数控刀具的现状与发展趋势

2011-02-14杨晓晶

装备制造技术 2011年12期

杨晓晶

（徐州生物工程职业技术学院，江苏徐州 221006）

代表着制造技术最高水平的数控机床，已成为当今机械制造业的主流装备，而数控刀具的发展，已成为机械制造行业的风向标。虽然数控机床集合了众多领域的新技术，然而刀具的发展水平，对数控技术的发展有着极大影响，应该说刀具技术的发展，极大地促进了数控技术的发展，并且极大地提升了数控机床的功能水平，从而也从整体上促进了制造业的发展。

从目前情况来看，多功能复合型刀具和现代高效刀具，是刀具发展的主流。而切削技术的日益发展、刀具材料的日新月异、涂层技术的快速发展，都极大促进了刀具的发展。

1 切削技术的发展现状

切削加工，是机械加工领域应用最广泛的加工方法之一，高效率、高品质、低成本和绿色环保，是切削技术追求的最终目标。目前，高速切削、干式切削、硬态切削和复合切削，已成为切削技术最为重要的发展方向。

1.1 高速切削——高效

聚晶金刚石（PCD）刀具和HSK等高速切削刀柄系统的问世，促进了高速切削技术的迅速发展。目前针对于非金属材料和有色金属材料的加工，高速切削技术被广泛应用于汽车、航空、航天以及建材等工业领域，使得在生产成本成倍下降的同时，生产效率获得了大幅度提高。

1.2 干式切削——环保

干式切削也是目前切削制造技术的一个重要发展方向。实际上，采用干式切削的同时，必须提高切削速度，使切削过程中产生的热能由切屑带走。这种加工方式，不但提高了生产效率，而且还非常环保；另外由于干式切削不采用切削液，或只采用极少量的切削液，因此极大地降低了企业的生产成本，也最大限度地免去了后续处理废弃的切削液和金属切屑混合的工业废料的环节。

目前，由物理气相沉积（PVD）方法进行涂层处理的刀具，在干式切削中使用广泛，这种方法获得的涂层更薄、粘着力更佳、隔热性能更好，在切削过程中最大程度地将热量阻隔在刀具之外，使大部分的切削热由切屑带走。目前，干式切削在德国得到了大力发展和应用，在德国机械制造行业中，干式切削所占的比例可达20%以上。

2 数控刀具材料的发展

2.1 粉末冶金高速钢

在传统冶炼高速钢的基础上，利用热等静压工艺制造出了粉末高速钢，一般是用高压氮气或氩气使熔融的高速钢水雾化成细小的粉末，然后在高温高压下，压制成细密的钢坯，最后将钢坯轧制成高速钢材料。其优点是热处理变形小，特别适宜制造精密刀具和复杂刀具。

与普通冶炼高速钢相比，粉末高速钢硬度更高，韧性也更好，更耐磨损；在相同硬度条件下，粉末高速钢的强度提高达20%～30%，韧性提高1.5～2倍，在某些高冲击力、大切削量的加工条件下，粉末高速钢大行其道。鉴于粉末高速钢优良的综合性能以及市场需求，可以预见，该类材料必将会是刀具材料发展的一个重要方向。

2.2 超细晶粒硬质合金

硬质合金出现于上世纪30年代，主要是B族金属元素的碳化物和粘结剂通过粉末冶金工艺制成。硬质合金已成为刀具材料的一个主流发展方向，目前主要的种类有钨钴类、钨钴钛类、钨钛钽类，现在又发展出细晶粒和超细晶粒的硬质合金，晶粒的粒度已经可以达到纳米级。

为了提高材料的韧性，超细晶粒硬质合金的含钴量往往高于一般的硬质合金，但是由于晶粒的超细度补偿了高含钴量带来的硬度损失，而且还可大幅度提高刀具寿命，并且刃口的锋利程度也大大提高了，可以加工粘性较强的材料，因此超细晶粒硬质合金，越来越受到用户的青睐。

2.3 超硬刀具材料

（1）陶瓷刀具是目前最有发展潜力的刀具之一。随着数控机床的发展，在实现无污染切削和硬材料切削上，陶瓷刀具具有先天优势；在三氧化二铝陶瓷基体中加入碳化硅，可制成晶须增韧陶瓷材料，或是加入含量小于10%的金属材料制成金属陶瓷，都可以大大提高陶瓷刀具的韧性，从而扩大使用领域。

（2）立方氮化硼的结构与金刚石相似，硬度达到8000～9000 HV。在高温高压下，将立方氮化硼微细颗粒烧结在一起，就制成了多晶立方氮化硼。这种材料，既可以加工诸如高速钢、淬硬钢、铸铁、硬质合金等较硬材料，还可以加工热喷涂材料、高温合金等难加工材料。

（3）金刚石是所有已知自然界材料中硬度最高的一种物质，在有色金属和非金属加工中得到广泛应用。上世纪70年代，一些发达国家先后开发出聚晶金刚石刀具。聚晶金刚石（PCD）复合片，是由粒度为微米级的金刚石颗粒与钴、镍等金属粉末均匀混合后，在高压高温下，在碳化钨（WC）基材上烧结而成的一种新刀坯材料。这种材料不但具有金刚石的各种优良特性，还同时具有良好的韧性和导电性，因此可以采用线切割机床进行加工。

3 数控刀具刀柄的发展

随着数控机床高速切削技术的发展，对刀具夹持系统的要求变得越来越高，适应高速切削的刀柄系统，得到大力的研制与开发。目前，德国OTT公司研制的HSK刀柄系统，被公认为是性能最优越的夹持系统。

HSK刀柄是一种典型的1:10短锥面、锥柄和主轴端面同时接触的双定位型空心刀柄。由于HSK刀柄采取了一种双重定位配合原则，夹紧时，在足够拉紧力的作用下，HSK刀柄的空心锥柄和主轴锥孔、锥面和夹持平面之间同时接触，产生摩擦，提供了封闭结构的径向定位和平面夹紧定位，理论上讲这是一种过定位，但由于良好的制造精度，反而提高了安装刚性。因此，HSK刀柄具有静、动态刚性高、扭矩传递大、径向定位精确以及换刀重复精度高等特点。

4 数控刀具涂层的发展

目前，除了一些高速刀具不带有涂层外，绝大多数的各类刀具都具有涂层结构。在当前的各种刀具涂层中，氮化钛（TiN）涂层占主导地位，以TiN为底层构筑的多层涂层和氮铝化钛（TiAlN）的PVD涂层，是重要的发展方向。

物理气相沉积（PVD）是通过蒸发、电离或溅射等过程，产生金属粒子并与反应气体反应形成化合物沉积在工件表面。和化学气相沉积（CVD）相比，PVD涂层更薄，粘着力更佳。而氮铝化钛（TiAlN）的PVD涂层，由于在高温下涂层表面氧化形成非晶质的三氧化二铝膜而硬度更高，耐热性更好。在干切削加工中，涂层的作用就像是一道热的屏障，其具有比刀具基体和工件材料低很多的导热性，因此涂层刀具可以吸收较少的切削热，而承受更高的切削温度，从而在保证刀具寿命的前提下，提高切削速度。