切削技術(shù)與刀具工業(yè)的新時代

1 引言

在信息技術(shù)等高新技術(shù)的帶動下，機械加工技術(shù)進入了“高速、高效、智能、復(fù)合、環(huán)保”的發(fā)展新階段，出現(xiàn)了高速(效)切削、近凈成形、柔性化加工、五軸加工、復(fù)合加工機床、網(wǎng)絡(luò)制造、綠色制造等新的制造技術(shù)及裝備，為制造業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品、提高加工效率和加工質(zhì)量、降低制造成本、縮短交貨周期、保護生態(tài)環(huán)境、降低能源和資源消耗發(fā)揮了重要的作用。在上述新加工工藝及裝備中，切削加工的新技術(shù)及刀具以其重要的基礎(chǔ)地位以及應(yīng)用面廣、實用化程度高、見效快、成效顯著等特點，其進展尤為突出，成為當(dāng)今先進制造技術(shù)中的亮點，對制造業(yè)的發(fā)展和制造技術(shù)的進步起到了十分重要的作用。

在高新技術(shù)的帶動和制造業(yè)發(fā)展的影響下，當(dāng)代切削技術(shù)的進步和刀具工業(yè)的變化顯現(xiàn)出質(zhì)的飛躍。例如，作為現(xiàn)代切削技術(shù)顯著特征的高速切削，它的問世及實用化是制造技術(shù)在信息技術(shù)等高新技術(shù)的帶動下和數(shù)控加工技術(shù)全面進步的基礎(chǔ)上所達到的切削新水平，切削速度5～10倍的提高，以至于在用硬質(zhì)合金刀具加工某些材料時，可達到的切削速度已超過了切削機理變化的臨界點，切削溫度隨切削速度的提高而降低。因此，代表著一種新的切削工藝的誕生，標志著切削加工進入了一個新的階段。

在切削技術(shù)取得階段性發(fā)展的同時，也帶動著刀具工業(yè)的快速發(fā)展。為適應(yīng)現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的需要，刀具工業(yè)的內(nèi)涵、作用、地位也發(fā)生了重大的變化。從單純的刀具產(chǎn)品生產(chǎn)、供應(yīng)，擴大至新切削工藝的開發(fā)，及相應(yīng)的配套技術(shù)和產(chǎn)品的開發(fā)，并從單純刀具供應(yīng)商的地位上升至成為用戶企業(yè)提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、降低制造成本的重要合作伙伴，顯示出一個新型刀具工業(yè)的雛形。

從時代變遷的高度來了解和認識切削技術(shù)、刀具乃至刀具工業(yè)的發(fā)展和變化，對于正在建設(shè)制造強國的我國工業(yè)界具有重要的現(xiàn)實意義，將加強我們對發(fā)展我國切削技術(shù)的緊迫感和責(zé)任感。應(yīng)當(dāng)說，加快我國切削技術(shù)的發(fā)展和刀具工業(yè)的變革，還具有相當(dāng)?shù)木o迫性。

2 切削刀具實現(xiàn)了向高科技產(chǎn)品的飛躍

在傳統(tǒng)的機械加工企業(yè)里，刀具曾長期被列入低值易耗品的管理范圍。這一方面反映出對刀具重要性的忽視，另一方面也是對當(dāng)時刀具產(chǎn)品技術(shù)含量低下的客觀反映。從上世紀70年代以來，隨著數(shù)控機床發(fā)展而發(fā)展起來的所謂“數(shù)控刀具”，引領(lǐng)著切削刀具朝著三高一專(高效率、高精度、高可靠性和專用化)方向不斷發(fā)展，把傳統(tǒng)的刀具產(chǎn)品發(fā)展成為高附加值、高科技含量的產(chǎn)品。目前，在刀具材料、涂層技術(shù)、刀具結(jié)構(gòu)等方面所取得的進展均屬于當(dāng)代材料、信息學(xué)科、計算機、微電子應(yīng)用技術(shù)的最新成果。

首先，是在刀具材料和涂層技術(shù)方面。刀具材料的現(xiàn)狀是：各種刀具材料的性能都有顯著提高，形成了每種刀具材料既有獨特的優(yōu)勢和使用范圍又相互取代補充的格局，使切削加工的各領(lǐng)域、各工序的效率和總體水平有顯著的提高。硬質(zhì)合金成為刀具的主要材料，出現(xiàn)了適用于做涂層基體的傾斜機能材料；適合做量大面廣的鉆頭、立銑刀、絲錐等通用刀具和IT產(chǎn)業(yè)微型刀具的細顆粒、超細顆粒硬質(zhì)合金材料；這類硬質(zhì)合金的強度超過3000N/mm2，甚至達到4000N/mm2以上，為普通硬質(zhì)合金材料的1倍，從而擴大了硬質(zhì)合金刀具的應(yīng)用范圍。近年來，涂層技術(shù)取得了重大的進展，能針對刀具不同的加工對象及使用要求開發(fā)多種牌號，或復(fù)合多層、梯度結(jié)構(gòu)、納米結(jié)構(gòu)的涂層。最新的AlCrN涂層和TiN-Si3N4納米結(jié)構(gòu)涂層， 其涂層的硬度分別達到HV3200和HV4000，耐氧化溫度達到1100℃，顯著地提高了刀具的切削性能，是材料科技領(lǐng)域里的最新研究成果。又如已實用化的金剛石涂層和正在開發(fā)的CBN涂層都屬于高新技術(shù)的范疇。刀具材料和涂層技術(shù)的進步，不僅提高了標準通用刀具的性能，而且也提高了齒輪滾刀、剃齒刀等精密復(fù)雜刀具的性能，為切削刀具性能的升級換代奠定了基礎(chǔ)。

其次，以可轉(zhuǎn)位刀具為代表的通用的車、銑和孔加工刀具及專用的、復(fù)合的、智能的刀具，其創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的性能、復(fù)合的功能、高的加工效率和精度也充分說明了刀具是現(xiàn)代科技的結(jié)晶。應(yīng)用在大批量流水生產(chǎn)線上的專用刀具其功能已遠遠超出普通刀具的概念， 它不僅能把多道工步組合在一道工序里，提高加工效率和精度，而且能和專用機床一起共同開發(fā)新的加工方法，還起到節(jié)省投資的效果。隨著復(fù)合加工數(shù)控機床的興起，出現(xiàn)了一刀多用的復(fù)合刀具或多功能刀具，減少換刀的次數(shù)，為發(fā)揮復(fù)合加工機床的優(yōu)勢起到了重要的作用。帶有光電傳感、測量和伺服補償機構(gòu)的智能刀具，可根據(jù)測量的結(jié)果自動調(diào)節(jié)刀具的尺寸，分辨率達到0.002mm；一種在刀具里集成著3個加速度傳感器的銑刀，可實時采集切削過程的信息，經(jīng)數(shù)控系統(tǒng)處理后，使機床始終保持在最佳狀態(tài)。

此外，眾所周知的HSK工具柄———機床與工具接口，是一項重大的技術(shù)創(chuàng)新。與傳統(tǒng)的7:24刀柄比較，不僅提高了刀具與機床連接的精度和剛性，而且作為一項錐柄裝夾定位的共性技術(shù)，其原理已被應(yīng)用到砂輪法蘭與主軸的連接及工具系統(tǒng)的連接中，對制造技術(shù)產(chǎn)生廣泛的影響。

如果把“數(shù)控刀具” 的概念理解為高科技含量、高性能刀具的話，那么，可以說，切削刀具已全面進入了“數(shù)控刀具”的時代，使切削加工總體效率成倍提高。