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我國(guó)數(shù)控刀具的發(fā)展探討
點(diǎn)擊次數(shù)：2294 發(fā)布時(shí)間：2009-3-11
任何一個(gè)強(qiáng)大的國(guó)家都必須具有包括金屬切削加工在內(nèi)的強(qiáng)大制造業(yè)基礎(chǔ)。在整個(gè)21世紀(jì)中，金屬切削加工仍是機(jī)械制造業(yè)的主導(dǎo)方法，切削加工（包含磨削）不僅占其90%以上的份額，而且刀具消耗費(fèi)用占制造成本的2%－5%。無(wú)論是專機(jī)設(shè)備還是柔性制造單元，CNC制造系統(tǒng)都是當(dāng)今金屬切削工業(yè)中的主流。而在CNC制造系統(tǒng)中，工具刀柄和切削刀具的投入可占整個(gè)系統(tǒng)投入的10%甚至更多。柔性制造單元和專機(jī)設(shè)備系統(tǒng)的效率和能力在很大程度上取決于所采用的刀具和工具輔助系統(tǒng)的技術(shù)水平。
一、機(jī)械加工工業(yè)市場(chǎng)，機(jī)床市場(chǎng)和切削刀具工業(yè)
機(jī)械加工工業(yè)市場(chǎng)變得既活躍又具有過(guò)度的競(jìng)爭(zhēng)性。在貿(mào)易和技術(shù)的頻繁往來(lái)之中，發(fā)達(dá)國(guó)家與發(fā)展中國(guó)家在競(jìng)爭(zhēng)能力上的差別也日趨混同。同時(shí)，對(duì)產(chǎn)品的低成本、高性能、高品質(zhì)、更快捷的交貨期的需求，使新產(chǎn)品和新技術(shù)的發(fā)展有了*的發(fā)展速度和空間。
在近年來(lái)，金屬切削和金屬成型機(jī)床的消費(fèi)市場(chǎng)從390億美元減少到360億美元，其原因之一是加工中心的廣泛使用。在美國(guó)加工中心的擁有量由20世紀(jì)80年代初的11%提高到現(xiàn)在的25%，在世界范圍內(nèi)，預(yù)期在1998年到2005年將由45億美元可望達(dá)到66億美元。在此同時(shí)，傳統(tǒng)的銑削機(jī)床市場(chǎng)預(yù)計(jì)在同期內(nèi)將從16億美元下降到15億美元。在未來(lái)的十年中，超過(guò)50%的制造業(yè)的加工需求可能將由加工中心來(lái)完成。
世界切削工具的*約為100億美元，預(yù)計(jì)工具的消耗量在近期內(nèi)將每年增長(zhǎng)3%以上。1998年世界切削工具市場(chǎng)消耗比率如下：鉸刀2%。拉刀/滾刀7%、合金立銑刀7%、絲錐6%、車刀23%。高速鋼立銑刀7%、鏜刀8%、鋸片11%、鉆頭12%、銑削刀具17%。隨著高速加工理念被人們普遍接受，CBN和金剛石切削刀具的需求量預(yù)計(jì)從1998年的5%到200年將提高到11%。
在2000年，許多刀具制造商都發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)合金刀具需求量的增長(zhǎng)超過(guò)40%以上。這種增長(zhǎng)可能標(biāo)志著HSS刀具越來(lái)越多地在許多制造領(lǐng)域內(nèi)被硬質(zhì)合金刀具取代而失去了往日的輝煌。
二、國(guó)外金屬切削刀具的現(xiàn)狀和發(fā)展態(tài)勢(shì)
1. 切削工具材料和涂層技術(shù)
不同種類的切削工具材料都有所進(jìn)步，包括高速工具鋼、硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷、聚晶立方氮化硼（PCBN）和聚晶金剛石（PCD）。高速工具鋼（HSS）是高韌性的刀具材料，能制作成其他材料不能制作的各種復(fù)雜幾何形狀和尺寸的鋒利切削刀具。而高耐磨性的CBN和PCD超硬材料則適用于高速、小進(jìn)給量加工。介于上述兩種材料之間的是硬質(zhì)合金、金屬陶瓷和陶瓷刀具材料，這些材料廣泛使用于各種切削速度和進(jìn)刀量需求的加工工業(yè)領(lǐng)域。
與刀具材料同步發(fā)展的還有化學(xué)涂層CVD和物理涂層PVD技術(shù)，如今幾乎75%的硬質(zhì)合金刀具為涂層刀具，其中CVD涂層約80%。
