20年刀具技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

　　近年來(lái)，高速切削、硬切削、干切削等新的工藝快速發(fā)展，已經(jīng)成為現(xiàn)代切削加工共性基礎(chǔ)技術(shù)的重要發(fā)展方向，因此對(duì)刀具的材料選用、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)管理等有了更高的要求，同時(shí)隨著制造領(lǐng)域的不斷拓展，針對(duì)具體領(lǐng)域的刀具高效解決方案已成為實(shí)際加工中用戶最關(guān)心的方面之一。新型的刀具技術(shù)越來(lái)越成為高精度、高效率、高可靠性切削加工的關(guān)鍵。最近在刀具技術(shù)方面所取得的進(jìn)展均屬于材料科學(xué)，計(jì)算機(jī)與信息學(xué)科、微電子應(yīng)用技術(shù)的最新成果。為了滿足現(xiàn)代先進(jìn)制造的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、高效性而出現(xiàn)的新型通用及專用、復(fù)合、智能的刀具，都有著先進(jìn)的結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的材料性能、高的加工效率和精度。

圖1 同向結(jié)晶的Inveio技術(shù)

1. 刀具的材料技術(shù)

　　近20年來(lái)，超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金和超硬刀具材料使用比重大幅增加。適用于高速切削的刀具包括涂層刀具、金屬陶瓷刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼(CBN)、聚晶金剛石(PCD)超硬刀具等有了很大的發(fā)展，應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，可以預(yù)見(jiàn)未來(lái)隨著硬切削、干切削等工藝的增加，這些刀具在切削加工中占有比例會(huì)進(jìn)一步提高。

　　山特維克可樂(lè)滿公司在已有的材料技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓展，采用同向結(jié)晶的Inveio技術(shù)，改變了涂層晶體生長(zhǎng)方向的隨機(jī)性，可控制刀片CVD氧化涂層中的晶體生長(zhǎng)方向，使所有晶體朝著刀片頂部呈相同方向排列，這些緊密裹在一起的晶體可朝著切削區(qū)和切屑方向形成一道堅(jiān)固的屏障，從而大大提高了刀具材料的耐磨性，能夠保持長(zhǎng)時(shí)間切削而不發(fā)生切削刃變形，并可提供更長(zhǎng)且可預(yù)測(cè)的刀具壽命，確保安全的無(wú)人值守生產(chǎn)，同時(shí)保證高金屬去除率。這種新型的新刀片材質(zhì)可以進(jìn)行高速和長(zhǎng)時(shí)間切削，適合鋼件車削與鑄鐵銑削加工。此外，隨著納米技術(shù)和涂鍍技術(shù)的發(fā)展，納米刀具涂層材料開(kāi)始受到廣大研究者的關(guān)注。由美國(guó)學(xué)者開(kāi)發(fā)的納米涂層和納米復(fù)合涂層技術(shù)可采用多種材料的不同組合(如金屬/金屬組合、金屬/陶瓷組合、陶瓷/陶瓷組合、固體潤(rùn)滑劑/金屬組合等)，以滿足不同的功能和性能要求。

圖2 伊斯卡BLP 高效仿形風(fēng)火輪球頭銑刀

2. 刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　CIRP的研究報(bào)告指出由于刀具材料的改進(jìn)，刀具許用切削速度每隔10年提高1倍;而由于刀具結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)的改進(jìn)，刀具壽命每隔10 年幾乎提高2倍。在現(xiàn)有刀具材料的基礎(chǔ)上，新穎、技術(shù)含量高的刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以優(yōu)化刀具切削部分的幾何形狀，改善切削狀態(tài)，能充分發(fā)揮新型材料的作用。

