。这样的工作要与机床制造商、刀具制造商结合起来搞才能收到成效, 这是工业发达国家成熟的做法。对于单件小批生产模式的企业, 要采用高效的新型刀具, 如内冷却钻头、前刀面波形立铣刀等。其次可采用多功能通用刀具, 一刀多用, 减少换刀时间。还要打破传统的钻、铣、磨等工艺界限, 通过以铣代钻、以钻代铣、以铣代攻( 螺纹) 、以车代磨等工艺转换取得新的加工效果。此外, 要加强刀具管理, 减少库存, 降低刀具费用。