机械加工刀具的未来发展结构性创新研究

赵玉平 徐玉海 王爱平 马慧斌 刘建林 王向上 邱新会 毛涛 王雪

摘 要：随着制造业精密化、大型化、高速化发展，由“德国工业4.0”到“中国工业2025”，现代加工理念发生了巨大的变化，这些新形势也同时对机床加工刀具的发展提出了更高的要求。该文以机械加工刀具的典型结构性创新设计作为研究，通过对目前机械加工刀具市场出现的传统刀具产能过剩、非标准刀具供不应求的问题进行了研究，结果表明：只有寻求高效、多能、快换、经济的刀具结构创新改革才能满足机械加工刀具市场发展的需求，已经显得尤为重要。

关键词：制造业  刀具  产能过剩  结构

中图分类号：TG71          文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）10（c）-0107-02

1 国内现状

我国制造业的高速发展，为切削刀具的发展提供了巨大的市场潜力。我国刀具消费总量已超过德、美、日等发达国家，近几年的增长速度仍远远高于发达国家的水平。与此同时，国内刀具行业面临着自身技术和工艺相对落后，国际刀具巨头的强势冲击等挑战。中国机床工具工业协会工具分会发布了国内刀具行业2010年经济发展数据，数据显示2010年我国国产刀具生产总量为290亿元，其中出口刀具70亿元，同年我国工具消费达到330亿元，居全球第一。这表明2010年我国国产刀具在国内市场销售额为220亿元，国外刀具销售额为110亿元，占到我国刀具消费的1/3。尽管国产刀具市场份额大，但是其中现代高效刀具为代表的高端国产刀具只有20亿元，而进口刀具全部是高端刀具。2011年开年以来，国内企业已进口多台高精度的数控机床和检测设备。如：台湾远山CNC数控磨床、德国WALTER轴数控磨床、英国COBORN 数控磨床、德国卓勒对刀仪等;有了数控机床主件上的提升，还需要在机床刀具功能部件上的匹配才能发挥作用。刀具行业从业者应该做些什么并且该如何做呢？在国际模具及五金塑胶产业供应商协会负责人罗百辉看来，“十二五”期间，转变经济发展方式将成为各个行业（包括刀具行业在内）发展的首要任务。近年来，国内的刀具行业总体上位于低水平的、千篇一律的标准化产品的大批量生产，已经成为刀具行业水平快速提高的一大阻力。随着中国机床工业这八年的黄金发展期，刀具产业得到了空前的发展，许多企业的产量大幅提高，但这种提高并没有太多地依靠技术的进步，而是主要以我们国家的廉价劳动力为基础。控制好制造成本和产品利润，一个可选的方式就是提高制造能力，提高劳动生产率，使企业得到可持续的发展。

2 国外现状

为了达到高效、多能、快换、经济的目的，在《提升先进高效刀具机械加工成发展趋势之一》（来源中国制造网）一文中阐述了国外数控加工刀具具有如下发展趋势：对于刀具的发展有了清晰的阐述，刀片及刀柄高度的通用化、规格化、系列化;刀片或刀具的耐用度及经济寿命指标的合理性;刀具或刀片几何参数和切削参数的规范化、典型化;刀片或刀具材料及切削参数与被加工材料之间应相匹配;刀具应具有较高的精度，包括刀具的形状精度、刀片及刀柄对机床主轴的相对位置;精度、刀片及刀柄的转位及拆装的重复精度;刀柄的强度要高、刚性及耐磨性要好;刀柄或工具系统的装机重量有限度;刀片及刀柄切入的位置和方向有要求;刀片、刀柄的定位基准及自动换刀系统要优化。

3 问题的提出

上述研究成果的阐述指名了当前刀具的发展方向，为该项目的研究提供了理论基础，确定了项目设计方案的基本思路，又结合宁夏地区制造业企业的实际发展的调研情况，提出了该项目的研究。

4 刀具制造的方法

目前，刀具的制造方法有：（1）传统整体固定法;（2）钎焊法;（3）机械夹固式。每种刀具的制造方法都有其利弊。快速定位换刀法，机夹可转位。可轉位刀具夹固机构应满足夹紧可靠、装卸方便、定位精确等要求。

5 刀具制造的材料选择

刀具切削性能的好坏是由刀具材料、切削部分几何形状、刀具的结构决定的，因此刀具材料如何选择对于刀具寿命、加工质量、生产效率方面是至关重要的。

5.1 刀具材料的性能

刀具在切削过程中要承受高温、高压、摩擦、冲击的作用，因此对于刀具切削部分所使用的材料必须要满足一定的性能，它们分别是：硬度和耐磨性;强度和韧性;导热性和高温耐热性;耐冲击性和良好的工艺性。

5.2 常用的刀具材料

常用的刀具材料有高速钢、硬质合金、工具钢、陶瓷、立方氮化硼和金刚石等，在生产中主要使用的是高速钢、硬质合金两大类，碳素工具钢、合金工具钢因耐热性差，而局限在手工或切削速度较低的场合下使用。

鉴于上诉原因，本设计的刀具材料选择了高速钢和硬质合金作为刀具材料。

6 刀具的结构设计

为了达到高效、多能、快换、经济的目的，本设计选择了机械夹固式组合刀具。（见图1）其特点是刀片、刀头、刀柄通过螺钉（栓）压紧组合在一起，哪个部分损坏就更换哪个部分，使用时不浪费材料。我们知道，刀具在使用时最容易损坏的是刀片，其次是刀头，再次是刀柄，很多刀具就是因为刀片、刀头损坏而不能继续使用，扔掉造成浪费。因此这3个部分分开制造，组合在一起使用。经过首先在车床生产实践的运用，其效果达到了预设要求。于是我们将此成果推行到系列化产品当中，使该种刀具形成了系列化的产品，这项研究目前已作为省级课题立项。

7 结论

（1）机械夹固式组合刀具的创新研究符合刀具的系列化发展方向和生产需求。

（2）机械加工刀具的未来发展结构性创新设计方向应是以高效、多能、快换、经济为目标。

（3）机械夹固式组合刀具是根据刀具的不同部位损坏情况予以更换，降低成本，经济实用，能够避免材料浪费，具有广阔的市场需求前景。

参考文献

[1] 张润晨.机械加工刀具发展现状与对策[EB/OL].（2014-05-05）http：//wenku.baidu.com/view/477f59140b4e767f5acfce30.html.

[2] 未知.提升先进高效刀具机械加工成发展趋势之一[EB/OL].（2014-05-05）http：//wenku.baidu.com/view/477f59140b4e767f5acfce30.html.

[3] 赵威，王盛璋，何宁，等.航空钛合金结构件铣削刀具性能模糊综合评判[J].中国机械工程，2015，26（6）：711-715.