1891年,德國弗戈出版公司成立,歷經119年的發(fā)展，目前成為擁有20多家子公司的國際專業(yè)媒體集團，為機械、汽車、電子、化工、制藥、包裝、塑料和實驗與分析等行業(yè)提供100多種紙介期刊,1998 年中國機械工業(yè)信息研究院與德國弗戈工業(yè)媒體集團合資成立了北京弗戈，并首先引進了德國百年歷史的MM同信息院出版的《機電信息》版權合作。2002年更名為 MM《現(xiàn)代制造》——中國工業(yè)領域唯一的一本國際合作了解世界先進制造技術的周刊。2010 年經過認真細致的籌備，“線，而MM《現(xiàn)代制造》也成為我國了解世界先進制造技術的一本專業(yè)刊物。
本文為該周刊為紀念發(fā)行15周年的?？?，通過該文我們可以了解到目前國際上先進制造技術的現(xiàn)狀和趨勢。
高效加工刀具的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
作者：姚英學 哈爾濱工業(yè)大學
高效加工刀具的概念
高效加工刀具是可以提高單位時間的金屬切削率、減少機床非切削的輔助時間，這就要求高效刀具具有切削速度高、切削用量大、加工精度高、穩(wěn)定性好、多工序復合、換刀時間少等特點。高效加工刀具是相對而言的，須視使用環(huán)境及場合而定，適合的才是高效的，高效加工刀具不僅僅是高速刀具，而是在合適的場合下有針對性地使用才能發(fā)揮其效率，它需要合適的加工對象、加工設備、操作人員和工藝管理，才能達到高效加工的效果。
高效先進刀具是制造業(yè)提高生產效率的最重要和最活躍的因素之一。發(fā)達國家大量使用高效刀具，平均刀具費用約占制造成本的4%，采用高效先進刀具可明顯提高切削加工效率，可使零件生產成本下降10% ～ 15%。高效加工刀具的結構與工藝
1. 可轉位刀具結構
可轉位刀具的研究已有幾十年，但大面積應用則是近十幾年的事，主要得益于定位精度的提高和夾緊機構的發(fā)展。Sandvik Coroment 公司專為解決可轉位玉米銑刀受軸向力導致刀片松動的問題而開發(fā)了iLock 接口技術（如圖1），改變了刀片與刀片槽底面的接觸方式，有效消除了軸向力所帶來的不利影響。CoroMill 345 高性能多刃面銑刀（圖2）采用了刀片與刀墊間獨特的定位結構，使刀片與刀墊間的定位和支撐更加安全可靠，且降低切削噪音。Seco 公司的飛流系列刀具（Jetstream Tooling）（圖3）是一種將高壓冷卻液直接射向刀片切削區(qū)的高性能可轉位刀具系列，這種高壓的冷卻液射流可把切屑抬離前刀面，并使切屑彎曲、折斷或成為更小、更可控的碎片，高壓冷卻液在降低切削溫度的同時，射流的壓力場還有助于迅速地把切屑排出切削區(qū)，在加工鈦合金Ti6Al4V 時，Seco 公司的飛流系列刀具（Jetstream Tooling）能使切削速度提高50％，加工節(jié)拍縮短50％，刀片消耗減少60％，具有極佳的切屑控制性能并改善加工表面粗糙度。
圖1 iLock 接口技術 圖2 CoroMill 345 多刃面銑刀 圖3 Jetstream 刀具
