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毕业论文 数控刀具技术现状及发展趋摘要人类社会迈入21世纪的时候，从世界范围看，我们正处于制造技术快速发展的时期。切削加工作为制造技术的主要基础工艺，随着制造技术的发展，在20世纪末也取得很大进步，进入了以发展高速切削、开发新的切削工艺和加工方法、提供成套技术为特征的发展新阶段。它是制造业中重要工业部门，如汽车、航空航天、能源、军事、模具、电子等的主要加工技术，也是这些工业部门迅速发展的重要因素。因此，在制造业发达的美、德、日等国家保持着快速发展的势头。金属切削刀具作为数控机床必不可少的配套工艺装备，在数控加工技术的带动下，已进入“数控刀具”的发展阶段，显示出“三高一专”（即高效率、高业度、高可靠性和专用化）的特点。关键词数控刀具 刀具材料 高速加工技术 涂层材料一、引言当前，以高速切削为代表的干切削、硬切削等新型切削工艺已经显示出很多的优点和强大的生命力，这是制造技术为提高加工效率和质量、降低成本、缩短开发周期对切削加工提出的要求。因此，发展高速切削等新型切削工艺，促进制造技术的发展是现代切削技术发展最显著的特点。当代的高速切削不只是切削速度的提高，而是需要在制造技术全面进步和进一步创新上（包括数控机床、刀具材料、涂层、刀具结构等技术的重大进步），达到切削速度和进给速度的成倍提高，并带动传统切削工艺的变革和创新，使制造业整体切削加工效率有显著的提高。硬切削是高速切削技术的一个应用领域，即用单刃或多刃刀具加工淬硬零件，它与传统的磨削加工相比，具有效率高、柔性好、工艺简单、投资少等优点，已在一些应用领域产生较好的效果。在汽车行业，用CBN刀具加工20CrMo5淬硬齿轮（60RHC）内孔，代替磨削，已成为国内外汽车行业推广的新工艺。在模具行业用CBN刀具高速精铣淬硬钢模具，采取小的走刀步距，中间不接刀，完成型面的精加工，大大减少了抛光的工作量，显著缩短了模具的开发周期，已成为模具制造业的一项新工艺。在机床行业用CBN旋风铣精加工滚珠丝杠（64CRH）代替螺纹磨削，用硬质合金滚刀加工淬硬齿轮等都显现出很强的生命力。长期以来，难加工材料如奥氏体不锈钢、高锰钢、淬硬钢、复合材料、耐磨铸铁等一直是切削加工中的难题，不仅切削效率低，而且刀具寿命短。随着制造业的发展，21世纪这些材料的用量将迅速增加，加工的矛盾将更加突出。与此同时，产品的材料构成将不断优化，新的工程材料也不断问世，而每一种新型材料的采用都对切削加工提出了新的要求。如在切削加工比较集中的汽车工业，其发动机、传动器零件中硅铝合金的比例在持续增加，并开始引入镁合金和新的高强度铸铁以减轻汽车重量，节省能耗。又如在航空航天工业，、钛合金、镍基合金以及超耐热合金、陶瓷等难加工材料的应用比例和加工难度也都将进一步增加，能否高效加工这些材料，直接关系到我国汽车、航空航天、能源等重要工业部门的发展速度和制造业整体水平，也是对切削技术的最大挑战。我们必须从21世纪初开始探索从根本上解决难加工材料大量使用及其品种性能多样化带来的世纪性难题，创新加工技术，开发包括激光在内的新“刀刃”和加工方法。刀具涂层技术自从问世以来，对刀具性能的改善和加工技术的进步起着非常重要的作用，涂层刀具已经成为现代刀具的标志，在刀具中的比例已超过50%。在21世纪初，涂层刀具的比例将进一步增加，有望在技术上突破CBN涂层技术，并且实用化，使CBN的优良性能在更多的刀具和切削加工中得到应用，甚至精密复杂刀具和成形刀具，这将全面提高加工黑色金属的切削水平。此外，纳米级超薄、超多层涂层和氮化碳等新型涂层材料的开发应用速度将加快，涂层将成为改善刀具性能的主要途径。