近年來,數(shù)控刀具技術(shù)發(fā)展主要體現(xiàn)在研發(fā)一刀多切削功能、提高其切削刃切削性能方面,適應(yīng)高速(超高速)、硬質(zhì)(含耐熱、難加工)、干式、精細(xì)(超精)切削及高效率數(shù)控機床加工切削技術(shù)要求,高速、高效、復(fù)合、高精度、高可靠性是先進切削技術(shù)對數(shù)控刀具提出的要求。數(shù)控刀具制造技術(shù)的發(fā)展主要集中在如下幾個方面:刀具材料制造技術(shù)、刀具涂層制造技術(shù)、刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計制造技術(shù)、連接數(shù)控刀具和數(shù)控機床的工具系統(tǒng)制造技術(shù)等方面。
(1)數(shù)控刀具材料“對癥下藥”,重視超硬超細(xì)材料的開發(fā) 切削刀具材料是決定刀具切削性能,尤其是刀具切削效率和可靠性的基礎(chǔ)?!皩ΠY下藥”是指針對工件的特點(材料性能、加工余量、批量、要求等)開發(fā)匹配的特定材質(zhì)的刀具,新材料刀具的研發(fā)是現(xiàn)代數(shù)控刀具一個重要的發(fā)展趨勢。例如粉末冶金高速鋼、鈷高速鋼、超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金及陶瓷、金屬陶瓷等材料在數(shù)控刀具上得到了迅速推廣和廣泛應(yīng)用,尤其是以硬質(zhì)合金為材質(zhì)的可轉(zhuǎn)位不重磨刀片近年來發(fā)展迅速,在數(shù)控刀具應(yīng)用中占主要份額。其次是隨著有色金屬材料、有機復(fù)合材料甚至木材等切削加工需求的增加,特別是汽車、航空航天、軍工、家具制造業(yè)的發(fā)展,硅鋁合金、鋁鎂合金、復(fù)合蜂窩材料零件及淬硬工件的加工,推動了聚晶金剛石(PCD)、立方氮化硼(CBN)等超硬刀具材料制造技術(shù)的進步。第三是環(huán)保要求的提倡,干切削技術(shù)和微量冷卻、低溫氣冷技術(shù)應(yīng)運而生,對切削刀具材料(及涂層)的抗高溫性能提出了新要求——優(yōu)良的高溫?zé)岱€(wěn)定性、高溫抗黏合性、高溫摩擦性能等對實施干切削數(shù)控刀具的使用性能至關(guān)重要。
(2)數(shù)控刀具涂層發(fā)展迅速,新涂層層出不窮,刀具涂層是決定刀具切削性能,尤其是刀具切削效率和可靠性的另一項關(guān)鍵技術(shù)。涂層刀具相對普通刀具切削效率提高顯著,刀具性能改善明顯,使用壽命成倍增加,既節(jié)省了資源,又降低了成本。近年來,刀具涂層技術(shù)發(fā)展空前迅猛,新的涂層裝備和涂層材料層出不窮。在傳統(tǒng)的TiN、TiC、TiCN、Al2O3涂層的基礎(chǔ)上,發(fā)展了高溫?zé)岱€(wěn)定性更好的TiAlN、TiBN、TiAlBN、CrN、CrC、SN2等新涂層,以及可改善自潤滑性能的軟涂層MoS2。金剛石涂層、類金剛石涂層及立方氮化硼涂層等也得到了快速發(fā)展。納米涂層在同樣的涂層情況下可顯著提高涂層性能,備受重視。
目前,切削刀具的涂層工藝主要采用化學(xué)涂層(Chemical Vapor Deposition,CVD)和物理涂層(Physical Vapor Deposition,PVD)兩大類。由于物理涂層工作溫度低,對刀具基體強度影響小,保持刀具幾何精度和刃口切削性能好,因此使用較多。
(3)數(shù)控刀具和工具系統(tǒng)向高速、復(fù)合切削方向發(fā)展 數(shù)控刀具和可轉(zhuǎn)位數(shù)控刀片結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)的創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計,如新型精密成型的斷屑槽型的開發(fā),有效地改善了刀具的切削性能。近年來,數(shù)控組合刀具和復(fù)合刀具的開發(fā)步伐加快,如波狀切削刃粗切滾刀和精切滾刀組合、齒輪滾刀和去毛刺刀具組合均使?jié)L削加工效率得到了提高。為了適應(yīng)復(fù)合車銑加工中心的要求,即在工件一次安裝中完成平面、圓柱面、孔及螺紋切削加工的要求,開發(fā)了滿足車銑自動換刀的新型數(shù)控刀具和刀柄。
工具系統(tǒng)是連接數(shù)控刀具與數(shù)控機床主軸,傳遞切削運動和動力的接口部件。隨著高速高效加工技術(shù)發(fā)展,傳統(tǒng)的采用單面(錐面)約束夾緊、帶7∶24錐度的工具系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足要求,而HSK工具系統(tǒng)(帶有1∶10錐面)得到了推廣應(yīng)用。它采用雙面(錐面和端平面)約束夾緊原理,接觸剛度和傳遞扭矩大大提高,具有定位(回轉(zhuǎn))精度好、允許轉(zhuǎn)速高(≤150000r/min)等特點,使其在高速數(shù)控加工設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用。
