金属切削技术及刀具发展现状
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制造业的发展与切削技术的进步

从20世纪中期开始,由于微电子技术、信息技术、材料科学等科学技术所取得的丰硕成果及其工程化进度的加快,推动了制造业和制造技术的快速发展,到20世纪末,取得了显著的进步,并为全球经济的发展作出了重大的贡献,被誉为全球经济的发动机。
总结这段历史,回顾人类社会经济和文明发展历程,各国政府对制造业的重要性有了新的认识:即使在高科技及新兴产业对经济产生巨大促进作用的今天,制造业仍是国家经济和综合实力的基础。重视和加快制造业的发展已成为世界各国尤其是像中国这样发展中大国的强国之策,从而给制造业和制造技术的发展带来了难得的机遇和新的挑战。
在此期间,作为制造技术基础工艺的金属切削技术也得到了迅速的发展,进入了以发展高速切削、开发新的切削工艺和加工方法、提供成套加工技术为特征的发展新阶段。这是在制造技术全面进步和创新的基础上,包括数控机床、控制系统、刀具材料、涂层技术、刀具结构等技术的全面进步,所产生的综合效果,推动了切削加工技术的全面进步,使总体水平达到了一个新的高度。这一高度的主要特征和技术特点是高的切削速度(表1),标志着切削加工技术进入了高速切削的新阶段。
表1 现阶段高速切削实例
加工方式刀具-工件材料副切削速度
铣削CBN铣削灰铸铁1000~2000m/min
PCD铣削铝合金3000~4000m/min
车削氮化硅陶瓷车削灰铸铁500~700m/min
CBN车削淬火钢(HRC60)100~200m/min
CBN车削灰铸铁刹车盘700~1000m/min
钻削整体硬质合金钻头钻灰铸铁100m/min
攻丝钴高速钢丝锥加工可锻铸铁
(M14×1.5)
61m/min
滚齿硬质合金滚刀加工16MnCr5350m/min
金属陶瓷滚刀加工16MnCr5600m/min
至今,高速切削已经成为先进制造技术的重要组成部分和显著的标志之一,成为制造业中装备制造工业、汽车工业、航空航天工业、模具工业等主要工业部门的关键技术。在工业发达国家,高速切削已是一项实用的新技术,积极开发应用高速切削新工艺成为企业提高加工效率和产品质量、降低制造成本、缩短交货周期从而提高竞争实力的重要举措,产生了显著的技术经济效益。因此,加快发展和应用以高速切削技术为代表的先进切削技术已成为各国制造业和制造技术各领域的共识。

