先进刀具使用现状及发展方向

先进刀具使用现状和未来发展方向

先进刀具的使用与先进制造技术水平有着密切的联系。从20 世纪80年代在世界制造业发展及制造技术进步的带动下，切削技术和刀具逐渐进入了高速、高效、创新工艺的发展新阶段，切削加工效率成倍提高，为制造业发展作出了重要贡献。至今，应用创新的切削工艺和先进刀具，提高加工效率和加工质量，降低制造成本，从而提高企业的竞争实力，已成为工业发达国家机械加工企业的共识，也引起我国机械加工企业的关注。因此，注重应用先进刀具，提高切削刀具的应用水平，不断进行技术革新，在机械金属切削行业具有重要的现实意义。

必要性分析

目前，杭州发电设备厂已成为中国建设中小型发电机组重要企业。然而，我厂的切削加工水平与世界先进切削技术相比，仍有较大差距。造成切削技术落后的原因，除了技术上的差距以外，还有长期以来形成的忽视切削技术和刀具的落后观念。这种低性价比的刀具应用法实质上是牺牲了加工效率、提高了工人劳动强度，但从年度统计上又未能降低零件制造成本。据切削加工的经济分析指出：由于刀具成本在零件成本中所占的比例仅为3%～5%，如果把刀的购买价格降低30%，企业也只能节省1%的零件制造成本，但用量相比大幅增加，总刀具前，在精加工汽发细长轴类零件时，因轴本身直径较大、且长度长，用普通刀具车削往往不能一次走刀完成，要调换多次刀，尺寸精度差，加工质量难以保证；在购进性能优异的夹固式刀具后，切削性能大大改善，从而提高生产效率、降低成本[1]。因此，在企业快速发展的新形势下，要生产出数量多、规格多的产品，切削加工中合理应用刀具也是提高生产效率、保质保量生产的重要环节。

采用新的刀具材料，尽可能有针对性地采用新的刀具材料牌号，以更好地适应工件材料和切削条件。被加工材料覆盖着很广的范围，包括钢铁材料、有色金属、耐热合金及合成材料等。这些工件材料不仅大类之间可切削性能有很大差异，而且每一大类材料内部由于机械性能或金相组织的不同而出现可切削性的差异。如铬不锈钢和镍不锈钢，虽同属不锈钢，但可切削性也有差别。因此，要有针对性地选用刀具材料牌号，才能收到

“对症下药”的效果[2,3]。

使用者在面对车削不同的加工工艺和高速精加工、低速粗加工等不同的切削条件时，也必须选用不同的牌号，才能达到理想的加工效果。以加工QF－J12－2、10.5 KV 汽轮发电机转子护环为例，护环直径较大，材料为50Mn18Cr5，且经过高温热套在转子本体上，外圆又非均布着56 个大小不等的散热孔，工件刚性差，工件材料韧性大，切削变形大，导热性差，加工硬化现象十分严重，使切削热

急剧增加，刀具热磨损严重{4]。

选用先进的刀具结构

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复杂形状的刀具。为了断屑，可转位刀片的切削部分也设计出具有复杂形状的刃形和断屑槽。为建立复杂形状刀具的三维模型，研究者们采取了2种建模方法:一是综合法，即等效刀刃法;二是分解法，即微分刀刃法，并将计算机辅助设计(CAD)技术应用于刀具的设计。目前，应用较多的CAD软件主要有UG、Pro/E、I一DEAS等几种，有的CAD软件经过企业的二次开发，其适用性进一步提高。这些软件集三维实体造型、平面绘图、工程分析、数控加工、零件组装等模块于一体，形成较完整的刀具设计软件系统，具有较强的实体造型与编程功能。计算机辅助设计使得刀具的设计、计算简便，免去刀具复杂图形的绘制，并能参数化快速设计刀具，有利于提高刀具的设计水平。

应用工程分析技术(如有限元)对刀具强度进行数值模拟分析，可较精确地掌握刀具上各点的受力情况，了解刀具内部应力、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艺、提高加工效率、降低加工成本的

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。

刀具材料

目前使用的刀具材料种类繁多，主要有金刚石、立方氮化硼、陶瓷、金属陶瓷、硬质合金和高速钢等。不同刀具材料具有不同的性能，并有其特定的应用范围。

1金刚石

能用作刀具材料的金刚石有4类:天然金刚石、人工合成单晶金刚石、聚晶金刚石和金刚石涂层。天然金刚石是最昂贵的刀具材料，由于天然金刚石可以刃磨成最锋利的切削刃，主要应用在超精密加工领域，如加工微机械零件、光学镜面、导弹和火箭中的导航陀螺、计算机硬盘芯片等。人工合成单晶金刚石刀具有很好的尺寸、形状和化学稳定性，主要用来加工木材，如加工高耐磨A12O，涂层的木地板。聚晶金刚石是以钻作为粘结剂，在高温高压下(约507MPa，几千摄氏度)由金刚石微粉压制而成的。聚晶金刚石刀具具有优异的耐磨性，可用来切削有色金属和非金属材料，精加工难加工材料，如硅铝合金和硬质合金等。