(4)刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計制造技術(shù)發(fā)展 近年來,高速切削技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展給數(shù)控刀具結(jié)構(gòu)及其制造技術(shù)帶來了重大的影響,三維參數(shù)化設(shè)計技術(shù)、基于單元刀具的設(shè)計方法、有限元分析方法等新技術(shù)在數(shù)控刀具設(shè)計與分析中得到了廣泛應(yīng)用,推進了可轉(zhuǎn)位刀具設(shè)計技術(shù)的發(fā)展,極大地加快了刀片三維斷屑槽形開發(fā),使可轉(zhuǎn)位刀具在車削、銑削、鉆削等加工方面得到迅速的發(fā)展,同時也使刀桿結(jié)構(gòu)設(shè)計得到極大優(yōu)化、切削負(fù)荷分布更加合理。
CIRP(國際生產(chǎn)工程研究學(xué)會)曾公布一項研究報告指出“由于刀具材料的改進,刀具的切削速度每隔十年提高一倍;而由于刀具結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)的改進,刀具的使用壽命每隔十年幾乎提高兩倍”。采用新型刀具材料可以提高刀具的切削性能,而優(yōu)化刀具切削部分的幾何形狀則能充分發(fā)揮新型材料的威力。
對于數(shù)控切削加工系統(tǒng)而言,必須重視數(shù)控刀具制造技術(shù)的發(fā)展,重視切削機理、數(shù)控刀具的設(shè)計、材料、制造工藝、刃口強化技術(shù)、表面強化技術(shù)、數(shù)控刀具檢測技術(shù)以及數(shù)控刀具切削數(shù)據(jù)庫等數(shù)控刀具制造全過程的技術(shù)發(fā)展和質(zhì)量管理。采用先進信息技術(shù),將數(shù)控刀具制造閉環(huán)系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)(包括應(yīng)用)的信息進行集成、分析、診斷、反饋,以提高制造質(zhì)量和水平,這對于數(shù)控刀具制造技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要,對數(shù)控切削加工技術(shù)的發(fā)展也至關(guān)重要。
我國數(shù)控刀具的研制從20世紀(jì)80年代初開始,但由于技術(shù)、設(shè)備投入不夠,對先進切削工具認(rèn)識不足,多年來我國的數(shù)控刀具技術(shù)發(fā)展緩慢。
由于我國機床工具行業(yè)對現(xiàn)代金屬切削刀具與傳統(tǒng)刀具的差別缺乏足夠的認(rèn)識,長期以來重主機、輕工具,在發(fā)展戰(zhàn)略上數(shù)控刀具與數(shù)控機床的發(fā)展嚴(yán)重脫節(jié),使我國數(shù)控刀具制造與國外先進水平存在很大差距,國產(chǎn)數(shù)控刀具與國外進口刀具相比,質(zhì)量、精度、壽命相對較低,品種少。國內(nèi)有些工廠企業(yè)仍然習(xí)慣地按普通機床模式來選擇數(shù)控刀具,造成切削加工生產(chǎn)率低下、切削加工成本增加,致使對數(shù)控機床大量投資并未達(dá)到預(yù)期效果。如國內(nèi)超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金刀具和高性能高速鋼刀具牌號很少,可轉(zhuǎn)位刀片的槽型與模具的開發(fā)能力低,涂層技術(shù)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外工具廠,使涂層這個至今覆蓋面最廣、可最有效提高刀具性能的技術(shù)得不到充分利用,國內(nèi)應(yīng)用最多的還是普通高速鋼刀具和通用硬質(zhì)合金刀具。
近年來,隨著我國工具工業(yè)開發(fā)能力的提高、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整和加大技術(shù)改造,在新技術(shù)和新產(chǎn)品方面也取得了一些可喜的成果。如新產(chǎn)品除小尺寸整體硬質(zhì)合金刀具以外,還有全部采用進口設(shè)備和原材料生產(chǎn)的PCB鉆頭和PCB銑刀,并形成了批量生產(chǎn)的能力,產(chǎn)品全部出口。高速鋁合金面銑刀、模塊式曲軸可轉(zhuǎn)位面銑刀、可轉(zhuǎn)位復(fù)合鏜刀等汽車行業(yè)專用刀具,以及可轉(zhuǎn)位雙刃可調(diào)鏜刀、工具系統(tǒng)等產(chǎn)品。國產(chǎn)陶瓷刀具近幾年發(fā)展也很快,國產(chǎn)Al2O3基和Si3N4基陶瓷刀片的性能已接近國外同類產(chǎn)品的水平,可滿足國內(nèi)的需要,有的還出口國外。
在國內(nèi)眾多的數(shù)控刀具專業(yè)生產(chǎn)廠的共同努力下,一般精度(10μm級)和轉(zhuǎn)速在8000r/min以下的加工中心用工具系統(tǒng)和可轉(zhuǎn)位刀具已經(jīng)可以部分替代進口刀具,滿足大多數(shù)數(shù)控加工用戶的需要,其差距主要在工具壽命、外觀和包裝上。硬質(zhì)合金廠的可轉(zhuǎn)位刀片在產(chǎn)品開發(fā)、切削性能、市場占有率上與進口刀片差距也在逐步減小。這些專業(yè)和非專業(yè)的刀具制造廠與世界上任何一家現(xiàn)代工具企業(yè)相比,其技術(shù)實力、生產(chǎn)能力和資產(chǎn)規(guī)模、全員生產(chǎn)率和市場份額都較小,且硬質(zhì)合金材料生產(chǎn)、涂層技術(shù)研究和加工、刀片制造與刀具、工具系統(tǒng)制造各自為營,沒有形成切削刀具產(chǎn)業(yè)鏈的緊密聯(lián)合,孤軍奮戰(zhàn),甚至互相進行低價、低水平、低檔次競爭。這些都影響了我國數(shù)控刀具進一步發(fā)展。