刀具与切削加工技术的新发展

风伊云

　　一、与高速铣削和多功能车削中心相适应的刀具及切削技术
) C& Y6 ~$ v% Y+ c. K　　在切削加工方面，寄希望于建立快捷生产体制的刀具产品，首推高速铣削刀具。目前，加工中心等机床主轴与刀具的连接方式，在欧洲已普遍采用HSK刀柄，并已制定出ISO标准。日本国内正在推广采用这种工具系统。迄今为止，日本厂商已开发出多种工具系统，连接方式更是五花八门，用户在选购时感到十分困惑。因此，日本机床生产厂和终端用户都希望开发一种适用于车削中心的HSK工具系统。目前，日本共有16家工具企业和夹头生产厂在联合开发此种产品，不久即可进行批量生产。这对于提高加工效率、降低生产成本和提高加工质量均可得到极为良好的效果。
4 Q3 @: z+ J$ b4 t. Q　　Sodick公司开发出一种三轴直线电机驱动小型加工中心(工作台尺寸400mm×600mm)，这是一种适用于高速铣削加工的机型，主轴最高转速达到40000r/min，与其他同类机床相比，成本降低至50%以下。为了在高速铣削条件下保证加工精度和刀具寿命，该机床采用了热装式工具夹持系统。这种趋势今后还将继续发展下去。如MMC神钢工具公司开发的适用于热装式工具夹持系统的立铣刀系列产品，这些立铣刀尽可能保持最小程度的伸出量，可进行稳定的高速铣削加工。许多生产热装式夹紧系统的企业推出的产品大都采用欧洲生产的电磁感应加热方式。日本YES电子工业公司自行开发的新型电磁感应加热装置，商品名MEGAHEATER。这是一种袖珍热装设备，它采用新型电磁感应方式，克服了以往电磁感应易受干扰的不良影响，电源(称作mega加热器)为盒式结构，可节省设备占用空间，而且设计新颖，便于操作。
2 T' ^; \+ g( F# G/ b　　为了简化生产程序，实现超短交货期限，车削中心和五轴控制的加工中心需用大量多功能刀具。MAZAK公司就为车削中心开发出一系列多功能刀具，这些刀具按照NC程序的指令进行切削，一把刀具可完成内外圆切削、内外螺纹切削、镗削、立铣等多种加工，从坯料到复杂形状的工件，可由一道工序完成。牧野铣床制作所在立式加工中心上安装分度装置，利用机床自身的多轴控制功能，可在一道工序内完成多个部位的切削加工。
　　二、一般切削刀具的最新动向
% u$ l6 x: x/ Z6 Z* l, ]3 z　　涂层处理是大幅度提高刀具性能的重要手段。目前，在硬质合金(超细晶粒硬质合金)基体表面涂覆碳化物、氧化铝、氮化物的刀具使用已相当广泛。日立工具公司纳米涂层技术的最新成果，是开发出TiSiN和CrSiN涂层立铣刀，两种涂层材料的粒径均为5nm，前者可高速加工50～70HRC的高硬度钢，后者可高速高精度加工43HRC的软钢及预淬硬钢。两种涂层的硬度和抗氧化性能均优于其他涂层，在延长刀具寿命、缩短加工周期等方面，有着突出的效果。
　　住友电工公司开发出了DLC(Diamond Like Carbon，类金刚石)涂层铣刀刀片，这种刀片最宜用于铝合金等有色金属的干式切削加工。采用DLC涂层的硬质合金立铣刀、钻头等产品，有着优异的表面润滑性能，是干式切削的理想刀具品种。以往深孔加工是很难采用干式切削的。不二越公司推出了一种长钻头，可进行半干式(MQL)深孔加工，加工孔深度为钻头直径的20倍，此种钻头也是经过DLC涂层处理的。DUET公司开发出一种金刚石与硬质合全烧结成一体的Beam钻头，特点是不存在焊接缺陷，使用寿命长，切削锋利度优异，可重磨，并可制作φ0.4mm的小直径钻头。Beam钻头主要用于铝合金、纤维增强塑料(CFRP)、金属基复合材料、工程陶瓷等材料的高速孔加工。
9 U2 O+ u. b" V7 h' ]　　刀具材料的开发极为活跃，除上述涂层产品外，还有增大涂层厚度以提高切削性能的涂层刀片T9000系列(东芝Tungaoy公司)、具有优异抗破损性能的陶瓷刀片HW2系列(日本特殊陶瓷公司)等，这些刀片都超过了以往的同类产品，具有良好的切削性能。
