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我國數(shù)控刀具的發(fā)展探討
點擊次數(shù)：2293 發(fā)布時間：2009-3-11
任何一個強大的國家都必須具有包括金屬切削加工在內(nèi)的強大制造業(yè)基礎(chǔ)。在整個21世紀中，金屬切削加工仍是機械制造業(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，而且刀具消耗費用占制造成本的2%－5%。無論是專機設(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系統(tǒng)投入的10%甚至更多。柔性制造單元和專機設(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、機械加工工業(yè)市場，機床市場和切削刀具工業(yè)
機械加工工業(yè)市場變得既活躍又具有過度的競爭性。在貿(mào)易和技術(shù)的頻繁往來之中，發(fā)達國家與發(fā)展中國家在競爭能力上的差別也日趨混同。同時，對產(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，金屬切削和金屬成型機床的消費市場從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。在美國加工中心的擁有量由20世紀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45億美元可望達到66億美元。在此同時，傳統(tǒng)的銑削機床市場預(yù)計在同期內(nèi)將從16億美元下降到15億美元。在未來的十年中，超過50%的制造業(yè)的加工需求可能將由加工中心來完成。
世界切削工具的*約為100億美元，預(yù)計工具的消耗量在近期內(nèi)將每年增長3%以上。1998年世界切削工具市場消耗比率如下：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超過40%以上。這種增長可能標(biāo)志著HSS刀具越來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、國外金屬切削刀具的現(xiàn)狀和發(fā)展態(tài)勢
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涂層的特點是多層涂層。其涂層結(jié)構(gòu)包括TiCN、TiC、TiN、ZnCN和Al2O3。通過對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)勢是：可以給銳利的切削刃面提供超細晶粒、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涂層提供一個堅固的、超細晶粒的。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刀具在難加工金屬材料和鋼材加工的斷續(xù)切削時刀具使用壽命。
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程中，其可靠性已經(jīng)得到改進。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微粒的Al2O3-TiCN黑色陶瓷所取代。其高強度與高抗磨損性適用于硬度高達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一步的提高做出了貢獻。碳化硅強化Al2O3陶瓷的發(fā)展，使得高速加工鎳基合金已成為現(xiàn)實。
純Si3N4基陶瓷所具有的高熱導(dǎo)率和堅韌性，可應(yīng)用于鑄鐵（發(fā)動機氣缸，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。
作為強化Al2O3金屬陶瓷的補充刀具材料，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，又可以通過模具成型斷屑槽的方式使刀具在設(shè)計和使用工藝上更具靈活性。
切削工具制造商正通過開發(fā)像MoS2或者WC/C這樣的固體潤滑劑來滿足這一需要。當(dāng)與PVD TiAlN涂層刀具和固體潤滑劑結(jié)合使用時，能顯著的提高金屬切削的性能，尤其是對于鋼和鋁合金進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
高速加工的使用者要求經(jīng)過動平衡的切削刀具，以便減少調(diào)整刀具平衡的時間，延長刀具使用壽命，改進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)也在不斷的改進和發(fā)展?？筛鼡Q鉆頭合金刀片已成趨勢。因鉆尖磨損后鉆頭無需從刀架上卸下也可更換切削刃?，F(xiàn)在市場已可以提供直徑小到
對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72個可轉(zhuǎn)位刀片。這種刀具在設(shè)計上通過各個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的共振，從而可以無共振地進行深度的銑削加工。
3．工具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
制造商對HSK工具系統(tǒng)支持高速機械加工的運用越來越感興趣。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的產(chǎn)品精度，并縮短刀具更換的時間。工具供應(yīng)商正在不斷地改進HSK工具系統(tǒng)，使其適應(yīng)機床主軸轉(zhuǎn)速達到60000r/min。
4．刀具質(zhì)量與精度
在20年前，CNC機床達到25μm的精度被視為極限。如今機床制造精度接近原來精度值的1/10已經(jīng)不困難。與此同時，SPC控制和在線檢測對解決被加工零件質(zhì)量的一致性起到了很好的控制作用。在零部件裝配時不再需要根據(jù)零件加工誤差進行分組選配。據(jù)報道高精密機床及被其加工的精密產(chǎn)品在過去的20年中對驅(qū)動美國生產(chǎn)力的提高起到了決定性的作用。雖然很多因素對于加工精度的重大改進有重大的貢獻，但是在進一步提升制造業(yè)的精度水平中，數(shù)據(jù)收集、計量設(shè)備、工序過程標(biāo)準化的應(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)，并通過重組和收購擴大其業(yè)務(wù)范圍。Sandivik公司在過去的十年中收購了35家公司，2002年又完成了對Walter和Valenite等三家重點公司的收購。美國肯納公司也是如此。切削工具制造商能夠通過簡化現(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)，通過與R&D機構(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)量直接影響到國內(nèi)數(shù)百萬臺昂貴的CNC制造系統(tǒng)的生產(chǎn)效率和加工產(chǎn)品質(zhì)量的好壞，直接影響到整個國家機械制造工業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)水平和經(jīng)濟效益
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