通過增加刀刃齒數(shù)來提高加工效率是可轉位銑刀技術創(chuàng)新的一個重要方面。如美國Valenite 公司推出的三齒機夾球頭銑刀V420（圖4）在每齒進給量不變的情況下，將進給速度提高了50％，將加工效率提高了33％，此項創(chuàng)新是曲面銑削加工的一次技術突破。通過采用多邊形刀片、增加單個刀片的刃口數(shù)，可降低可轉位刀片的使用成本，如日本泰珂洛（Tungaloy）超硬工具公司則將可轉位面銑刀的刀片刃數(shù)增加到了16 個刀刃；以色列ISCAR 公司則推出的雙面八角形刀片，用于各種面銑刀（圖5），刀片可提供2×8 次轉位，大大提高了刀片使用的經濟性。
2. 整體硬質合金刀具 硬質合金的產生已經有80 多年的歷史，它使金屬切削加工的效率提高了100 倍以上，但在上個世紀80 年代以前，復雜刀具基本上是高速鋼的一統(tǒng)天下，上世紀80 ～90 年代以來，超細硬質合金的出現(xiàn)、粉末冶金技術的進步、硬質合金可加工性的改善、數(shù)控磨削技術的發(fā)展，有力地促進了整體硬質合金刀具的研究、生產與應用。目前，從小型刀具看，已能制造直徑1 mm 以下的硬質合金銑刀和鉆頭，φ1mm 以上的鉆頭、M2 以上的絲錐已大批量生產和使用；在大直徑刀具方面，已能制造直徑30 ～40mm的銑刀、齒輪刀具等復雜刀具。一些復雜結構、復雜曲面的整體硬質合金刀具（如汽輪機隼槽銑刀、齒輪滾刀等）的使用，大大提高了一些復雜零件的生產效率。ISCAR 公司的FINISHRED 精加工波形刃立銑刀（圖6）將粗銑刀和精銑刀綜合到了一把刀上，它同時具有兩個螺旋波形粗加工刃和兩個螺旋光滑精加工刃，可用粗加工的切削參數(shù)，得到精加工的表面質量，一把銑刀代替了過去的粗、精兩把銑刀。RF100 系列錯齒不等分螺旋槽高性能整體硬質合金銑刀，其螺旋角被設計成35?～38?、且不等分分布，從而提高了刀具加工時的抗震性能。日本歐士機（OSG）公司推出了TRS三刃整體硬質合金鉆頭（圖7）、NEO 不等距導程整體硬質合金銑刀等一系列新型整體硬質合金高效加工刀具。有的整體硬質合金刀具采用獨特的4刃槽型截面設計和具有防振功能的外刃設計，能降低加工中的振幅，適用于剛性較弱的薄板加工。
內冷卻技術應用于整體硬質合金刀具是一項突破性工作。一些小直徑麻花鉆也采用和內冷卻方式。ISCAR 公司的CHAMDRILL-FF 大進給變色龍系列鉆頭，整體硬質合金的可換刀頭均帶有內冷卻孔，使鉆孔加工的冷卻更佳，排屑更流暢，能承受更大的扭矩。BAYOT-REAM 卡口式鉸刀，帶內冷卻水孔，接口為特殊的帶槽反錐＋螺紋的聯(lián)接結構，內冷卻液可直接噴射到切削刃上，可使鉸孔加工的精度和加工效率大大提高。
3. 切削部結構 刀具切削部分的結構對刀具切削性能具有至關重要的影響，也是刀具設計制造中最活躍、最能發(fā)揮創(chuàng)造性的地方，具有“微小之處見功夫”的特點。切削部結構的改進與創(chuàng)新，極大地推動了高效刀具的發(fā)展與應用。切削部結構的改進與創(chuàng)新主要表現(xiàn)在兩個大的方面：一是利用現(xiàn)代造型技術、曲面加工技術和新型刀具材料的特點，改進、優(yōu)化通用刀具的切削部分的構型和幾何參數(shù)；二是根據(jù)被加工材料和加工條件的特點，設計制造專門化的刀具。
刀片上帶斷屑槽和修光刃，能有效地折斷切屑，防止長屑的形成，進一步提高了刀具的切削加工性能。有的超硬刀具具有不需重磨的一次性多角刀片，即在一片刀片的幾個切削角( 或上、下面) 上都焊有CBN 或PCD，可以像硬質合金可轉位刀片一樣，使用多個刀角。小徑CBN 超級球頭銑刀（圖8），其球頭部位帶月牙槽，導屑槽則為螺旋形，最小球頭半徑可達R 0.2 mm，實現(xiàn)了高硬度( 約68HRC) 模具的鏡面加工。
