近年來,數控刀具技術發展主要體現在研發一刀多切削功能、提高其切削刃切削性能方面,適應高速(超高速)、硬質(含耐熱、難加工)、干式、精細(超精)切削及高效率數控機床加工切削技術要求,高速、高效、復合、高精度、高可靠性是先進切削技術對數控刀具提出的要求。數控刀具制造技術的發展主要集中在如下幾個方面:刀具材料制造技術、刀具涂層制造技術、刀具結構設計制造技術、連接數控刀具和數控機床的工具系統制造技術等方面。
(1)數控刀具材料“對癥下藥”,重視超硬超細材料的開發 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。“對癥下藥”是指針對工件的特點(材料性能、加工余量、批量、要求等)開發匹配的特定材質的刀具,新材料刀具的研發是現代數控刀具一個重要的發展趨勢。例如粉末冶金高速鋼、鈷高速鋼、超細顆粒硬質合金及陶瓷、金屬陶瓷等材料在數控刀具上得到了迅速推廣和廣泛應用,尤其是以硬質合金為材質的可轉位不重磨刀片近年來發展迅速,在數控刀具應用中占主要份額。其次是隨著有色金屬材料、有機復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、家具制造業的發展,硅鋁合金、鋁鎂合金、復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的進步。第三是環保要求的提倡,干切削技術和微量冷卻、低溫氣冷技術應運而生,對切削刀具材料(及涂層)的抗高溫性能提出了新要求——優良的高溫熱穩定性、高溫抗黏合性、高溫摩擦性能等對實施干切削數控刀具的使用性能至關重要。
(2)數控刀具涂層發展迅速,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鍵技術。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,既節省了資源,又降低了成本。近年來,刀具涂層技術發展空前迅猛,新的涂層裝備和涂層材料層出不窮。在傳統的TiN、TiC、TiCN、Al2O3涂層的基礎上,發展了高溫熱穩定性更好的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)數控刀具和工具系統向高速、復合切削方向發展 數控刀具和可轉位數控刀片結構及幾何參數的創新優化設計,如新型精密成型的斷屑槽型的開發,有效地改善了刀具的切削性能。近年來,數控組合刀具和復合刀具的開發步伐加快,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滾削加工效率得到了提高。為了適應復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,開發了滿足車銑自動換刀的新型數控刀具和刀柄。
工具系統是連接數控刀具與數控機床主軸,傳遞切削運動和動力的接口部件。隨著高速高效加工技術發展,傳統的采用單面(錐面)約束夾緊、帶7∶24錐度的工具系統已經不能滿足要求,而HSK工具系統(帶有1∶10錐面)得到了推廣應用。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)精度好、允許轉速高(≤150000r/min)等特點,使其在高速數控加工設備得到了廣泛的應用。
(4)刀具結構設計制造技術發展 近年來,高速切削技術應用和發展給數控刀具結構及其制造技術帶來了重大的影響,三維參數化設計技術、基于單元刀具的設計方法、有限元分析方法等新技術在數控刀具設計與分析中得到了廣泛應用,推進了可轉位刀具設計技術的發展,極大地加快了刀片三維斷屑槽形開發,使可轉位刀具在車削、銑削、鉆削等加工方面得到迅速的發展,同時也使刀桿結構設計得到極大優化、切削負荷分布更加合理。
CIRP(國際生產工程研究學會)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;而由于刀具結構和幾何參數的改進,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,而優化刀具切削部分的幾何形狀則能充分發揮新型材料的威力。
對于數控切削加工系統而言,必須重視數控刀具制造技術的發展,重視切削機理、數控刀具的設計、材料、制造工藝、刃口強化技術、表面強化技術、數控刀具檢測技術以及數控刀具切削數據庫等數控刀具制造全過程的技術發展和質量管理。采用先進信息技術,將數控刀具制造閉環系統中各個環節(包括應用)的信息進行集成、分析、診斷、反饋,以提高制造質量和水平,這對于數控刀具制造技術的發展至關重要,對數控切削加工技術的發展也至關重要。
我國數控刀具的研制從20世紀80年代初開始,但由于技術、設備投入不夠,對先進切削工具認識不足,多年來我國的數控刀具技術發展緩慢。
由于我國機床工具行業對現代金屬切削刀具與傳統刀具的差別缺乏足夠的認識,長期以來重主機、輕工具,在發展戰略上數控刀具與數控機床的發展嚴重脫節,使我國數控刀具制造與國外先進水平存在很大差距,國產數控刀具與國外進口刀具相比,質量、精度、壽命相對較低,品種少。國內有些工廠企業仍然習慣地按普通機床模式來選擇數控刀具,造成切削加工生產率低下、切削加工成本增加,致使對數控機床大量投資并未達到預期效果。如國內超細晶粒硬質合金刀具和高性能高速鋼刀具牌號很少,可轉位刀片的槽型與模具的開發能力低,涂層技術也遠遠落后于國外工具廠,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得不到充分利用,國內應用最多的還是普通高速鋼刀具和通用硬質合金刀具。
近年來,隨著我國工具工業開發能力的提高、產品結構的調整和加大技術改造,在新技術和新產品方面也取得了一些可喜的成果。如新產品除小尺寸整體硬質合金刀具以外,還有全部采用進口設備和原材料生產的PCB鉆頭和PCB銑刀,并形成了批量生產的能力,產品全部出口。高速鋁合金面銑刀、模塊式曲軸可轉位面銑刀、可轉位復合鏜刀等汽車行業專用刀具,以及可轉位雙刃可調鏜刀、工具系統等產品。國產陶瓷刀具近幾年發展也很快,國產Al2O3基和Si3N4基陶瓷刀片的性能已接近國外同類產品的水平,可滿足國內的需要,有的還出口國外。
在國內眾多的數控刀具專業生產廠的共同努力下,一般精度(10μm級)和轉速在8000r/min以下的加工中心用工具系統和可轉位刀具已經可以部分替代進口刀具,滿足大多數數控加工用戶的需要,其差距主要在工具壽命、外觀和包裝上。硬質合金廠的可轉位刀片在產品開發、切削性能、市場占有率上與進口刀片差距也在逐步減小。這些專業和非專業的刀具制造廠與世界上任何一家現代工具企業相比,其技術實力、生產能力和資產規模、全員生產率和市場份額都較小,且硬質合金材料生產、涂層技術研究和加工、刀片制造與刀具、工具系統制造各自為營,沒有形成切削刀具產業鏈的緊密聯合,孤軍奮戰,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控刀具進一步發展。