图1

图2

切削技术及刀具发展现状

第一,开创了高速切削等新工艺,全面提高了加工效率。
高速切削作为一种新的切削工艺显示出独特的优越性。首先,切削效率有显著的提高,以轿车发动机的5大件加工为例,在近10年左右的时间里,生产效率提高了约1~2倍,如加工铝合金缸盖的PCD面铣刀,铣削速度已达4021m/min,进给速度5670mm/min,比我国90年代初引进的生产线又提高了一倍;又如精加工灰铸铁缸体的CBN面铣刀,铣削速度已达2000m/min,比传统的硬质合金面铣刀提高了10倍。其次,高速切削还有利于提高产品质量、降低制造成本、缩短交货周期。此外,在高速切削技术的基础上,开发了干切削(准干切削、微量润滑切削)、硬切削(以车代磨、以铣代磨)等新工艺,不仅提高了加工效率,改变了传统不同切削加工的界限,而且开创了切削加工“绿色制造”的新时代。硬切削技术已成为汽车齿轮内孔精加工、淬硬模具加工实用的高效新工艺,图1所示为加工65HRC的模具。
与此同时,根据不同的加工要求还出现了高进给速度的高效加工工艺或高生产率加工工艺(HPM、HSM),反映出高速切削技术的巨大发展潜力。
第二,以硬质合金材料为主的各种刀具材料性能全面提高。
硬质合金的性能不断改进,应用面扩大,成为切削加工主要的刀具材料,对推动切削效率的提高起到了重要作用。首先是细颗粒、超细颗粒硬质合金材料的开发,显著地提高了硬质合金材料的强度和韧性,用它制造的整体硬合金刀具,尤其是通用的量大面广的中小规格的钻头、立铣刀、丝锥等刀具,用来代替传统的高速钢刀具,使切削速度和加工效率提高了数倍,把量大面广的通用刀具带入了高速切削的范围,为切削加工全面进入高速切削阶段打下了半壁江山。目前整体硬质合金刀具已成为国内外工具公司的常规产品,并将随着整个切削加工水平的提高得到越来越广泛的应用。目前,国内湖南钻石硬质合金工具有限公司、上海工具厂有限公司、四平兴工刃具有限公司等企业也都能生产整体硬质合金立铣刀、丝锥、钻头等系列产品,图2所示是湖南钻石硬质合金股份有限公司生产的整体硬质合金刀具。不仅如此,整体硬质合金还在一些复杂成形刀具中得到应用。其次,硬质合金加压烧结等新工艺的开发和使用,提高了硬质合金的内在质量;以及针对不同加工的需求开发专用牌号的做法,又进一步提高了硬质合金的使用性能。在作为化学涂层硬质合金刀片牌号的基体材料时,开发了具有良好抗塑性变形能力和韧性表层的梯度硬质合金,提高了涂层硬质合金刀片的切削性能和应用范围。
陶瓷和金属陶瓷刀具材料品种增多,强度和韧性提高,扩大了应用领域和加工范围,在钢材、铸铁的精加工、半精加工中代替硬质合金,提高了加工效率和产品质量。目前,这类刀具材料不仅可用在单件、小批生产,而且已用于流水线的批量生产中,并且因为价格较低,可作为干切削、硬切削的首选刀具。
PCD、CBN超硬刀具材料韧性和制造工艺的改进,使应用领域不断扩大。用CBN制造的缸孔鏜刀已可用在自动生产线上以及铸铁和淬硬件的加工中,并从精加工领域扩大到半精加工领域,使切削加工的效率大幅提高。铝合金是航空工业和汽车工业的重要材料,高效加工铝合金是这两个工业部门的一项关键技术,目前由于用PCD制造的各种高性能刀具的广泛应用,切削效率显著提高,最高的切削速度已达7000m/min。产品已从原来车刀、面铣刀扩大到立铣刀、钻头、铰刀、成形刀具等;PCD还是加工石墨、合成材料等非金属材料唯一的高效刀具。可以预见,随着CBN、PCD刀具的推广,刀具品种将进一步增多,应用领域进一步扩大,在切削加工朝着高速、高效加工方向发展中起到领先的作用。
