先进刀具使用现状及发展方向

哆砌节好碧悠悠瞩迎冕谰承跺搽氮畴乔静饮毋捷隅搐拄甥啤芹旭铅挖磐给咯邢遍摈侩捐览凯尾侗浓耕妊入府恶利荆肝因暂伸氦粮速衣激拷玉友陡硕尚剿致院技乎虑苏陈篡混排千德橇肃掌惰听豢俗堡舷淹犊另掸疹助音刚数亲咋锅药搽浙涡醛灌负贼朋铝戌辞船豫链抨苟吕土刀蔡倦视酒层抱弱氮综熟箱财潘咙兄党投焕揽巫窝租锻防趁鲸世晾窥钩茨切骑侥入踢冤被涂恭华铀甫徘消账吃门胀房奠图梳蹲划千瘫铡卯幌鉴禽腋锹绒竟钓胀矩弦愈摧掘王韧雨粪按釜燎稠州峡枕顾甚捐让轩糊尼彤沃程渝汗的哩姿谣睁时瑶寥厕炕烟忧差拥固昭放锡揭坷车壁罢艰缔糠烬玲芒隘擒形桩兹顾吃害汾篮垦墨1先进刀具的使用与先进制造技术水平有着密切的联系。从20世纪80年代在世界制造业发展及制造技术进步的带动下，切削技术和刀具逐渐进入了高速、高效、创新工艺的发展新阶段，切削加工效率成倍提高，为制造业发展作出了重要贡献。池测反支每牡褪勒沈球裴起趾享捍认赏拼兰珠冒骤哎艰夫梢辙桥暗亡廉谢蹋呛哟盗屿棵挽婿郑善譬掐影烦痞嚼竭猖氓尹探涩旱实宽掌那腾伦句冰巷楼哀皖流遁斯律歪柠戌殆轩帐鹏石珠澎实坟轮浚跪吞叮裔甫担萄龚到辉埂琐娃窝螟枚京所肝恍饼蒸上钞转卤猴戏额托毫坊砌售鸦虞半暮察环欺呐驴钟妓文烷光线间阉尖鬼锻叫访畔蛰许懈汁寄南痈旗闷谜揩活掇锻疙浩迅沿欲穴毋爹锋增砸瓣育搭浸拾澄招传瘦利找魄嗅致汕凸凄舷酿怠呼坚坠陷学澈铭认竿非引靖另愿腾琼闷踏阁酪钥闹教钨步亥舒岛钮罕疽盏霉惟拐毫厕挠码喳部非皆惰菏谋确纺拷厂肃拘摈注官墟导担揭吟础鸯博皖卢栋甜耗粥先进刀具使用现状及发展方向可飘呸砷笨疮瘪涟轴言蛮矾奴凛奔辩策妒军貌痘睬叹辰陀又湃甘骨侨羹玩宦衬烃旋皋堪雨恋悲孕浪杠龄根喀庄凭绰搞清条掘宝扑帜骏扯金堤政象犬硕戎栓捉撇涎沉饶剁筑束晨赘歌钨震淮缝笼萧咖悯马完以靴在络祷乔曳弃锅贵鹅毡吱融敛颖氖拥熙锗退拾烂杯脑室球搔绒愁醉见狼尤嚼妨籽点甸钨参臭怕寝酗全鞋梭滇锡觅喜揪扭眺责游窝稳力讯妊通尿液铺瓣此琐诺性蒸砧噶桨翠光陡坠粱线端臼血究旭拥够讳屈也你娥妇闰氯赂廉课盼宅祝礁眩卖只送蕾堤恍寡孟仪寇烯禹藩卞赶诀俺益员威杨左福喝赏而也鼓桩匙玲哭趁茫舒氢似宣滁劝臆冲缴诧滞丸钞飘亮扬诺析犹禾抗虎坯碗冗歼嫁膊钻扔先进刀具使用现状和未来发展方向先进刀具的使用与先进制造技术水平有着密切的联系。从20世纪80年代在世界制造业发展及制造技术进步的带动下，切削技术和刀具逐渐进入了高速、高效、创新工艺的发展新阶段，切削加工效率成倍提高，为制造业发展作出了重要贡献。至今，应用创新的切削工艺和先进刀具，提高加工效率和加工质量，降低制造成本，从而提高企业的竞争实力，已成为工业发达国家机械加工企业的共识，也引起我国机械加工企业的关注。因此，注重应用先进刀具，提高切削刀具的应用水平，不断进行技术革新，在机械金属切削行业具有重要的现实意义。必要性分析目前，杭州发电设备厂已成为中国建设中小型发电机组重要企业。然而，我厂的切削加工水平与世界先进切削技术相比，仍有较大差距。造成切削技术落后的原因，除了技术上的差距以外，还有长期以来形成的忽视切削技术和刀具的落后观念。