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1、 欢迎阅读本文档，希望本文档能对您有所帮助!先进刀具使用现状和未来发展趋势摘 要：本文描述了刀具在制造业切削加工中的作用，介绍了我国工具工业的发展概况，从多个方面详细介绍了新型刀具技术，着重讲述了新型高效刀具在我国机械制造业中的应用已经未来的发展趋势。关键词：先进刀具 刀具技术 工具工业1 刀具在切削加工中的重要性金属切削加工是用刀具从工件表面切除多余的金属材料，从而获得在几何形状、尺寸精度、表面粗糙度及表面层质量等方面均符合要求的零件的一种加工方法。其核心问题是刀具切削部分与工件表层的相互作用，即刀具的切削作用和工件的反切削作用。这是切削加工中的主要矛盾，而刀具的切削作用则是矛盾的主要方面。
2、切削刀具是支撑和促进切削加工技术进步的关键因素。近年来，高速高效数控机床的广泛应用使现代切削加工技术发展到了一个新的阶段，先进高效刀具的应用是使昂贵的数控机床充分发挥其高效加工能力的基本前提之一。刀具是切削加工的基础工艺装备之一，刀具的性能和质量直接影响到切削加工效率的高低和加工质量的好坏，直接影响到整个机械制造业的生产技术水平和经济效益。采用先进刀具，适当地增加刀具费用的投入，是制造业提高劳动生产率和企业竞争力的有效手段，是我国制造业当前必须重视的问题。切削机床的快速发展为现代制造业的发展提供了基本的前提和技术保障，但无论是什么样的金属切削机床，都必须依靠与工件直接接触、从工件上切除材料的刀
3、具才能发挥作用。刀具性能和质量直接影响到切削机床生产效率的高低和加工质量的好坏，直接影响到整个机械制造业的生产技术水平和经济效益1。2 我国工具工业的发展情况我国2005年消费刀具约17亿美元。2006年消费刀具约20亿美元，其中进口刀具约10亿美元。2007年工具工业空前高速发展，销售收入增加达28左右。2008年前三季度工具工业仍继续高速发展，增长超过20，l0月以后下滑明显，但全年增长仍在12以上。受世界经济危机影响，2009年上半年工具工业继续下滑，但7-8月以后整个经济形势已开始回暖，工具工业亦已逐步好转。近年我国工具工业虽也有不小发展，但远落后于机床业的发展。生产中使用的高效先进刀
4、具，大部分从国外进口(含外资企业在中国生产的刀具)。我们现在也出口不少刀具，但主要是廉价低档的标准刀具。2004年我国生产刀具约25亿件，其中20亿件是廉价低档刀具(大部分出口)，这以后几年出口的仍基本是中低档刀具。在美国市场上中等规格麻花钻，每个价约10美元，而中国市场上生产的低档麻花钻价仅1美元，且仅被用作手工工具。我国现在有世界第一的汽车工业，但汽车工业从国外引进的高效生产线，所用的刀具80一90至今仍是进口刀具(含国内生产的外资企业产品)。现在我国刀具生产供销情况是，高端先进刀具产品主要依靠进口，而低档刀具产品恶性膨胀(大部分出口)，这种情况必须尽快改变。我国机械制造业生产中大量使用标
5、准刀具，而发达国家则大量使用高效先进刀具，这就致使我国加工效率远低于发达国家。我国工具厂仍大量生产传统标准刀具，一些小工具厂还大量生产低档刀具。据统计，我国消耗全世界40的工具材料，销售收入却只占全世界工具业的12-15。发达国家工具企业的毛利率都在40左右，而我国工具厂的利润很低，部分工具厂还在亏损。从机械制造业的技术发展趋势来看，今后我国工厂中的高效数控机床的比重将逐年增加，高效先进刀具的需求量将随之迅速增加，而传统标准刀具的需要量将逐年减少。此外，由于我国人工成本增加，中低档的标准刀具出口的价格优势将逐渐丧失，出口量必将随之减少。如工具企业仍以生产传统标准刀具为主，则销售量必将逐渐萎缩发