在刀具材料发展中仍要提到高速钢材料的发展,尽管高速钢刀具与硬质合金刀具相比在全世界的销售额以每年约5%的数量在减少,但是高性能的钴高速钢和粉末冶金高速钢的使用量在不断增加。这两种高性能高速钢已有很长的历史,它们比普通的高速钢有更好的耐磨性、红硬性和使用的可靠性,尤其是粉末冶金高速钢的性能更好,但由于价格高,过去主要用在航空航天工业加工难加工材料。随着人们对切削加工效率的追求和观念的转变,这些高性能高速钢的刀具首先在自动线上大量采用,如钻头、立铣刀、丝锥等通用刀具和齿轮刀具、拉刀等精密复杂刀具,收到了提高切削速度和加工质量、使用可靠和延长刀具寿命的效果。近几年,用高性能高速钢制造的上述刀具已扩大应用到一般的加工中,成为国外高速钢刀具的常规产品。
综上所述,在各种刀具材料的发展中,硬质合金起着主导的作用,但其他刀具材料的性能也得到了显著的改善,扩大了各自的应用领域,形成了各种刀具材料既有独特优势和使用范围又相互取代补充的整体格局。可以说正是刀具材料的全面的迅速的发展为当今高速、高效率的金属切削加工奠定了基础。
第三,涂层成为提高刀具性能的关键技术。
刀具的涂层技术在现代切削加工和刀具的发展中起着十分重要的作用,自从问世以来发展非常迅速,尤其是近几年取得了重大的进展。化学涂层(CVD)仍然是可转位刀片的主要涂层工艺,开发了中温CVD、厚膜三氧化二铝、过渡层等新工艺,在基体材料改善的基础上,使CVD涂层的耐磨性和韧性都得到提高;CVD金刚石涂层也取得了进展,提高了涂层表面光洁度,进入了实用的阶段。目前,国外硬质合金可转位刀片的涂层比例已达70%以上。在此期间,物理涂层(PVD)的进展尤为引人注目,在炉子结构、工艺过程、自动控制等方面都取得了重大进展,不仅开发了适应高速切削、干切削、硬切削的耐热性更好的涂层,如超级TiAlN,及综合性能更好的TiAlCN 通用涂层和DLC、W/C减摩涂层,而且通过对涂层结构的创新,开发了纳米、多层结构,大幅度提高了涂层硬度和韧性。表2为瑞士PLATIT公司推出的最新涂层。
PVD涂层技术的新进展,向我们展示了涂层技术对提高刀具性能的巨大潜力和独特的优势:可以通过对涂层工艺参数控制和靶材、反应气体的调整不断开发出新的涂层,以满足加工多样性的需要,是提高和改善刀具性能一项又快又好的技术,有着十分广阔的应用前景。
表2 物理涂层新牌号
涂 层颜 色硬 度
GPa
厚 度
µm
摩擦系数最高使用
温度℃
说 明
TiAlN单层紫黑351-40.5800通用高性能涂层
TiAlN多层紫黑281-40.6700适用断续切削
TiCN-MP红-铜321-40.2400高韧性通用涂层
MOVIC绿-灰-0.5-1.50.15400MoS2基涂层
CrN银亮181-40.3700适用加工铜、钛
TiAlCN红-紫281-40.25500高性能通用涂层
CBC(DLC)200.5-40.15400润滑涂层
GRADVIC281.5-60.15400TiAlCN+CBC
AlTiN381-40.7800属高性能涂层
µAlTiN381-20.3800涂层表面质量好
AlTiN/SiN紫兰451-40.451100纳米结构
第四,刀具结构的创新改变了传统标准刀具千篇一律的面貌和单一的功能。随着制造业的高速发展,汽车工业、航空航天工业以及模具行业等重点产业部门对切削加工不断提出更高的要求,推动着可转位刀具持续的发展。为汽车工业流水线开发的专用的成套的刀具,突破了传统按需供刀、“闭门造刀”的做法,而成为革新加工工艺、提高加工效率、节省投资的重要工艺因素,发挥新的作用,图 3是WIDIA公司一把用于曲轴加工新工艺的高速铣刀。

