數(shù)控刀具的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

楊曉晶

（徐州生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221006）

代表著制造技術(shù)最高水平的數(shù)控機(jī)床，已成為當(dāng)今機(jī)械制造業(yè)的主流裝備，而數(shù)控刀具的發(fā)展，已成為機(jī)械制造行業(yè)的風(fēng)向標(biāo)。雖然數(shù)控機(jī)床集合了眾多領(lǐng)域的新技術(shù)，然而刀具的發(fā)展水平，對(duì)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展有著極大影響，應(yīng)該說(shuō)刀具技術(shù)的發(fā)展，極大地促進(jìn)了數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，并且極大地提升了數(shù)控機(jī)床的功能水平，從而也從整體上促進(jìn)了制造業(yè)的發(fā)展。

從目前情況來(lái)看，多功能復(fù)合型刀具和現(xiàn)代高效刀具，是刀具發(fā)展的主流。而切削技術(shù)的日益發(fā)展、刀具材料的日新月異、涂層技術(shù)的快速發(fā)展，都極大促進(jìn)了刀具的發(fā)展。

1 切削技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

切削加工，是機(jī)械加工領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的加工方法之一，高效率、高品質(zhì)、低成本和綠色環(huán)保，是切削技術(shù)追求的最終目標(biāo)。目前，高速切削、干式切削、硬態(tài)切削和復(fù)合切削，已成為切削技術(shù)最為重要的發(fā)展方向。

1.1 高速切削——高效

聚晶金剛石（PCD）刀具和HSK等高速切削刀柄系統(tǒng)的問(wèn)世，促進(jìn)了高速切削技術(shù)的迅速發(fā)展。目前針對(duì)于非金屬材料和有色金屬材料的加工，高速切削技術(shù)被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、航空、航天以及建材等工業(yè)領(lǐng)域，使得在生產(chǎn)成本成倍下降的同時(shí)，生產(chǎn)效率獲得了大幅度提高。

1.2 干式切削——環(huán)保

干式切削也是目前切削制造技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。實(shí)際上，采用干式切削的同時(shí)，必須提高切削速度，使切削過(guò)程中產(chǎn)生的熱能由切屑帶走。這種加工方式，不但提高了生產(chǎn)效率，而且還非常環(huán)保；另外由于干式切削不采用切削液，或只采用極少量的切削液，因此極大地降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本，也最大限度地免去了后續(xù)處理廢棄的切削液和金屬切屑混合的工業(yè)廢料的環(huán)節(jié)。

目前，由物理氣相沉積（PVD）方法進(jìn)行涂層處理的刀具，在干式切削中使用廣泛，這種方法獲得的涂層更薄、粘著力更佳、隔熱性能更好，在切削過(guò)程中最大程度地將熱量阻隔在刀具之外，使大部分的切削熱由切屑帶走。目前，干式切削在德國(guó)得到了大力發(fā)展和應(yīng)用，在德國(guó)機(jī)械制造行業(yè)中，干式切削所占的比例可達(dá)20%以上。

2 數(shù)控刀具材料的發(fā)展

2.1 粉末冶金高速鋼

在傳統(tǒng)冶煉高速鋼的基礎(chǔ)上，利用熱等靜壓工藝制造出了粉末高速鋼，一般是用高壓氮?dú)饣驓鍤馐谷廴诘母咚黉撍F化成細(xì)小的粉末，然后在高溫高壓下，壓制成細(xì)密的鋼坯，最后將鋼坯軋制成高速鋼材料。其優(yōu)點(diǎn)是熱處理變形小，特別適宜制造精密刀具和復(fù)雜刀具。

與普通冶煉高速鋼相比，粉末高速鋼硬度更高，韌性也更好，更耐磨損；在相同硬度條件下，粉末高速鋼的強(qiáng)度提高達(dá)20%～30%，韌性提高1.5～2倍，在某些高沖擊力、大切削量的加工條件下，粉末高速鋼大行其道。鑒于粉末高速鋼優(yōu)良的綜合性能以及市場(chǎng)需求，可以預(yù)見(jiàn)，該類(lèi)材料必將會(huì)是刀具材料發(fā)展的一個(gè)重要方向。

2.2 超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金

硬質(zhì)合金出現(xiàn)于上世紀(jì)30年代，主要是B族金屬元素的碳化物和粘結(jié)劑通過(guò)粉末冶金工藝制成。硬質(zhì)合金已成為刀具材料的一個(gè)主流發(fā)展方向，目前主要的種類(lèi)有鎢鈷類(lèi)、鎢鈷鈦類(lèi)、鎢鈦鉭類(lèi)，現(xiàn)在又發(fā)展出細(xì)晶粒和超細(xì)晶粒的硬質(zhì)合金，晶粒的粒度已經(jīng)可以達(dá)到納米級(jí)。

為了提高材料的韌性，超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金的含鈷量往往高于一般的硬質(zhì)合金，但是由于晶粒的超細(xì)度補(bǔ)償了高含鈷量帶來(lái)的硬度損失，而且還可大幅度提高刀具壽命，并且刃口的鋒利程度也大大提高了，可以加工粘性較強(qiáng)的材料，因此超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金，越來(lái)越受到用戶(hù)的青睞。