當(dāng)代CVD涂層的特點(diǎn)是多層涂層。其涂層結(jié)構(gòu)包括TiCN、TiC、TiN、ZnCN和Al2O3。通過(guò)對(duì)CVD工藝的良好控制，刀具制造商現(xiàn)在可提供質(zhì)量穩(wěn)定的從5μm到20μm厚度的涂層刀具，以及用于高硬度材料工件加工的單層涂層厚度不超過(guò)0.2μm的多層涂層合金刀具。
PVD物理涂層技術(shù)使在金屬陶瓷和硬質(zhì)合金基體上的涂層厚度為2μm到5μm的硬質(zhì)涂層已經(jīng)進(jìn)入了商業(yè)化。典型的商業(yè)化涂層方式包括TiN、TiCN、TiAlN、CrN、TiB2，還有諸如TiN-TiAlN的多層涂層。PVD涂層工藝具有的*優(yōu)勢(shì)是：可以給銳利的切削刃面提供超細(xì)晶粒、平滑、低摩擦和防止高溫?zé)崃训耐繉印?/span>
納米PVD涂層（每層涂層厚度甚至薄到2納米，例如 TiN/AlN涂層）和納米復(fù)合涂層（TiN或TiAIN納米結(jié)晶被植入Si3N4的矩陣之中）正處于研發(fā)階段。
新近發(fā)展的硬質(zhì)合金刀具涂層包含外部用PVDTiN或者TiAlN涂層與內(nèi)部 CVD TiN/TiCN/TiN涂層的結(jié)合。內(nèi)部CVD涂層可提供*的基體粘合力和耐磨性，而外部PVD涂層提供一個(gè)堅(jiān)固的、超細(xì)晶粒的。不易脆裂的、表面光滑的刀具表層。這種CVD－PVD相互結(jié)合的涂層有助于延長(zhǎng)刀具在難加工金屬材料和鋼材加工的斷續(xù)切削時(shí)刀具使用壽命。
新型的 PVD TiCN或者TiAlN涂層的金屬陶瓷刀具，在用于車削和銑削鋼材、不銹鋼和鑄鐵的精加工和半精加工過(guò)程中，其可靠性已經(jīng)得到改進(jìn)。它們的化學(xué)成分穩(wěn)定，具有高紅硬性和維持高速切削的能力，確保了降低被加工零件的尺寸誤差，獲得良好的表面質(zhì)量，高的效率以及更長(zhǎng)的刀具使用壽命。
陶瓷刀具也有了重要意義的發(fā)展。常規(guī)的Al2O3白色陶瓷刀具已被超細(xì)微粒的Al2O3-TiCN黑色陶瓷所取代。其高強(qiáng)度與高抗磨損性適用于硬度高達(dá)60HRC的鑄鐵、合金鋼、工具鋼和不銹鋼的車削和鏜削精加工。PVD TiN涂層已經(jīng)為這些工具的耐磨性的更進(jìn)一步的提高做出了貢獻(xiàn)。碳化硅強(qiáng)化Al2O3陶瓷的發(fā)展，使得高速加工鎳基合金已成為現(xiàn)實(shí)。
純Si3N4基陶瓷所具有的高熱導(dǎo)率和堅(jiān)韌性，可應(yīng)用于鑄鐵（發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸，剎車鼓，剎車）的高速加工。CVD Al2O3涂層使Si3N4基陶瓷可應(yīng)用于加工灰口韌性鑄鐵。
作為強(qiáng)化Al2O3金屬陶瓷的補(bǔ)充刀具材料，SiAlON硅鋁氧氮聚合材料*更新了鎳基合金加工的生產(chǎn)力。例如：以3500SFM（
高速加工需要超硬的切削工具。其中聚晶金剛石（PCD）適用于加工非常耐磨損的高硅鋁合金（含Si>12%）、有色金屬材料和復(fù)合材料；聚晶立方氮化硼（PCBN）適用于硬的黑色金屬材料的車削、鏜削和銑削加工。
涂層領(lǐng)域新近的發(fā)展是將純金剛石薄膜用CVD涂層的手段牢固地涂覆于硬質(zhì)合金基材上。金剛石涂層的硬質(zhì)合金刀具可具有PCD刀具的性能，又可以通過(guò)模具成型斷屑槽的方式使刀具在設(shè)計(jì)和使用工藝上更具靈活性。
切削工具制造商正通過(guò)開發(fā)像MoS2或者WC/C這樣的固體潤(rùn)滑劑來(lái)滿足這一需要。當(dāng)與PVD TiAlN涂層刀具和固體潤(rùn)滑劑結(jié)合使用時(shí)，能顯著的提高金屬切削的性能，尤其是對(duì)于鋼和鋁合金進(jìn)行鉆孔和攻絲的加工。
如今的超耐磨切削刀具，金剛石刀具用于有色金屬，CBN刀具用于黑色金屬的高速切削和磨削已成為大量的*。盡管其刀具采購(gòu)成本高于傳統(tǒng)工具的20到50倍，但因其至少具有比其它刀具長(zhǎng)100倍的使用壽命，采用此類超耐磨刀具也是相當(dāng)合算的。
2．切削刀具的設(shè)計(jì)
高速加工的使用者要求經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡的切削刀具，以便減少調(diào)整刀具平衡的時(shí)間，延長(zhǎng)刀具使用壽命，改進(jìn)被加工零件的精度以及增加主軸軸承的壽命。