　　在新型的刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，比較有代表性的是伊斯卡公司推出的用于仿形銑的高效仿形風(fēng)火輪球頭銑刀BLP系列，可夾持三個(gè)可轉(zhuǎn)位雙面銑刀片，形成240°空間銑削角度，三個(gè)刀片切削刃采用了全效率，并且?guī)в蟹中疾?，銑刀體帶內(nèi)冷卻通孔，冷卻液直達(dá)切削刃。BLP銑刀的大進(jìn)給能力使得生產(chǎn)率非常高，同時(shí)降低了切削力，大幅提高了切削加工過(guò)程的穩(wěn)定性，消耗功率更低，刀片壽命更長(zhǎng)。這種新銑刀可提高不同工業(yè)領(lǐng)域復(fù)雜3D仿形銑時(shí)的性能，廣泛應(yīng)用于復(fù)雜曲面銑削，向上向下坡走銑，峭壁仿形銑及清根等工藝，特別在模具工業(yè)，渦輪葉片，整體葉輪葉盤及航空工業(yè)零部件的加工。

3. 刀具的監(jiān)測(cè)管理技術(shù)

　　刀具切削狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與管理也是實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)現(xiàn)代化、自動(dòng)化、柔性化的基礎(chǔ)。出現(xiàn)于90年代的智能刀具技術(shù)受到越來(lái)越多的關(guān)注，并在近20年來(lái)得到迅速發(fā)展。

　　精確地預(yù)報(bào)刀具在加工中，尤其是在制造成本極高的精密零件加工中的失效時(shí)間對(duì)提高零件的加工效率和質(zhì)量、減少生產(chǎn)成本及研制周期具有重要意義。日本京瓷工業(yè)陶瓷公司提出一種裝有磨損傳感器的可轉(zhuǎn)位刀片刀具壽命診斷系統(tǒng)。這種智能刀具系統(tǒng)采用Ceratip傳感器，它在正方形的陶瓷刀片表面上，涂覆一層厚度為0.3μm的TiN，刀具在開(kāi)始切削時(shí)，使裝有傳感器的刀片涂覆層通過(guò)電流，形成一微電子回路。當(dāng)?shù)毒咴谇邢髁Φ淖饔孟履p時(shí)，刀片表面上的TiN涂覆層首先被破壞，這時(shí)電流不能通過(guò)裝有傳感器的刀片涂覆層(斷電)，用電表測(cè)量時(shí)，此處微電子回路的電阻變?yōu)闊o(wú)限大。這時(shí)裝在刀片上的傳感器，將立即向機(jī)床控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，由機(jī)床控制系統(tǒng)控制機(jī)床立刻停機(jī)并執(zhí)行自動(dòng)換刀程序。這種刀具壽命診斷系統(tǒng)能直接測(cè)量出刀尖的磨損情況并快速、準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)刀具的失效時(shí)間。

圖3 復(fù)合材料超聲振動(dòng)加工整體解決方案

　　隨著制造領(lǐng)域自動(dòng)化程度不斷提高，刀具信息管理成為亟待解決的問(wèn)題。山特維克可樂(lè)滿公司開(kāi)發(fā)了名為Adveon的軟件，這是一款數(shù)字化刀具數(shù)據(jù)庫(kù)，可模擬高質(zhì)量的刀具組裝。在工藝規(guī)劃和CAM編程中，這款軟件可真實(shí)地模擬干涉實(shí)驗(yàn)，為金屬切削行業(yè)提供了一個(gè)可自由發(fā)揮創(chuàng)造力的平臺(tái)，并有望大幅節(jié)省成本。山特維克可樂(lè)滿公司進(jìn)一步提出了“智能加工”的概念，即刀具“知道”在加工過(guò)程中如何運(yùn)轉(zhuǎn)，并與機(jī)床直接溝通。如果出現(xiàn)故障，刀具會(huì)發(fā)出警報(bào)或自動(dòng)優(yōu)化工藝。CAD/CAM軟件專業(yè)廠商Edgecam成為已將Adveon刀具庫(kù)集成到Edgecam的軟件中，將幫助客戶進(jìn)一步提高加工的生產(chǎn)效率和安全性，并縮短機(jī)床的安裝時(shí)間。