图3

图4

图5

图6
模具工业的特点是高效、单件、小批生产、模具材料的硬度高加工难度大、形状复杂、金属切除量大、交货周期短,成为推动可转位刀具结构创新的强大动力,如多功能面铣刀、各种球头铣刀、模块式立铣刀系统、揷铣刀、大进给铣刀等等。回顾上世纪90年代以来切削加工的发展,模具工业还是今天高速切削、硬切削、干切削新工艺的发源地。
为满足航空航天工业高效加工大型铝合金构件的需要,开发了结构新颖的铝合金高速加工面铣刀等刀具,图 4是Sandvik 公司的高速面铣刀,最高转速可达24000r/min,切削速度为6000m/min。
与此同时,也出现了各种可转位刀片的新结构,如用于车削的高效括光刀片、形状复杂的带前角的铣刀刀片、球头立铣刀刀片、防甩飞的高速铣刀刀片等等。
随着五轴联动数控工具磨床功能的完善及应用的普及,使立铣刀、钻头等标准通用刀具的几何参数更加多样化,改变了传统标准刀具千篇一律的旧格局,可适应不同被加工材料和加工条件,切削性能相应提高。一些创新的结构还产生新的切削效果,如不等螺旋角立铣刀,它与标准立铣刀比较,不等螺旋角立铣刀可有效遏制刀具的振动,提高加工光洁度,可增加刀具的切削深度和进给速度。又如不同钻尖形式、不同槽型的各种硬质合金钻头,图 5是上海工具厂有限公司推出的多种钻头及不同的钻尖修磨形式,以适应加工不同的材料。
硬质合金丝锥及硬质合金螺纹铣刀的开发,把螺纹加工的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,可节省刀具的费用。
第五,快速发展的配套技术。
切削加工的配套技术是随着切削加工技术的进步而逐渐发展起来的,是现代切削技术不可缺少的组成部分,并与切削技术和刀具保持着快速同步的发展,包括刀柄与机床主轴之间的连接方式、刀具在刀柄里的夹紧方式、刀具系统平衡及刀具管理。
双面接触的空心短锥刀柄(HSK)机床-刀具接口,由于可实现法兰端面和锥柄的同时接触,具有连接刚性好、定位精度高、且装卸时间短等优点,随着高速切削技术的推广,得到了越来越广泛的应用(图6)。这种刀柄的结构形式现已成为正式的国际标准,并且也已被众多的机床工具厂商所接受,纷纷推出带HSK主轴接口的高速加工中心和带HSK刀柄的工具系统或整体刀具,显示出这种新型刀柄的强大生命力和很好的使用前景。与此同时,一些公司还开发了与HSK类似的刀柄结构,如Sandvik公司的Capto刀柄,Kennametal公司的KM刀柄。近年来,还出现了双面接触甚至三处接触的7:24接口,以适应现有机床用于高速切削加工的需要。
使用高速旋转的刀具,还对刀具的装夹提出了新的要求。要求装夹精度高、径向跳动<0.003mm、夹持刚性好、结构紧凑、并操作简单。对用于装模具铣刀的夹头还要求悬伸长而外形尺寸小,便于刀具加工模腔内部。目前较常见的三种新型夹头是:液压夹头、热装夹头和力缩夹头。液压夹头靠液压腔的薄壁内套变形夹紧刀柄,与后两种夹头比较,套的变形量较大允许刀柄的直径可略有变动,且油腔有消振的阻尼作用,使用方便,但薄壁套的夹持刚性较低且结构不对称。热装夹头是利用热胀冷缩的原理在夹头冷却时将刀柄夹紧,这种夹紧方式由于夹紧可靠、结构紧凑对称、外形尺寸小、悬伸长可适应模腔加工,目前应用较为广泛。力缩夹头是靠机械弹性变形产生夹紧力,省掉了热缩夹头加热冷却的时间和能源,使用方便并且轴向定位精度可控,操作简单,但外形尺寸较大。
此外,对高速旋转的刀具还有平衡与安全的要求,刀具或工具系统由于结构的不对称或制造、组装的误差带来的偏心,相对于回转中心会存在不平衡量,在高速旋转时会产生周期性的径向力,作用在主轴的轴承系统,甚至传递至机床的其它部位,影响加工质量、刀具寿命和机床的性能。为此,对高速旋转刀具的许用不平衡量及最高使用转速作出了规定;刀具制造商开发了各种可调平衡的刀具,或对用于高速切削的旋转刀具、工具系统在装入主轴前在动平衡机上先进行平衡,把不平衡量限制在一定的范围里。为了减少刀具装入主轴后产生的不平衡量(偏心量),新推出的在线自动平衡技术,可在工作转速下对主轴、刀柄和刀具作为一个转子系统整体进行平衡。
在高速切削时,刀具的转速在10000~20000r/min以上甚至更高,此时,刀体、刀片、及刀片的夹紧零件受到很大离心力的作用,当转速达到某一临界值时,足以使刀片甩出,或者夹紧螺钉断裂、甚至整个刀体破裂。一旦出现这些情况会造成设备或人身伤害事故,因此是应用高速切削技术必须加以防范的事情。为此,德国制定了高速旋转刀具的安全规范,对刀具的设计、检测、使用、平衡质量都作了严格的规定,这项规范已先后成为欧洲标准和国际标准。
有资料表明,刀具的直接成本只占制造成本的2%~4%,而刀具使用、管理的简接费用要占12%以上,科学的刀具管理能为用户节省可观的刀具费用,降低制造成本,因此开发刀具管理技术和相关的软件、硬件已成为刀具制造商的业务范围,可为用户提供多种形式的刀具管理服务,从简单的刀具物流管理到全部刀具业务的一揽子承包,后者包括刀具采购、鉴定、保管、现场服务、刀具重磨、工艺改进、项目开发等等。用户企业可充分利用这种专业化的社会服务优势,保持切削加工的高水平,并将主要精力用于企业核心技术的开发,取得了经济技术的双丰收。
第六,工具行业新的经营模式。
随着切削技术的发展,工具行业正在经历着经营机制的变革。面对着日益更新的生产模式和新的工件材料,“刀具”已不再是简单的商品,一售了之,而是优化一个工序或一条生产线加工技术的重要工艺因素,刀具制造商必须能为用户提供成套的加工技术,帮助用户实现提高加工效率和产品质量、降低制造成本的目标,这已成为国外刀具制造商业务发展的方向和经营的宗旨。目前,刀具制造商通过各种形式的“为用户服务”、“提供解决方案”等经营模式,把工具行业带入了一个更高的发展阶段。事实已经证明,国外刀具制造商的这种做法有利于制造业的发展,为用户带来更多的效益,受到用户的欢迎。