KRUZ 硬質合金機夾鉆（圖9）采用了被稱為“F 頂角”的140?中心刀尖角和170?副刀尖角的雙重特殊頂角，能有效定位并有效控制切屑流出，配以牢固的雙重夾緊結構，大大提高了切削速度和每轉進給量，特別適用于斜面孔、交叉孔等的高速鉆削加工。帶4 個倒棱的整體硬質合金鉆頭( 四倒棱鉆頭)，也是整體硬質合金鉆頭的一個創(chuàng)新點， Mapal 公司（圖10）設計的四導棱鉆頭在提高鉆孔時鉆頭的穩(wěn)定性、防止顫刀。KUB-Centron 齒冠鉆頭（圖11），其標準設計的長徑比最大為9。刀桿上特殊設計的排屑槽保證了排屑暢通，并有足夠的剛性，鉆桿與可交換的齒冠采用一種新型的連接結構，可傳遞更大的扭矩并保證很好的定心，精確的定心使中心鉆和刀片壽命大大提高。
新生產的刀具在第一次加工使用時會產生崩刃，經過倒鈍處理過的刀具可以基本上避免上述問題，倒鈍技術德國已被廣泛使用，德國奔馳汽車公司一臺加工中心，使用各種鉆銑刀具80 余把，原使用未經過倒鈍處理刀具，加工100 h 后，需將全部刀具更新；使用經過倒鈍處理過刀具后，加工工時延長到240 h。
針對行業(yè)所開發(fā)的專用高效刀具的結構變得越來越復雜，可實現(xiàn)的加工功能越來越多，一些刀具可實現(xiàn)的動作甚至代替了機床，使刀具變成了一臺復雜的機械裝置，從而成為革新加工工藝、提高加工效率、節(jié)省投資的重要工藝因素。Valenite 公司的氣動控制自動補償氣缸孔鏜刀（圖12），實現(xiàn)了在加工中心上尺寸自動補償，達到加工尺寸自動控制的目的。
圖9 KRUZ 機夾鉆 圖10 四導棱鉆頭 圖11 齒冠鉆頭
4. 復合多功能刀具 多功能復合刀具可以有效減少零件加工工序和機床換刀與空行程時間，是發(fā)展高效刀具的有效途徑。DR 多功能鉆頭（圖13），一把刀具即可完成鉆削、內孔車削、端面車削、外圓車削多種加工，縮短了生產周期，減少了刀具的采購數(shù)量。哈爾濱汽輪機廠生產國內首臺60 萬kW 超臨界汽輪機組時，在高合金鋼上加工大直徑深孔，采用了肯納金屬公司的一種新型復合鉆，使加工1 個孔的工時從6.7 h 縮短到0.5 h。在高速加工中心上，現(xiàn)采用新的“圓周螺旋銑削”，實現(xiàn)了傳統(tǒng)復合刀具難以完成的1 次鉆銑螺孔、倒角和切槽，擴大了復合刀具的使用范圍，大大提高了加工效率
圖12 自動補償氣缸孔鏜刀 圖13 DR 多功能鉆頭
數(shù)控工具系統(tǒng) 切削加工的數(shù)控工具系統(tǒng)是現(xiàn)代切削技術不可缺少的組成部分，對切削技術的進步起著重要的作用，已成為現(xiàn)代工具產品的一部分。目前，HSK 刀柄的應用更加普及，各類帶HSK 刀柄的工具在我國的汽車工業(yè)、航空航天工業(yè)、模具制造業(yè)、氣輪機制造業(yè)等行業(yè)得到了廣泛的應用。日研公司和大昭和公司分別開發(fā)了三處接觸(3LOCKSYSTEM) 和雙面接觸(BIGPLUS) 兩種7:24 連接刀柄，與現(xiàn)有的7:24 刀柄比較，它們有更高的連接剛性和精度，可用于高速、高效切削，并且還能與現(xiàn)有的7:24 刀柄或機床兼容，減少了新增的工具費用。日研工作所結合該公司三處接觸刀柄技術發(fā)展了內置振動吸收裝置的超級減振刀柄——MAJORDREAMHOLDER，通過內部安裝的特殊振動吸收裝置，吸收機床主軸的微量跳動和振動，達到有效降低高速旋轉時的振動和噪聲的效果，從而獲得高的金屬切除率及很好的表面質量，可提高刀具壽命1 ～4 倍。在夾緊部位方面，各種各樣的高效、高性能工具夾頭得到廣泛應用。