6、展堪忧(一些民营的小工具厂大量生产传统标准刀具，大工具厂因成本较高，无法竞争而逐渐失去这部分市场)。因此，我国的工具工业必须改变理念，大力发展高效先进刀具的生产，重视售后生产服务，用国产高效先进刀具代替国外产品，夺回被进口刀具占有的这部分市场。只有这样，我国的工具企业才有发展前途，我国的工具工业才能得到振兴。中国机床刀具现状：中高端刀具市场被国外刀具公司占领，这些刀具的技术附加值和利润率远远高于低端刀具；国内刀具公司主要在低端刀具市场，主要靠价格竞争；国外刀具公司往往为客户提供解决方案，捎带销售刀具产品：国内刀具公司基本不具备提供解抉方案的能力，单纯销售产品；由于国内刀具公司发展潜力以及待遇等
7、因素，刀具人才主要集中在国外刀具公司2。3 新型刀具技术采用新型刀具实现高效、优质、低成本生产是现代企业提高经济效益的重要途径。刀具材料的改进是刀具技术发展的主线。在现有刀具材料的基础上，通过刀具几何设计改善切削状态也是生产实践中行之有效的方法。CIRP公布的一项研究报告指出：“由于刀具材料的改进，刀具许用切削速度每隔10年提高1倍；而由于刀具结构和几何参数的改进，刀具寿命每隔10年几乎提高2倍。”采用新型刀具材料可以提高刀具的切削性能，而优化刀具切削部分的几何形状则能充分发挥新型材料的威力。现代刀具不仅应能满足高速切削、干式切削、硬切削、复合切削加工等先进切削技术的需要，而且对产品功能的多样
8、化、结构的合理化、外观造型的美观等方面也提出了更高要求。但令人遗憾的是长期以来刀具的设计主要依靠经验，依靠尝试法(try-and-error)，这种方法效率低、开发周期长，显然已经阻碍了新型刀具的开发和使用，满足不了先进切削加工技术的需求，迫切需要先进的刀具设计技术。刀具结构、刀具材料、涂层技术的创新推动着切削加工技术的快速发展。通过介绍了刀具结构设计、刀具材料和刀具涂层技术的新进展，指出先进刀具发展的方向，以促进先进刀具的开发与合理使用，为提高制造业的加工效率发挥应有的作用。3.1 刀具结构设计技术刀具结构设计的特点是空间角度计算难，形状复杂绘图难，形状相同尺寸繁。随着粉末冶金技术、模具制造
9、技术、五轴联动数控刃磨技术的高度发展，现代金属切削刀具的切削部分已可加工成十分复杂的形状。因此，刀具厂家不断创新，采用先进的设计技术和专业应用软件进行刀具设计。为建立复杂形状刀具的三维模型，研究者们采取了2种建模方法：一是综合法，即等效刀刃法；二是分解法，即微分刀刃法，并将计算机辅助设计(CAD)技术应用于刀具的设计。目前，应用较多的CAD软件主要有UG、Pro/E、IDEAS等几种，有的CAD软件经过企业的二次开发，其适用性进一步提高。这些软件集三维实体造型、平面绘图、工程分析、数控加工、零件组装等模块于一体，形成较完整的刀具设计软件系统，具有较强的实体造型与编程功能。计算机辅助设计使得刀具
10、的设计、计算简便，免去刀具复杂图形的绘制，并能参数化快速设计刀具，有利于提高刀具的设计水平。应用工程分析技术(如有限元)对刀具强度进行数值模拟分析，可较精确地掌握刀具上各点的受力情况，了解刀具内部应力、应变及温度的分布规律，获得应力、应变及温度分布图，并方便地找出危险点。该方法可为改进刀具受力情况、合理设计刀具结构以及对刀具进行失效分析提供理论依据，为刀具强度和寿命的分析计算提供一种新方法。五轴联动数控工具磨床功能的实现使立铣刀、钻头等通用刀具的几何参数进一步多样化，改变了标准刀具参数千篇一律的传统格局，可适应不同的被加工材料和加工条件，切削性能也相应提高。3.2 刀具材料大力推广使用新刀具材
11、料的刀具。刀具材料是刀具工业的基础，刀具材料的发展对刀具切削性能的提高，起着决定性影响，近年来刀具材料发展极为迅速，刀具材料性能的提高和新刀具材料的使用，使切削效率大大提高。现代刀具材料主要有高速钢、硬质合金、陶瓷、超硬材料(立方氮化硼CBN、金刚石)等，其中每一类又分为很多种。其中高速钢和硬质合金的使用量在90以上。目前中国生产高速钢5-6万吨，占全世界的1/4-l/3；中国生产硬质合金l.5万吨,占全世界的1/4。中国刀具材料的生产数量世界第一，但是质量属于二流水平。预期在本世纪刀具和刀具材料的技术含量、质量水平和品种数量等方而都将有较大的发展，加工对象的新要求推动了刀具材抖的新发展，科学