2.3 超硬刀具材料

（1）陶瓷刀具是目前最有發(fā)展?jié)摿Φ牡毒咧?。隨著數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，在實(shí)現(xiàn)無(wú)污染切削和硬材料切削上，陶瓷刀具具有先天優(yōu)勢(shì)；在三氧化二鋁陶瓷基體中加入碳化硅，可制成晶須增韌陶瓷材料，或是加入含量小于10%的金屬材料制成金屬陶瓷，都可以大大提高陶瓷刀具的韌性，從而擴(kuò)大使用領(lǐng)域。

（2）立方氮化硼的結(jié)構(gòu)與金剛石相似，硬度達(dá)到8000～9000 HV。在高溫高壓下，將立方氮化硼微細(xì)顆粒燒結(jié)在一起，就制成了多晶立方氮化硼。這種材料，既可以加工諸如高速鋼、淬硬鋼、鑄鐵、硬質(zhì)合金等較硬材料，還可以加工熱噴涂材料、高溫合金等難加工材料。

（3）金剛石是所有已知自然界材料中硬度最高的一種物質(zhì)，在有色金屬和非金屬加工中得到廣泛應(yīng)用。上世紀(jì)70年代，一些發(fā)達(dá)國(guó)家先后開(kāi)發(fā)出聚晶金剛石刀具。聚晶金剛石（PCD）復(fù)合片，是由粒度為微米級(jí)的金剛石顆粒與鈷、鎳等金屬粉末均勻混合后，在高壓高溫下，在碳化鎢（WC）基材上燒結(jié)而成的一種新刀坯材料。這種材料不但具有金剛石的各種優(yōu)良特性，還同時(shí)具有良好的韌性和導(dǎo)電性，因此可以采用線切割機(jī)床進(jìn)行加工。

3 數(shù)控刀具刀柄的發(fā)展

隨著數(shù)控機(jī)床高速切削技術(shù)的發(fā)展，對(duì)刀具夾持系統(tǒng)的要求變得越來(lái)越高，適應(yīng)高速切削的刀柄系統(tǒng)，得到大力的研制與開(kāi)發(fā)。目前，德國(guó)OTT公司研制的HSK刀柄系統(tǒng)，被公認(rèn)為是性能最優(yōu)越的夾持系統(tǒng)。

HSK刀柄是一種典型的1:10短錐面、錐柄和主軸端面同時(shí)接觸的雙定位型空心刀柄。由于HSK刀柄采取了一種雙重定位配合原則，夾緊時(shí)，在足夠拉緊力的作用下，HSK刀柄的空心錐柄和主軸錐孔、錐面和夾持平面之間同時(shí)接觸，產(chǎn)生摩擦，提供了封閉結(jié)構(gòu)的徑向定位和平面夾緊定位，理論上講這是一種過(guò)定位，但由于良好的制造精度，反而提高了安裝剛性。因此，HSK刀柄具有靜、動(dòng)態(tài)剛性高、扭矩傳遞大、徑向定位精確以及換刀重復(fù)精度高等特點(diǎn)。

4 數(shù)控刀具涂層的發(fā)展

目前，除了一些高速刀具不帶有涂層外，絕大多數(shù)的各類(lèi)刀具都具有涂層結(jié)構(gòu)。在當(dāng)前的各種刀具涂層中，氮化鈦（TiN）涂層占主導(dǎo)地位，以TiN為底層構(gòu)筑的多層涂層和氮鋁化鈦（TiAlN）的PVD涂層，是重要的發(fā)展方向。

物理氣相沉積（PVD）是通過(guò)蒸發(fā)、電離或?yàn)R射等過(guò)程，產(chǎn)生金屬粒子并與反應(yīng)氣體反應(yīng)形成化合物沉積在工件表面。和化學(xué)氣相沉積（CVD）相比，PVD涂層更薄，粘著力更佳。而氮鋁化鈦（TiAlN）的PVD涂層，由于在高溫下涂層表面氧化形成非晶質(zhì)的三氧化二鋁膜而硬度更高，耐熱性更好。在干切削加工中，涂層的作用就像是一道熱的屏障，其具有比刀具基體和工件材料低很多的導(dǎo)熱性，因此涂層刀具可以吸收較少的切削熱，而承受更高的切削溫度，從而在保證刀具壽命的前提下，提高切削速度。

5 結(jié)束語(yǔ)

先進(jìn)的刀具，是促進(jìn)數(shù)控切削技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。而刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)和刀具涂層各項(xiàng)技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)步，促進(jìn)了數(shù)控刀具向通用化和專(zhuān)門(mén)化兩個(gè)方向發(fā)展。隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和難加工材料應(yīng)用的增多，新型的數(shù)控刀具一定會(huì)伴隨數(shù)控機(jī)床的高速發(fā)展，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

[1]趙寶根.新一代高強(qiáng)度合金結(jié)構(gòu)鋼發(fā)展動(dòng)向[J].上海寶鋼工程設(shè)計(jì)，2004，（3）：30.