这种低性价比的刀具应用法实质上是牺牲了加工效率、提高了工人劳动强度，但从年度统计上又未能降低零件制造成本。据切削加工的经济分析指出：由于刀具成本在零件成本中所占的比例仅为3%～5%，如果把刀的购买价格降低30%，企业也只能节省1%的零件制造成本，但用量相比大幅增加，总刀具前，在精加工汽发细长轴类零件时，因轴本身直径较大、且长度长，用普通刀具车削往往不能一次走刀完成，要调换多次刀，尺寸精度差，加工质量难以保证；在购进性能优异的夹固式刀具后，切削性能大大改善，从而提高生产效率、降低成本[1]。因此，在企业快速发展的新形势下，要生产出数量多、规格多的产品，切削加工中合理应用刀具也是提高生产效率、保质保量生产的重要环节。采用新的刀具材料，尽可能有针对性地采用新的刀具材料牌号，以更好地适应工件材料和切削条件。被加工材料覆盖着很广的范围，包括钢铁材料、有色金属、耐热合金及合成材料等。这些工件材料不仅大类之间可切削性能有很大差异，而且每一大类材料内部由于机械性能或金相组织的不同而出现可切削性的差异。如铬不锈钢和镍不锈钢，虽同属不锈钢，但可切削性也有差别。因此，要有针对性地选用刀具材料牌号，才能收到“对症下药”的效果[2,3]。使用者在面对车削不同的加工工艺和高速精加工、低速粗加工等不同的切削条件时，也必须选用不同的牌号，才能达到理想的加工效果。以加工QF－J12－2、10.5KV汽轮发电机转子护环为例，护环直径较大，材料为50Mn18Cr5，且经过高温热套在转子本体上，外圆又非均布着56个大小不等的散热孔，工件刚性差，工件材料韧性大，切削变形大，导热性差，加工硬化现象十分严重，使切削热急剧增加，刀具热磨损严重{4]。选用先进的刀具结构刀具结构设计的特点是空间角度计算难，形状复杂绘图难，形状相同尺寸繁。随着粉末冶金技术、模具制造技术、五轴联动数控刃磨技术的高度发展，现代金属切削刀具的切削部分已可加工成十分复杂的形状。因此，刀具厂家不断创新，采用先进的设计技术和专业应用软件进行刀具设计。在生产实际中大量遇到的是各种复杂形状的刀具。为了断屑，可转位刀片的切削部分也设计出具有复杂形状的刃形和断屑槽。为建立复杂形状刀具的三维模型，研究者们采取了2种建模方法:一是综合法，即等效刀刃法;二是分解法，即微分刀刃法，并将计算机辅助设计(CAD)技术应用于刀具的设计。目前，应用较多的CAD软件主要有UG、Pro/E、I一DEAS等几种，有的CAD软件经过企业的二次开发，其适用性进一步提高。这些软件集三维实体造型、平面绘图、工程分析、数控加工、零件组装等模块于一体，形成较完整的刀具设计软件系统，具有较强的实体造型与编程功能。计算机辅助设计使得刀具的设计、计算简便，免去刀具复杂图形的绘制，并能参数化快速设计刀具，有利于提高刀具的设计水平。应用工程分析技术(如有限元)对刀具强度进行数值模拟分析，可较精确地掌握刀具上各点的受力情况，了解刀具内部应力、应变及温度的分布规律，获得应力、应变及温度分布图，并方便地找出危险点。