20年刀具技術的發(fā)展趨勢

　　近年來，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技術的重要發(fā)展方向，因此對刀具的材料選用、結構設計、監(jiān)測管理等有了更高的要求，同時隨著制造領域的不斷拓展，針對具體領域的刀具高效解決方案已成為實際加工中用戶最關心的方面之一。新型的刀具技術越來越成為高精度、高效率、高可靠性切削加工的關鍵。最近在刀具技術方面所取得的進展均屬于材料科學，計算機與信息學科、微電子應用技術的最新成果。為了滿足現(xiàn)代先進制造的經(jīng)濟性、環(huán)保性、高效性而出現(xiàn)的新型通用及專用、復合、智能的刀具，都有著先進的結構、優(yōu)良的材料性能、高的加工效率和精度。

圖1 同向結晶的Inveio技術

1. 刀具的材料技術

　　近20年來，超細晶粒硬質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，應用也越來越廣泛，可以預見未來隨著硬切削、干切削等工藝的增加，這些刀具在切削加工中占有比例會進一步提高。

　　山特維克可樂滿公司在已有的材料技術基礎上進一步拓展，采用同向結晶的Inveio技術，改變了涂層晶體生長方向的隨機性，可控制刀片CVD氧化涂層中的晶體生長方向，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固的屏障，從而大大提高了刀具材料的耐磨性，能夠保持長時間切削而不發(fā)生切削刃變形，并可提供更長且可預測的刀具壽命，確保安全的無人值守生產(chǎn)，同時保證高金屬去除率。這種新型的新刀片材質可以進行高速和長時間切削，適合鋼件車削與鑄鐵銑削加工。此外，隨著納米技術和涂鍍技術的發(fā)展，納米刀具涂層材料開始受到廣大研究者的關注。由美國學者開發(fā)的納米涂層和納米復合涂層技術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 高效仿形風火輪球頭銑刀

2. 刀具的結構設計

　　CIRP的研究報告指出由于刀具材料的改進，刀具許用切削速度每隔10年提高1倍;而由于刀具結構和幾何參數(shù)的改進，刀具壽命每隔10 年幾乎提高2倍。在現(xiàn)有刀具材料的基礎上，新穎、技術含量高的刀具結構設計，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。

　　在新型的刀具結構設計方面，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火輪球頭銑刀BLP系列，可夾持三個可轉位雙面銑刀片，形成240°空間銑削角度，三個刀片切削刃采用了全效率，并且?guī)в蟹中疾郏姷扼w帶內冷卻通孔，冷卻液直達切削刃。BLP銑刀的大進給能力使得生產(chǎn)率非常高，同時降低了切削力，大幅提高了切削加工過程的穩(wěn)定性，消耗功率更低，刀片壽命更長。這種新銑刀可提高不同工業(yè)領域復雜3D仿形銑時的性能，廣泛應用于復雜曲面銑削，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)測管理技術

　　刀具切削狀態(tài)的實時監(jiān)測與管理也是實現(xiàn)制造系統(tǒng)現(xiàn)代化、自動化、柔性化的基礎。出現(xiàn)于90年代的智能刀具技術受到越來越多的關注，并在近20年來得到迅速發(fā)展。

　　精確地預報刀具在加工中，尤其是在制造成本極高的精密零件加工中的失效時間對提高零件的加工效率和質量、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，刀具在開始切削時，使裝有傳感器的刀片涂覆層通過電流，形成一微電子回路。當?shù)毒咴谇邢髁Φ淖饔孟履p時，刀片表面上的TiN涂覆層首先被破壞，這時電流不能通過裝有傳感器的刀片涂覆層(斷電)，用電表測量時，此處微電子回路的電阻變?yōu)闊o限大。這時裝在刀片上的傳感器，將立即向機床控制系統(tǒng)發(fā)出信號，由機床控制系統(tǒng)控制機床立刻停機并執(zhí)行自動換刀程序。這種刀具壽命診斷系統(tǒng)能直接測量出刀尖的磨損情況并快速、準確地預報刀具的失效時間。