12、技术的进步使刀具材料的发展成为可能，但同时刀具材料的发展必定受原料资源的制约。图1 切削刀具材料天然金刚石是最昂贵的刀具材料，由于天然金刚石可以刃磨成最锋利的切削刃，主要应用在超精密加工领域，如加工微机械零件、光学镜面、导弹和火箭中的导航陀螺、计算机硬盘芯片等。人工合成单晶金刚石刀具有很好的尺寸、形状和化学稳定性，主要用来加工木材，如加工高耐磨Al2O3，涂层的木地板。聚晶金刚石是以钴作为粘结剂，在高温高压下(约507MPa，几千摄氏度)由金刚石微粉压制而成的。聚晶金刚石刀具具有优异的耐磨性，可用来切削有色金属和非金属材料，精加工难加工材料，如硅铝合金和硬质合金等。立方氮化硼(CBN)与聚晶金
13、刚石一样，也是在高温高压下人工合成的，其多晶结构和性能也与金刚石类似，具有很高的硬度和杨氏模量，很好的导热性，很小的热膨胀，较小的密度，较低的断裂韧性。此外，立方氮化硼具有卓越的化学和热稳定性，同铁族元素几乎不发生反应，这一点要优于金刚石。因此，加工黑色金属时多选用立方氮化硼而不用金刚石。不含粘结相的CBN正在研制当中，通过控制合成条件使CBN颗粒更微细，微细颗粒的CBN即使在高温下也具有高热导率、极高热稳定性、高硬度和高强度。无粘结相CBN可望成为下一代刀具材料。氧化铝基陶瓷具有良好的化学稳定性，与铁系金属亲和力很小，因此不易发生粘结磨损。氧化铝基陶瓷刀具在高速切削钢时具有比氮化硅陶瓷刀具更
14、优越的切削性能。氮化硅基陶瓷刀具主要用于高速加工铸铁。赛阿龙陶瓷刀具具有较高的强度、断裂韧度、抗氧化性能、导热率、抗热震性能和抗高温蠕变性能。但是热膨胀系数较低，不适合加工钢，主要用来粗加工铸铁和镍基合金。为了进一步改进陶瓷刀具加工新材料时的切削性能和抗磨损性能，研究人员开发了碳化硅晶须增韧陶瓷材料(包括氮化硅基陶瓷和氧化铝基陶瓷材料)，增韧后的陶瓷刀具高速切削复合材料和航空耐热合金(镍基合金等)时的效果非常好，但不适合加工铸铁和钢。TiC（N）基硬质合金（即金属陶瓷）密度小，硬度高，化学稳定性好，对钢的摩擦系数较小，切削时抗黏结磨损与抗扩散磨损的能力较强，具有较好的耐磨性。金属陶瓷刀具适于高
15、速精加工碳钢、不锈钢、可锻铸铁，可以获得较好的表面粗糙度。陶瓷、立方氮化硼和聚晶金刚石等，近年发展迅速。陶瓷刀具材料采用超细微粉和部分纳米微粉，加入SiC晶须，采用新烧结工艺等，使陶瓷刀具材料的强度和韧性得以大幅度提高，国外应用日广，切削速度可比硬质合金提高数倍，大大提高加工效率，在德国，已有约70的铸件用陶瓷刀具加工，日本陶瓷刀具的年消耗量已占刀具总量的8-10。立方氮化硼的硬度高达8000-9000HV，耐高温达1400，可高效加工冷硬铸铁，和HRC50以上的淬火钢。超硬刀具材料在我国制造业中用得还较少，应加强发展推广使用。图2 刀具材料发展和应用的基本趋势国外近年来发展了多种新成份、新牌
16、号的硬质合金，发展了高强度高韧性的0.5-1m超细颗粒的硬质合金，开发了多种新涂层硬质合金，使硬质合金的切削性能显著提高，扩大了硬质合金应用领域。现代高效先进刀具，大部份是硬质合金刀具。我国“钨”资源是全世界第一，钨制品和硬质合金产量也是世界第一。但必需承认，目前国产的硬质合金质量和国外产品相比，有很大差距，国内制造业用的高效先进硬质合金刀具，主要依靠进口。硬质合金刀具材料的问世，使切削加工水平出现了一个飞跃。硬质合金刀具能实现高速切削和硬切削。为满足各种难加工材料的切削要求，开发了许多硬质合金加工技术，研制出多种新型硬质合金，方法是：采用高纯度的原材料，如采用杂质含量低的钨精矿及高纯度的三氧化钨等；采用先进工艺，如以真空烧结代替氢气烧结，以石蜡工艺代替橡胶工艺，以喷雾或真空干燥工艺代替蒸汽干燥工艺；改变合金的化学组分；调整合金的结构；采用表面涂层技术。研制出的新型硬质合金有
