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金属切削刀具的现状和发展
作者：张九存
来源：《中国科技博览》2018年第18期
中图分类号：S683 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）18-0083-01
目前，不同种类的切削工具材料都有所进步，包括高速工具钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、聚晶立方氮化硼（PCBN）和聚晶金刚石（PCD）。高速工具钢（HSS）是高韧性的刀具材料，能制作成其他材料不能制作的各种复杂几何形状和尺寸的锋利切削刀具。而高耐磨性的CBN和PCD超硬材料则适用于高速、小进给量加工。介于上述两种材料之间的是硬质合金、金属陶瓷和陶瓷刀具材料，这些材料广泛使用于各种切削速度和进刀量需求的加工工业领域。与刀具材料同步发展的还有化学涂层CVD和物理涂层PVD技术，如今几乎75%的硬质合金刀具为涂层刀具，其中CVD涂层约占80%。当代CVD涂层的特点是多层涂层。其涂层结构包括TiCN、TiC、TiN、ZrCN和Al2O3。通过对CVD工艺的良好控制，刀具制造商现在可提供质量稳定的从5μm到20μm厚度的涂层刀具，以及用于高硬度材料工件加工的单层涂层厚度不超过0.2μm的多层涂层合金刀具。PVD物理涂层技术使在金属陶瓷和硬质合金基体上的涂层厚度为2μm到5μm的硬质涂层已经进入了商业化。
高速加工的使用者要求经过动平衡的切削刀具，以便减少调整刀具平衡的时间，延长刀具使用寿命，改进被加工零件的精度以及增加主轴轴承的寿命。钻削、镗削工具系统也在不断的改进和发展。可更换钻头合金刀片已成趋势，钻尖磨损后钻头无需从刀架上卸下也可更换切削刃。现在市场已可以提供直径小到0.5英寸的这类钻头。目前工具制造商正在制造直径为0.25英寸的此类钻头。带有0.5μm调整机构的高速精密微调镗刀系统也已进入市场。对于高的金属去除率的钛金属类加工，新开发的重切削立铣刀可安装多达72个可转位刀片。这种刀具在设计上通过各个刀片的搭接提供各种变化多样的刀具螺旋角和轴向刃倾度。这种变化扰乱了切削加工时的共振，从而可以无共振地进行深度的铣削加工。
在20年前，CNC机床达到25μm的精度被视为极限。如今机床制造精度接近原精度值的1/10已不困难。与此同时，SPC控制和在线检测对解决被加工零件质量的一致性起到了很好的控制作用。在零部件装配时不再需要根据零件加工误差进行分组选配。据报道高精密机床及被其加工的精密产品在过去的20年中对驱动美国生产力的提高起到了决定性的作用。虽然很多因素对于加工精度的重大改进有重大的贡献，但是在进一步提升制造业的精度水平中，数据收集、计量设备、工序过程标准化的应用等已经起到关键的作用。
我们称谓的“数控刀具”，特指与加工中心、数控车床、数控镗铣床、数控钻等先进高效的CNC制造系统相配套使用的刀具和工具辅具系统。它包括整体合金刀具、超硬刀具、可转位刀片、工具辅助系统、可转位刀具、超硬材料及涂层技术等。这些应属于现代金属切削刀具范畴，其技术水平、性能和质量直接影响到国内数百万台昂贵的CNC制造系统的生产效率和加工产品质量的好坏，直接影响到整个国家机械制造工业的生产技术水平和经济效益。传统工具
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刀具材料—普通工具钢、高速钢、焊接合金。现代切削刀具（数控刀具）—硬质合金，Co-HSS，陶瓷，CBN，PCBN，PCD，粉末冶金高速钢，超硬材料+涂层。刀具硬度高速钢60HRC，现代切削刀具（数控刀具）可达90HRC以上。传统工具一般情况下加工硬度≤28HRC。现代切削刀具（数控刀具）车削、铣削均可达到淬硬钢60HRC以上。传统工具切削加工钢、铸铁速度Vc≤30m/min（70～80m/min），现代切削刀具（数控刀具）—加工钢、铸铁：可转位涂层合金刀片：Vcmax=380m/min；CBN刀片：Vcmax=1000～2000m/min；加工铝合金：Vcmax=5000m/min。传统工具刀具制造精度10微米级（0.0xxmm）现代切削刀具（数控刀具）微米级（0.00xxmm）。传统工具一般机械制造、切削原理、热处理、专机、专用工装及工艺。现代切削刀具（数控刀具）—CAD，CAM，材料科学，力学（动平衡，动刚度等），精密机械制造，数控加工技术，粉末冶金，纳米技术，涂层技术及CAX、ERP等计算机信息化管理技术。传统工具刀具制造用关键设备专机和一般机械加工设备为主，刚性生产。现代切削刀具（数控刀具）CNC机床为主，工具磨床及加工中心，数控车床，合金型材和刀片压制烧结专用设备，刀片深度加工数控磨床，柔性生产。
当前刀具结构的变革正朝着可转位、多功能、专用复合刀具和模块式工具系统的方向发展，各种精密、高效、优质的可转位刀具已应用于车削、铣削、钻削等领域，成为刀具结构发展的主流。工厂已在生产中广泛使用各种新型刀具和数控机床模块式工具系统，如各种机夹可转位刀具、陶瓷刀具、PCD和PCBN等超硬刀具、金刚石和CBN铰刀、硬质合金球头铣刀和筒式拉刀等，对提高工效、保证产品质量起到了重要作用。在PCBN刀具材料的新进展及其在铣削的应用中介绍了已经开发了SECOMAX新品种———CBN300，它是在CBN30基础上采用粗颗粒（22μm）粉末和新的烧结工艺研制出的新牌号，具有很高的抗冲击性能，它的应用使PCBN刀具从传统的车削淬硬钢（>45HRC）和冷硬铸铁等硬材料、以车代磨等加工领域跨入到铣削加工领域。该刀具已在发动机生产线上使用，取得了良好效果。该刀具铣削发动机缸体平面时，切削速度高达2000m/min，刀具寿命为普通PCBN刀具的4倍。SecoTools公司还推出了结构新颖、具有冷却通道、可更换硬质合金头部的钻头，其头部有三种不同几何形状，P型硬质合金刀头适用于切削钢，K型硬质合金刀头适于切削铸铁，而刀刃锐利的M型刀头适于钻削高强度钢和耐腐蚀钢。
据分析，我国切削加工及刀具技术的水平与工业发达国家相比大致要落后15～20年。近年来国内轿车工业引进了几条具有国际20世纪90年代水平的生产线，但所用工具的国内供给率只能达到20%的低水平。为改变这种状况，我国工具行业需要加速进口刀具国产化的步伐，必须更新经营理念，从主要向用户“卖刀具”转到为用户“提供成套切削技术，解决具体加工问题”的经营方向上来。要根据自身产品的专业优势，精通相应的切削工艺，不断创新开发新产品。用户行业则应增大刀具费用的投入，充分利用刀具在提高效率、降低成本、缩短Intranet/Extranet，实现最大程度的资源（如切削数据库）共享。建议有关部门将产、学、研各部门的科研力量组织起来，集中优势，一方面积极引进国外先进刀具制造技术，提高刀具产品水平，加快刀具产品（尤其是数控刀具产品）的国产化步伐；另一方面应结合生产实际，系统地推广使用各种先进刀具和先进切削技术。我们相信，通过正确的政策引导和企业的有序竞争，完全有可能使我国的切削加工与刀具技术赶上国外先进水平，并做到有所发展与创新。
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