圖3 復合材料超聲振動加工整體解決方案

　　隨著制造領域自動化程度不斷提高，刀具信息管理成為亟待解決的問題。山特維克可樂滿公司開發(fā)了名為Adveon的軟件，這是一款數(shù)字化刀具數(shù)據(jù)庫，可模擬高質量的刀具組裝。在工藝規(guī)劃和CAM編程中，這款軟件可真實地模擬干涉實驗，為金屬切削行業(yè)提供了一個可自由發(fā)揮創(chuàng)造力的平臺，并有望大幅節(jié)省成本。山特維克可樂滿公司進一步提出了“智能加工”的概念，即刀具“知道”在加工過程中如何運轉，并與機床直接溝通。如果出現(xiàn)故障，刀具會發(fā)出警報或自動優(yōu)化工藝。CAD/CAM軟件專業(yè)廠商Edgecam成為已將Adveon刀具庫集成到Edgecam的軟件中，將幫助客戶進一步提高加工的生產(chǎn)效率和安全性，并縮短機床的安裝時間。

4. 刀具的高效解決方案

　　隨著制造領域對加工要求的越來越高，各大刀具制造廠商開始從單純的刀具生產(chǎn)、供應，轉向針對具體應用領域的加工要求，為用戶開發(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)品質量、降低制造成本。

　　在航空航天領域零件的制造精度高，且大量采用高溫合金、鈦合金、復合材料等重量輕、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、高塑性和高強度的難加工材料，對刀具的質量及性能提出了很高的要求。山特維克可樂滿公司針對航空發(fā)動機壓氣機中的整體葉盤，對高溫合金粗加工開槽采用50°螺旋角，帶避空的整體硬質合金圓角立銑刀，應用擺線銑削技術，控制銑刀與工件的接觸弧長，由于切削力較小，可以采用較大的銑削深度，實現(xiàn)刀具平穩(wěn)地逐漸切入和逐漸切出工件;對葉片的精加工采用錐度球頭立銑刀進行大銑削深度的側銑加工。

　　復合材料在航空航天領域大量應用，但由于其各向異性、非均質性、高硬度、高強度等特性，使得其在切削加工中的對刀具的要求也越來越高。傳統(tǒng)刀具在切削加工復合材料時，表現(xiàn)出了過快的磨損以及涂層剝落現(xiàn)象。同時，針對復合材料研發(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)濟性變差。北京航空航天大學袁松梅教授課題組針對復合材料的材料屬性及加工表面質量、效率等的要求，設計了專用于復合材料超聲振動加工的金剛石磨粒刀具，與自主研制的超聲振動加工裝備相匹配，并開發(fā)了復合材料切削力仿真及切削參數(shù)優(yōu)化軟件，形成從復合材料切削加工專用刀具和裝備系統(tǒng)的設計研制、材料去除機理研究、振動加工系統(tǒng)參數(shù)匹配、切削參數(shù)優(yōu)化、表面質量檢測評價及控制的復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)及應用領域的不斷拓展，硬切削、干式切削和高速切削等工藝的應用，切削加工領域對刀具的材料、結構、監(jiān)測管理及整體解決方案的要求也越來越高。刀具材料從高速鋼—硬質合金—陶瓷到超硬材料發(fā)展，涂層刀具技術得到深入研究和廣泛應用。在高性能刀具材料基礎上，開發(fā)創(chuàng)新型結構的刀具，針對具體應用領域提出刀具的高效解決方案，實現(xiàn)從標準刀具到高精度、高效率、高可靠性專用刀具的發(fā)展，是當前和未來研究的重點。同時智能制造成為加工領域的研究熱點，智能刀具監(jiān)測管理技術出現(xiàn)向系統(tǒng)化和模塊化發(fā)展的趨勢，并將與現(xiàn)代通信技術相結合，進一步融合到物聯(lián)網(wǎng)中，從而推動制造業(yè)裝備的高度現(xiàn)代化、自動化和智能化。

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