一些刀具公司研制開發(fā)了液壓夾頭、熱裝夾頭、壓入式夾頭等各種刀具夾緊系統(tǒng)。如日本日研工作所開發(fā)的PF 壓入式系列刀柄，也實現(xiàn)了端面接觸，卸刀時采用專門裝置把刀具頂出；Sandvik Coroment 公司開發(fā)了CoroGrip液壓驅動夾頭；Biltz、Zoller 等數(shù)家公司開發(fā)了熱裝夾頭及加熱裝置，新推出的加熱夾頭裝置（圖14）都加快了冷卻的速度，有的還增加了軸向可調的機構，并與對刀儀結合在一體，提高了加熱夾頭裝刀的軸向精度。德國Schunk 公司開發(fā)的高精度細長型及高阻尼粗壯型液壓夾頭、力變夾頭、應力鎖緊式夾頭。哈量集團收購的德國Kelch 公司開發(fā)了“i-tec-Slott”熱裝夾頭。與普通熱裝夾頭要求刀柄公差為h6 相比，新的“i-tec-Slott”夾頭可把刀柄公差放寬到h9，而且不論是結構鋼的刀柄還是高速鋼或硬質合金刀柄，刀具均可被一個收縮套牢固地把持，此夾頭可明顯地提高傳遞的扭矩和夾緊的剛性，而且有很好的裝夾精度，提高了刀具的壽命，降低了加工的成本。德國雄克（Schunk）公司推出的Lss 超細長指狀刀具夾頭，適用于難加工的部位如型腔的深部加工，其夾持部位的長度達到200 mm，端跳在6 μm 以內，具有良好的阻尼減振特性，適用于鉆、鉸和銑削加工，其動平衡指標達到G6.3/15000 rad。SINO-R 減振型強力刀具夾頭是基于創(chuàng)新的膨脹夾持技術，使用固態(tài)的彈性體作為壓力介質，用“C”形扳手使夾緊套沿軸向壓緊，與此同時彈性體壓迫膨脹壁，從而起到夾緊作用。該刀具夾頭可承受高達850 Nm 的扭矩，采用減徑套可夾持不同直徑的刀具，并具有軸向長度調節(jié)功能，刀具動平衡也滿足G6.3/15000 轉的指標，夾持孔同心度≤0.005 mm。刀具的動平衡是高速銑削刀具的重要指標，為此，德國的HAIMER 和意大利的CEMB 等公司，根據(jù)對刀具動平衡的要求開發(fā)了專用的動平衡儀（圖15），可實現(xiàn)全自動的刀具動平衡測量，并可根據(jù)需要作一個平面或兩個平面的不平衡測量，設定平面的位置，還可通過更換主軸接頭測量不同刀柄的刀具。目前，安全性技術已被世界上著名的工具制造廠家所采用某些精加工高速銑刀的不平衡質量已達到G2.5 級，平衡性比G40 高很多，而美國平衡技術公司推出的刀具動平衡機甚至可平衡到G1.0 級。現(xiàn)代高效刀具的核心價值所在，是幫助制造業(yè)提高質量和效率，從而提升競爭能力。我國現(xiàn)在正在從制造大國走向制造強國，國內制造業(yè)擁有的高速高效數(shù)控機床和加工中心正在迅速增加，需要大量的先進高效加工刀具。個性化的高效加工刀具今后將逐步成為市場的重要組成部分。
圖14 熱夾緊裝置 圖15 刀具專用動平衡儀
目前我國生產中需要的現(xiàn)代高效刀具的絕大部分來自進口刀具和外資刀具企業(yè)。國內工具制造企業(yè)應改變理念、重視積累，夯實基礎、強化服務，重視生產高效專用刀具和為生產服務，滿足現(xiàn)代制造業(yè)提出的“高精度、高效率、高可靠性和專用化”的刀具技術和產品需求。
