日本的刀具材料發(fā)展及切削技術(shù)行情分析

日本的生產(chǎn)技術(shù)雖然在世界上處于領(lǐng)先地位，但面對經(jīng)濟(jì)全球化、技術(shù)的快速發(fā)展以及激烈的市場競爭，為了保持其優(yōu)勢地位，日本的機(jī)械制造業(yè)和工具行業(yè)正在制訂新的企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，大力發(fā)展先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)和新型機(jī)床及工具系統(tǒng)。目前，正重點(diǎn)發(fā)展CNC多功能復(fù)合切削加工、高速銑削加工、超精密/微細(xì)切削加工等先進(jìn)技術(shù)以及與此相適應(yīng)的機(jī)床和工具系統(tǒng)。

　　1．可簡化工序提高效率的CNC多功能復(fù)合切削技術(shù)

　　CNC多功能復(fù)合切削用機(jī)床由加工中心和刀具主軸可作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的轉(zhuǎn)塔式刀架構(gòu)成，具有刀具旋轉(zhuǎn)、分度和自動換刀等多種功能。因此，當(dāng)進(jìn)行車削加工時(shí)，由于機(jī)床具有刀具旋轉(zhuǎn)和多軸控制功能，能在一道工序完成多種形狀的加工，從而可簡化加工工序，實(shí)現(xiàn)工序的集約化。在切削加工模具零件時(shí)，可在一道工序中完成過去需數(shù)道工序才能完成的金屬模具各種孔、溝槽和三維形狀型腔及陽模的加工，不僅簡化了工序，還能減少多次裝夾工件產(chǎn)生的誤差，實(shí)現(xiàn)高精度高效率加工，減少生產(chǎn)場地面積。多種CNC多功能復(fù)合刀具及專用設(shè)備工具系統(tǒng)在市場已有銷售。近年來正積極開展工具系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，如可與加工中心通用的、以HSK刀柄為基礎(chǔ)的工具系統(tǒng)已納入ISO標(biāo)準(zhǔn)化研究工作中。這些工具系統(tǒng)能夠適應(yīng)可充分發(fā)揮多軸控制功能的多種形狀加工，也能實(shí)現(xiàn)工具種類的集約化。與過去的工具系統(tǒng)功能不同的新型工具系統(tǒng)正在不斷面市。

　　但是，CNC多功能復(fù)合切削加工還是一門較新的技術(shù)，仍有許多課題需要研究，如完善多軸控制CNC程序，工具系統(tǒng)的開發(fā)，適用的加工形狀，加工精度的提高，刀具的選擇方法和使用技術(shù)等。例如，需要研究開發(fā)利用刀具的三維形狀數(shù)據(jù)來模擬判定機(jī)械干涉的功能，通過復(fù)雜動作多軸控制切削預(yù)測，能夠防止刀具與夾具等發(fā)生干涉。此外，需要構(gòu)建最佳刀具的選擇、開發(fā)以及刀具軌跡和切削條件等數(shù)據(jù)庫，形成高新加工技術(shù)。

　　2．高速銑削加工技術(shù)

　　高速銑削加工是一種在小切深、高轉(zhuǎn)速、快進(jìn)給條件下進(jìn)行銑削的加工方法。由于切削刃所承受的切削力小，因此是易產(chǎn)生加工變形的薄壁零件及高硬鋼件等的最佳切削方式。高速銑削是突破了對常規(guī)切削中刀具選擇和切削條件的認(rèn)識而開創(chuàng)的一種新的切削領(lǐng)域。在合理設(shè)定切深量的高速銑削中，切削速度的提高降低了刀具切削刃與工件切削點(diǎn)的熱影響，有利于延長刀具使用壽命，顯著改善已加工面表面粗糙度，提高零件加工精度。
　　試驗(yàn)證明，在小切深、快進(jìn)給條件下用涂層硬質(zhì)合金立銑刀高速銑削高硬鋼時(shí)，刀具切削刃的切削軌跡能真實(shí)復(fù)映在已加工表面上，從而可獲得接近理論粗糙度的優(yōu)質(zhì)表面。因此，在加工高硬度鋼件時(shí)，高速銑削條件與最佳刀具切削軌跡的合理組合是實(shí)現(xiàn)以銑代磨的關(guān)鍵。

　　在推廣應(yīng)用高速銑削加工的同時(shí)，切削加工技術(shù)也不斷朝著更高的水平發(fā)展，通過進(jìn)一步優(yōu)化CAD/CAM，生成更高水準(zhǔn)的NC數(shù)據(jù)，可開發(fā)出更先進(jìn)的切削刀具和工具系統(tǒng)。

　　3．超精密/微細(xì)切削加工技術(shù)

　　用于電子設(shè)備、醫(yī)療器械等領(lǐng)域的高附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)倍受關(guān)注，加工這些產(chǎn)品需要應(yīng)用超精密/微細(xì)切削加工技術(shù)。根據(jù)上述需求開發(fā)的CNC超高速加工中心在3根主軸上各裝有2臺線性電機(jī)，分別作相對運(yùn)動（控制加速度）以抑制驅(qū)動時(shí)的振動。 

　　主軸上裝有φ0.1mm以下的微型刀具，其轉(zhuǎn)速達(dá)到120000～200000r/min，主軸采用空氣靜壓軸承，在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)能將推力方向的熱位移控制在亞微米范圍內(nèi)，以確保微型刀具實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高精度切削。微型刀具自動裝卸系統(tǒng)在刀夾入口處的夾持精度可保持在1μm以下，此外還配置有刀具自動檢測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)長時(shí)間穩(wěn)定的連續(xù)切削加工。為了充分發(fā)揮CNC超高速加工中心的功能，立銑刀等刀具的微型化及長壽命的切削性能至關(guān)重要。目前的發(fā)展現(xiàn)狀是：涂層硬質(zhì)合金立銑刀和CBN立銑刀的最小直徑已達(dá)到φ0.1mm。由于微細(xì)切削加工零件很難進(jìn)行修正，因此要求所用刀具應(yīng)具有較長工作壽命，可以預(yù)見，具有長壽命特性的CBN立銑刀的應(yīng)用今后將不斷擴(kuò)大。

　　4．新型刀具涂層材料

　　上世紀(jì)90年代中期開發(fā)成功的（Ti，Al）N涂層硬質(zhì)合金刀具對高速切削加工和高硬材料加工作出了重要貢獻(xiàn)，但這些涂層在抗高溫?cái)U(kuò)散性能、潤滑性能等方面還不夠理想。最近，研發(fā)成功了號稱跨世紀(jì)水平的CrSiN、TiSiN、TiBON等新型刀具涂層材料。
　　日本的島順彥等開發(fā)了添加B、O元素的TiBON系列涂層材料，與（Ti，Al）N涂層相比，其涂層刀具的前刀面在高溫下鐵元素?cái)U(kuò)散極少，顯示出優(yōu)良的潤滑性能，切屑不粘刀；在富氧氛圍中使用TiBON涂層硬質(zhì)合金刀具時(shí)，涂層的潤滑效果更為顯著，延長了刀具使用壽命，這是因?yàn)樵诟谎醴諊猩傻难趸锞哂辛己脻櫥阅艿慕Y(jié)果。這種利用富氧氛圍生成氧化物以消除或減少粘刀，延長刀具壽命和提高加工質(zhì)量的方法適用于鈦合金及718鎳鉻鐵耐熱合金的切削加工。在富氧氛圍和不加冷卻液條件下，用TiBON涂層硬質(zhì)合金立銑刀加工718鎳鉻鐵耐熱合金時(shí)，取得了改善粘刀和減少刀具磨損的良好效果。