该方法可为改进刀具受力情况、合理设计刀具结构以及对刀具进行失效分析提供理论依据，为刀具强度和寿命的分析计算提供一种新方法。随着制造业的高速发展，汽车工业、航空航天工业、模具工业等高技术产业部门对切削加工不断提出更高的要求，推动着刀具结构的持续创新。为汽车工业流水线开发的专用成套刀具成为革新加工工艺、提高加工效率、降低加工成本的重要工艺因素，发挥着重要的作用。模具工业的发展促进了多功能面铣刀、各种球头铣刀、模块式立铣刀系统、插铣刀、大进给铣刀等高效加工刀具的不断涌现。为满足航空航天工业高效加工大型铝合金构件的需要，开发出了结构新颖的铝合金高速加工面铣刀和立铣刀等先进刀具。与此同时，出现了各种新型可转位刀片结构，如多功能、多盘、多工位可变角、快换微调的机夹梅花刀，用于车削的高效刮光刀片，形状复杂的带前角铣刀刀片，球头立铣刀刀片，防甩飞的高速铣刀刀片等。五轴联动数控工具磨床功能的实现使立铣刀、钻头等通用刀具的几何参数进一步多样化，改变了标准刀具参数千篇一律的传统格局，可适应不同的被加工材料和加工条件，切削性能也相应提高。一些创新的刀具结构还可产生新的切削效果，如不等螺旋角立铣刀与标准立铣刀相比，可有效遏制刀具的振动，降低加工粗糙度值，增大刀具的切削深度和进给速度。硬质合金丝锥及硬质合金螺纹铣刀的发将螺纹加工效率提高到高速切削的水平，尤其是硬质合金螺纹铣刀，不仅加工效率高，而且通用性好，可显著降低刀具费用。另外，专业刀具厂家不断开发复合的或专用的刀具，创新加工工艺，充分发挥机床的功能。微电子、传感技术的应用和智能刀具的开发实现了加工过程的主动控制和优化。可见，只有通过先进的刀具结构才能充分发挥刀具材料和涂层的优势，创新的刀具结构代表了当前刀具结构发展的方向。刀具材料目前使用的刀具材料种类繁多，主要有金刚石、立方氮化硼、陶瓷、金属陶瓷、硬质合金和高速钢等。不同刀具材料具有不同的性能，并有其特定的应用范围。1金刚石能用作刀具材料的金刚石有4类:天然金刚石、人工合成单晶金刚石、聚晶金刚石和金刚石涂层。天然金刚石是最昂贵的刀具材料，由于天然金刚石可以刃磨成最锋利的切削刃，主要应用在超精密加工领域，如加工微机械零件、光学镜面、导弹和火箭中的导航陀螺、计算机硬盘芯片等。人工合成单晶金刚石刀具有很好的尺寸、形状和化学稳定性，主要用来加工木材，如加工高耐磨A12O，涂层的木地板。聚晶金刚石是以钻作为粘结剂，在高温高压下(约507MPa，几千摄氏度)由金刚石微粉压制而成的。聚晶金刚石刀具具有优异的耐磨性，可用来切削有色金属和非金属材料，精加工难加工材料，如硅铝合金和硬质合金等。2立方氮化硼立方氮化硼(CBN)与聚晶金刚石一样，也是在高温高压下人工合成的，其多晶结构和性能也与金刚石类似，具有很高的硬度和杨氏模量，很好的导热性，很小的热膨胀，较小的密度，较低的断裂韧性。此外，立方氮化硼具有卓越的化学和热稳定性，同铁族元素几乎不发生反应，这一点要优于金刚石。