4. 刀具的高效解決方案

　　隨著制造領(lǐng)域?qū)庸ひ蟮脑絹?lái)越高，各大刀具制造廠商開(kāi)始從單純的刀具生產(chǎn)、供應(yīng)，轉(zhuǎn)向針對(duì)具體應(yīng)用領(lǐng)域的加工要求，為用戶開(kāi)發(fā)相配套的高效刀具系統(tǒng)及工藝解決方案，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、降低制造成本。

　　在航空航天領(lǐng)域零件的制造精度高，且大量采用高溫合金、鈦合金、復(fù)合材料等重量輕、耐蝕性和耐高溫性好的材料，以滿足其產(chǎn)品性能，但這些高粘性、高塑性和高強(qiáng)度的難加工材料，對(duì)刀具的質(zhì)量及性能提出了很高的要求。山特維克可樂(lè)滿公司針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)中的整體葉盤，對(duì)高溫合金粗加工開(kāi)槽采用50°螺旋角，帶避空的整體硬質(zhì)合金圓角立銑刀，應(yīng)用擺線銑削技術(shù)，控制銑刀與工件的接觸弧長(zhǎng)，由于切削力較小，可以采用較大的銑削深度，實(shí)現(xiàn)刀具平穩(wěn)地逐漸切入和逐漸切出工件;對(duì)葉片的精加工采用錐度球頭立銑刀進(jìn)行大銑削深度的側(cè)銑加工。

　　復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域大量應(yīng)用，但由于其各向異性、非均質(zhì)性、高硬度、高強(qiáng)度等特性，使得其在切削加工中的對(duì)刀具的要求也越來(lái)越高。傳統(tǒng)刀具在切削加工復(fù)合材料時(shí)，表現(xiàn)出了過(guò)快的磨損以及涂層剝落現(xiàn)象。同時(shí)，針對(duì)復(fù)合材料研發(fā)的傳統(tǒng)刀具，多采用CVT金剛石涂層或者PCD金剛石鑲嵌刀具，使得刀具成本急劇提升，加工經(jīng)濟(jì)性變差。北京航空航天大學(xué)袁松梅教授課題組針對(duì)復(fù)合材料的材料屬性及加工表面質(zhì)量、效率等的要求，設(shè)計(jì)了專用于復(fù)合材料超聲振動(dòng)加工的金剛石磨粒刀具，與自主研制的超聲振動(dòng)加工裝備相匹配，并開(kāi)發(fā)了復(fù)合材料切削力仿真及切削參數(shù)優(yōu)化軟件，形成從復(fù)合材料切削加工專用刀具和裝備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研制、材料去除機(jī)理研究、振動(dòng)加工系統(tǒng)參數(shù)匹配、切削參數(shù)優(yōu)化、表面質(zhì)量檢測(cè)評(píng)價(jià)及控制的復(fù)合材料切削加工整體解決方案，取得了良好的效果。

　　隨著新型難加工材料的大量涌現(xiàn)及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，硬切削、干式切削和高速切削等工藝的應(yīng)用，切削加工領(lǐng)域?qū)Φ毒叩牟牧稀⒔Y(jié)構(gòu)、監(jiān)測(cè)管理及整體解決方案的要求也越來(lái)越高。刀具材料從高速鋼—硬質(zhì)合金—陶瓷到超硬材料發(fā)展，涂層刀具技術(shù)得到深入研究和廣泛應(yīng)用。在高性能刀具材料基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)的刀具，針對(duì)具體應(yīng)用領(lǐng)域提出刀具的高效解決方案，實(shí)現(xiàn)從標(biāo)準(zhǔn)刀具到高精度、高效率、高可靠性專用刀具的發(fā)展，是當(dāng)前和未來(lái)研究的重點(diǎn)。同時(shí)智能制造成為加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，智能刀具監(jiān)測(cè)管理技術(shù)出現(xiàn)向系統(tǒng)化和模塊化發(fā)展的趨勢(shì)，并將與現(xiàn)代通信技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步融合到物聯(lián)網(wǎng)中，從而推動(dòng)制造業(yè)裝備的高度現(xiàn)代化、自動(dòng)化和智能化。

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