鉆削、鏜削工具系統(tǒng)也在不斷的改進(jìn)和發(fā)展?？筛鼡Q鉆頭合金刀片已成趨勢(shì)。因鉆尖磨損后鉆頭無(wú)需從刀架上卸下也可更換切削刃?，F(xiàn)在市場(chǎng)已可以提供直徑小到
對(duì)于高的金屬去除率的鈦金屬類加工，新開發(fā)的重切削立銑刀可安裝多達(dá)72個(gè)可轉(zhuǎn)位刀片。這種刀具在設(shè)計(jì)上通過(guò)各個(gè)刀片的搭接提供各種變化多樣的刀具螺旋角和軸向刃傾度。這種變化擾亂了切削加工時(shí)的共振，從而可以無(wú)共振地進(jìn)行深度的銑削加工。
3．工具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
制造商對(duì)HSK工具系統(tǒng)支持高速機(jī)械加工的運(yùn)用越來(lái)越感興趣。雖然這種工具系統(tǒng)zui初十分昂貴，但HSK似乎能夠提高系統(tǒng)的剛性和穩(wěn)定性以及在高速加工時(shí)的產(chǎn)品精度，并縮短刀具更換的時(shí)間。工具供應(yīng)商正在不斷地改進(jìn)HSK工具系統(tǒng)，使其適應(yīng)機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到60000r/min。
4．刀具質(zhì)量與精度
在20年前，CNC機(jī)床達(dá)到25μm的精度被視為極限。如今機(jī)床制造精度接近原來(lái)精度值的1/10已經(jīng)不困難。與此同時(shí)，SPC控制和在線檢測(cè)對(duì)解決被加工零件質(zhì)量的一致性起到了很好的控制作用。在零部件裝配時(shí)不再需要根據(jù)零件加工誤差進(jìn)行分組選配。據(jù)報(bào)道高精密機(jī)床及被其加工的精密產(chǎn)品在過(guò)去的20年中對(duì)驅(qū)動(dòng)美國(guó)生產(chǎn)力的提高起到了決定性的作用。雖然很多因素對(duì)于加工精度的重大改進(jìn)有重大的貢獻(xiàn)，但是在進(jìn)一步提升制造業(yè)的精度水平中，數(shù)據(jù)收集、計(jì)量設(shè)備、工序過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用等已經(jīng)起到關(guān)鍵的作用。
5．切削工具制造商和服務(wù)
在近年來(lái)不斷出現(xiàn)一些綜合的工具制造商。一些主要切削工具供應(yīng)商更多的注重發(fā)展其核。已業(yè)務(wù)，并通過(guò)重組和收購(gòu)擴(kuò)大其業(yè)務(wù)范圍。Sandivik公司在過(guò)去的十年中收購(gòu)了35家公司，2002年又完成了對(duì)Walter和Valenite等三家重點(diǎn)公司的收購(gòu)。美國(guó)肯納公司也是如此。切削工具制造商能夠通過(guò)簡(jiǎn)化現(xiàn)成的銷售和服務(wù)渠道提供更大范圍的產(chǎn)品和服務(wù)。
*的工具生產(chǎn)商的經(jīng)營(yíng)理念是積極地為顧客的生產(chǎn)效率的提高提供服務(wù)，通過(guò)與R&D機(jī)構(gòu)（研究與開發(fā)）密切合作為顧客創(chuàng)造*的解決方案，讓顧客得到的是價(jià)廉物美的產(chǎn)品與服務(wù)，做顧客生產(chǎn)力提高的伙伴。
三、國(guó)內(nèi)外金屬切削刀具行業(yè)的差異
1. 現(xiàn)代金屬切削刀具與傳統(tǒng)工具的對(duì)比分析
我們稱謂的“數(shù)控刀具”，特指與加工中心、數(shù)控車床、數(shù)控鏜銑床、數(shù)控鉆等*的CNC制造系統(tǒng)相配套使用的刀具和工具輔具系統(tǒng)。它包括整體合金刀具、超硬刀具、可轉(zhuǎn)位刀片、工具輔助系統(tǒng)、可轉(zhuǎn)位刀具、超硬材料及涂層技術(shù)等。這些應(yīng)屬于現(xiàn)代金屬切削刀具范疇，其技術(shù)水平、性能和質(zhì)量直接影響到國(guó)內(nèi)數(shù)百萬(wàn)臺(tái)昂貴的CNC制造系統(tǒng)的生產(chǎn)效率和加工產(chǎn)品質(zhì)量的好壞，直接影響到整個(gè)國(guó)家機(jī)械制造工業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)效益
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