应用先进切削技术加快我国制造业的发展

党的十六大提出了全面建设小康社会和实现新型工业化的任务,吹响了我国由制造大国向制造强国进军的号角。切削加工作为制造技术的基础工艺,刀具作为基础工艺装备,在这历史性的大进军中处于第一线的位置,先进的切削技术和刀具是我国发展汽车工业、航空航天工业、能源工业和配套的模具工业必备的前提条件。在这样的大好机遇面前,我们要充分利用先进的切削技术和刀具,为发展我国的制造业服务。
为此,我国的工具工业正在加快与世界工具工业的接轨,通过技术改造引进先进的工艺装备和技术,开发生产一流的刀具产品。我国工具行业的两个排头兵-株洲硬质合金集团和上海工具厂有限公司率先进行了高起点、大投入的技术改造,使我国制造可转位刀片(具)和整体硬质合金刀具的技术接近世界先进水平。与此同时,国外工具公司面对我国制造业快速发展的大好形势和广濶前景,加快了在中国实现本地化生产或服务的步伐,以降低制造成本、提高服务能力、缩短交货周期,应该说,外国刀具公司进军中国市场为我们应用先进刀具改造传统制造业提供了十分有利的条件。我们要抓住这个有利时机,积极采用先进刀具,为提高企业的加工技术和竞争实力服务,迎接经济全球化的挑战。
在企业加快应用先进切削技术时,各企业的情况不同,具体做法也不一样,但以下几点可作为共同的思路:
  1. 采用高性能刀具材料制作的刀具,包括整体硬质合金刀具、氮化硅陶瓷刀具、CBN和PCD刀具、高性能高速钢刀具等,针对生产的具体情况一种一种引入,一步一步往前推,定会收到很好的效果;目前国内的刀具制造厂也可部分供应这些刀具产品。
  2. 大力采用涂层刀具。我国涂层刀具的使用比例很低,有着很大的推广使用空间。应根据加工的条件和需要选用合适的涂层牌号,以取得理想的效果。
  3. 大力采用可转位刀具。可转位刀具在我国推广已多年,但由于种种原因

    图7
    进展还不够快,发展也不平衡。然而在此期间可转位刀具的技术已有了新的进展,品种迅速增多,并朝着更加高效、更加适用的方向发展,开发了曲线刃铣刀刀片、带修光刃的车削刀片和通用性好的圆刀片、八角刀片等产品,应用的潜力很大,积极推广可转位刀具应成为企业技术改造的重要项目。图7 是湖南钻石切削刀具股份有限公司开发的曲线刃刀片铣刀。
  4. 对于大批量流水生产线的企业,要借鉴国外的经验,走开发新工艺和专用刀具的路子,提高效率降低成本,或者开发组合刀具集中工序提高效率减少投资。这样的工作要与机床制造商、刀具制造商结合起来搞才能收到成效,这是工业发达国家成熟的做法。
  5. 对于单件小批生产模式的企业,要采用高效的新型刀具,如内冷却钻头、前刀面波形立铣刀等。其次可采用多功能通用刀具,一刀多用,减少换刀时间。还要打破传统的钻、铣、磨等工艺界限,通过以铣代钻、以钻代铣、以铣代攻(螺纹)、以车代磨等工艺转换取得新的加工效果。此外,加强刀具管理,减少庫存,降低刀具费用。
  6. 在采用先进刀具新技术时,企业要走社会化的路子,要依靠工具制造商、经销商的技术力量。在当前新的工件材料、刀具材料、涂层牌号层出不穷的情况下,刀具品种成千上万,只有借助他们的专业人员的帮助才能选择正确的刀具,达到预期的目标,这也是目前国外工具制造商积极提倡的“系统供应”、“提供解决方案”的经营理念要达到的目的。其次,要打破对刀具费用的不正确观念--认为好刀具“太贵”花不来,正是这种观点长期影响着我国切削技术的进步和民族工具工业的发展。刀具再“贵”也只占制造成本的2%~4%(在我国多数企业还不到2%),只有用了“贵”的好刀,提高了效率才能大大降低单件的成本,增加企业的效益,最终取得投入少产出多的效果。通过具体的加工实例可以证明,刀具的费用分摊到每个产品上不是多了反而是少了。
最后,希望通过大家的努力把本单位的切削技术搞上去,共同为推动我国制造业和制造技术的进步作出贡献。
本文作者:中国机械工业金属切削刀具技术协会 赵炳桢
上载于:2004-6-24 11:19:35

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