" h* }* m+ b/ ]/ {1 G+ o, s# d( {　　除了上述适用于干式切削的刀具品种外，还开发出了许多可提高加工效率的刀具产品。如MMC神钢工具公司开发的多功能立铣刀MRALE ORBIT，这是一种仿形加工专用短刃型刀具，特点是刀尖圆弧R的尺寸精度非常高，可进行大进给量切削，应用范围十分广泛。三菱综合材料公司开发出一种可转位式立铣刀，刀片形状独特，切削主分力作用于轴向，侧刃不进行切削，由靠近底部的切削刃进行切削，因此，切削十分平稳。这种立铣刀的切削深度为1.5～2.Omm，每齿进给量为3.5mm，与其他立铣刀相比，进给量大幅度提高。京瓷公司推出一种多功能立铣刀，类似刀具早已在市场上出售，但京瓷公司在刀片形状上作了较大改进，可有效降低切削力，刀片底刃部分为横向平置。此种立铣刀可进行切槽、切侧壁、钻孔、倾斜沉腔铣削等多种加工。ISCAR公司2002年新开发的蝶形铣刀刀片，该刀片带8个切削角，厚度较大，沿切向安装，可进行大进给量的稳定切削加工，生产效率提高2.5～3.8倍，现已被汽车行业大量采用。
　　为了减轻铣刀刀体重量，提高切削效率，许多厂家开发出铝合金刀体高速面铣刀，如Sandvik公司的Coromant 590面铣刀、住友公司的RF型面铣刀等产品。这些铝合金刀体面铣刀在高速回转帅80mm的刀具转速为17000r/min时，具有很高的抗离心力特性，刀片夹紧牢固，不易脱落和甩出，刀片槽较大，刀片和刀体均不易被切屑擦伤。
( h- [+ s7 `$ k8 a9 F0 ?　　另外，OSG公司推出一种硬质合金丝锥，将其安装在加工中心上，利用机床三轴控制功能形成行星运动，一把丝锥即可完成内螺纹、外螺纹、右旋螺纹、左旋螺纹等多种攻丝加工，此种丝锥对攻丝加工合理化作用极大。
　　三、引人注目的微小直径刀具
4 v! j, b( G2 A0 k- }　　目前，日本国内制造业为了摆脱经济不景气的困境，采取的有效措施之一，便是生产附加值高的产品。这类产品的特点是许多零件必须经过微细形状加工，而且，为了提高这些产品的市场竞争力，几乎在所有制造领域都要求进行高效率高精度加工。
+ f" ~* Z0 n6 \( ?. N7 s4 R) c" M3 L　　随着加工形状微细化的迅速发展，对刀具的要求也必然是直径更加微小，精密程度更加严格，使用寿命更加延长。如三菱综合材料公司开发出一批小直径立铣刀系列产品，其中，球头立铣刀、方头立铣刀的最小直径为φ0.2mm，刀头最大长度为1.5mm，均为涂层硬质合金制品。日进工具公司推出一种直径为φ50μm的硬质合金立铣刀，主要用来进行深度为50μm的细槽加工，据称，这是当前立铣刀中直径最小的品种。利用小直径立铣刀进行微细形状加工，尽管效率很高，但对切削后的加工面进行修整却非常困难，用户希望能够用一把立铣刀完成最终的加工工序。在通常情况下，高精度形状加工耗用的切削时间往往需要数小时。因此，对微细形状加工所用刀具也就提出了更高的要求，即切削性能(刃尖振摆精度、加工表面粗糙度等)和刀具寿命都应比一般刀具更为优异。日进工具公司的φ1mm CBN立铣刀，当加工条件为转速120000r/min，进给速度5000mm/min，切削深度0.02mm时，刀具寿命达到10小时以上，加工表面粗糙度达Ry1μm以内。该立铣刀前角为负值，切削刃形状经过特殊设计，在高速回转时，具有良好的抗冲击性能。
　　钻头的小直径化进展很快。住友电工公司推出一种MDSS型硬质合金钻头，最小直径仅为φ30μm，最大加工深度为2D。该公司还生产一种φ0.2mm的硬质合金钻头，最大加工深度高达1OD(D为钻头直径)。
　　随着印刷电路板配线的高密度化和微型化，超小直径PCB钻头的开发得到进一步重视。目前φ0.1～φ0.2mm的PCB钻头使用已较广泛，有一部分特小直径PCB钻头(φ0.075～φ0.05mm)已开始使用。众所周知，人的头发粗细大致为φO.1mm，注射针头的内经约为0.4mm，互相对比可知，φ0.05mm的PCB钻头比头发丝还细小。
　　在微小直径钻削加工中，除必须选择适宜的机床外，还应特别注意以下问题：导向孔的形状与精度、高速回转(φ0.2mm钻头的转速在30000r/min以上)条件下工具的振摆精度、间断进给次数及重复精度等。这些因素都是进行稳定切削所必须具备的条件，在微细钻削加工中，稍有疏忽，便会严重影响加工效果。
　　预计，今后对微细形状加工所用刀具的需求将迅速增长，随之，对此类刀具及相关设备的开发也会受到高度重视。已开发出一种高速主轴头，将其装配在加工中心等机床上，即可实现高速回转，这对微细形状切削加工是极为有利的，目前，这类主轴头已批量投放市场。UNION公司推出一种测量刀具刃尖振摆精度的随机测量装置，该装置可在刀具回转的情况下进行测量，这对判断切削过程中刀具的振摆精度极为方便。这些相关装置的开发与利用，为高效率高精度微细形状切削加工的有效进行，提供了更为便捷的途径。
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