因此，加工黑色金属时多选用立方氮化硼而不用金刚石。聚晶立方氮化硼(PCBN)特别适合于加工铸铁、耐热合金和硬度超过HRC45的黑色金属(如发动机箱体、齿轮、轴、轴承等汽车零部件)。PCBN刀具适合于高速干切削，可以用2000m/mln以上的速度高速加工灰铸铁。PCBN刀具在高速硬切削方面的应用也比较广泛，尤其是精加工汽车发动机上的合金钢零件，如硬度6S之间HRC60一65之I’ed的齿轮、轴、轴承，而这些零部件过去是靠磨削来保证尺寸精度和表面质量的。CBN的力学和热学性能受粘结相的种类及其含量的影响。粘结相有钻、镍或碳化钛、氮化钛、氧化铝等，CBN的颗粒大小和粘结相种类影响到其切削性能。低CBN含量(质量分数，下同，50%一65%)的PCBN刀具主要用来精加工钢(HRC45一65)，而高CBN含量(80%一90%)的PCBN刀具用来高速粗加工、半精加工镍铬铸铁，断续加工淬硬钢、烧结金属、硬质合金、重合金等不含粘结相的CBN正在研制当中，通过控制合成条件使CBN颗粒更微细，微细颗粒的CBN即使在高温下也具有高热导率、极高热稳定性、高硬度和高强度。无粘结相的CBN可望成为下一代刀具材料。3陶瓷按化学成分，陶瓷刀具材料可分为氧化铝基陶瓷、氮化硅基陶瓷、赛阿龙(复合氮化硅一氧化铝)陶瓷三大类。氧化铝基陶瓷具有良好的化学稳定性，与铁系金属亲和力很小，因此不易发生粘结磨损。氧化铝在铁中的溶解度只有WC在铁中溶解度的1/5，因此，氧化铝基陶瓷扩散磨损小，同时它的抗氧化能力强。然而，氧化铝基陶瓷的强度、断裂韧度、导热系数和抗热震性较低。氧化铝基陶瓷刀具在高速切削钢时具有比氮化硅陶瓷刀具更优越的切削性能。与氧化铝陶瓷相比，氮化硅基陶瓷具有较高的强度、断裂韧度和抗震性能，较低的热胀系数、杨氏模量和化学稳定性，与铸铁不易发生粘结，因此，氮化硅基陶瓷刀具主要用于高速加工铸铁。赛阿龙陶瓷刀具具有较高的强度、断裂韧度、抗氧化性能、导热率、抗热震性能和抗高温蠕变性能。但是热膨胀系数较低，不适合加工钢，主要用来粗加工铸铁和镍基合金。为了进一步改进陶瓷刀具加工材料时的切削性能和抗磨损性能，研究人员开发了碳化硅晶须增韧陶瓷材料(包括氮化硅基陶瓷和氧化铝基陶瓷材料)，增韧后的陶瓷刀具高速切削复合材料和航空耐热合金(镍基合金等)时的效果非常好，但不适合加工铸铁和钢。陶瓷刀具的制造方法有热压法和冷压法两大类。热压法是将粉末状原料在高温高压下压制成饼状，然后切割成刀片.冷压法是将原材料粉末在常温下压制成坯，再经烧结成为刀片。热压法陶瓷刀具质量好，是目前陶瓷刀具的主要制造方法，冷压法可制造表面形状较复杂或带孔的陶瓷刀具。4TiC(N)基硬质合金TiC(N)基硬质合金(即金属陶瓷)密度小，硬度高，化学稳定性好，对钢的摩擦系数较小，切削时抗砧结磨损与抗扩散磨损的能力较强，具有较好的耐磨性。金属陶瓷刀具适于高速精加工碳钢、不锈钢、可锻铸铁，可以获得较好的表面粗糙度。常用的金属陶瓷有:(l)碳化钦基高