二、数控刀具分类表： 面铣刀 立铣刀 铣刀（粗，精） 角度铣刀 成型铣刀 机夹可 三面刃铣刀 转位刀具 镗刀 孔加工 钻头 刀具 绞刀 扩孔刀具 复合刀具 车刀 拉刀 滚压刀具 工具连接柄 镗刀数控刀具 钻头 整 硬质合金 立铣刀 体 三面刃铣刀 刀 绞刀 具 复合刀具 钻头 立铣刀 高速钢 三面刃铣刀 绞刀 丝锥；板牙 滚插剃刀具，拉削刀具 单晶金刚石车刀 超硬材 聚晶金刚石车刀 料刀具 聚晶立方氮化硼车刀 陶瓷车刀 CVD，PCVD刀具 各种刀具见下图：三、数控刀具材料近年来，数控刀具材料基础科研和新产品的成果集中应用在高速（超高速）、硬质（含耐热、难加工）、干式、精细（超精）数控机加工技术领域。刀具材料新产品的研发在超硬材料（金刚石、表面改性涂层材料、基类金属陶瓷、立方氮化硼、基类陶瓷），、C类涂层和细颗粒（超细颗粒）硬质合金基体及含类粉末冶金高速钢等领域进展速度较快。 （一）超硬材料领域：金刚石（钎焊聚晶、单晶）各类刀具已迅速应用于高硬度、高强度、难加工有色金（合金）及有色金属-非金属复合材料零部件的高速、高效、干（湿）式机械切削加工行业中。其概况分述如下： 汽车、摩托车行业：聚晶、人造单晶金刚石面铣刀、镗刀、车刀、铰刀、复合（组合）孔加工等数控刀具等正大量应用于高强度、高硬度Si-Al合金零部件自动生产线上； 竹木地板、傢具行业：聚晶、厚膜沉积金刚石（复合片）立铣刀、三面刃成形铣刀、面铣刀等类刀具正大量应用于高硬度复合竹木地板、傢具及门窗等零部件自动生产线上； （二）航空、航天、汽车及电子信息技术行业：金刚石薄膜涂层数控刀具（以整体C类硬质合金刀具为主）多应用于铣削、车削、钻削、铰削及锪削加工高强度铝合金（铸、锻）、纤维-金属层板、碳纤维热塑性复合材料、镁合金、石墨、陶瓷等零部件，满足高速、高寿命、干式机加工技术要求。各厂商正不断地改进金刚石涂层工艺技术，提高金刚石薄膜与刀具基体的结合牢度和致密度； 精细（超精）机加工技术领域：单晶天然、人造金刚石刀具应用于各种精密仪器透镜、反射镜、计算机磁盘、复印机（录像机）磁鼓等工件的精细（超精、纳米级）车削加工； 单晶金刚石刀具还被应用于眼科角膜手术精细切割和印刷制板精细雕刻等行业。 各厂商正在不断改进金刚石各类刀具的刃磨工艺技术、刃磨精度及刃磨效率。 （三）表面改性涂层材料主要有：TiN、TiCN、TiALN、ALTiN、Al2O3、CrN、MoS2、等，采用计算机控制、涂层工艺技术，将上述涂层材料用于对立铣刀、铰刀、钻头、复合（组合）孔加工刀具、齿轮滚刀、插齿刀、剃齿刀、成形拉（推）刀及各种机夹可转位刀片的表面改性涂层处理（基体为高速钢、C类硬质合金、基类金属陶瓷），满足高速、高寿命切削加工高强度、高硬度铸铁（钢）、锻钢、不锈钢、钛合金、镍合金、镁合金、铝合金、粉末冶金、竹木等材质工件的生产技术不同要求。刀具表面改性涂层工艺技术对于大幅度提高数控刀具的切削性能，具有成本低、见效快的特点，该工艺技术可根据各种切削加工技术要求，机动灵活地变换涂层材料，工艺技术较优。各厂商正在不断提高涂层工艺技术、改进涂层材料及开发纳米级多功能涂层材料，旨在不断提高涂层结合牢度、耐磨性、抗冲击韧性等，尽力扩大应用范围。 （四）基类金属陶瓷（TiCN系）各种机夹可转位车刀、镗刀、铰刀、铣刀、复合（组合）孔加工数控刀具及整体式立（球头）铣刀、铰刀等数控刀具正在应用于高强度、高硬度铸铁（钢）合金、锻钢合金、淬火钢合金、耐热合金、粉末冶金零部件自动生产线上，以满足高速、高效、硬质、干（湿）式精细机加工技术要求。各厂商正采用添加不同的微量元素及烧结工艺技术，研发新型金属陶瓷材料产品，旨在不断提高其抗弯强度、抗冲击韧性、耐磨性。日本的金属陶瓷刀具已经占硬质合金刀具总量的。世界上，该类刀具应用面也呈迅速扩大的趋势。 （五）立方氮化硼聚晶复合片铣刀（面铣刀、玉米齿立铣刀、球头立铣刀）、镗刀、车刀、铰刀、复合（组合）孔加工等数控刀具（钎焊、机夹可转位两种结构形式）大量应用于高强度、高硬度铸铁（钢）合金、锻钢合金、淬火钢合金、粉末冶金等零部件自动生产线上，满足高速、高效、硬质、精细机加工技术要求。 （六）、基类陶瓷（晶须增韧类）各种机夹可转位车刀、铣刀等数控刀具应用于高强度、高硬度、耐磨铸铁（钢）、锻钢、高锰钢、淬火钢、粉末冶金、工程塑料、耐磨复合材料等零部件生产线上，满足高速、高效、硬质、干式机加工技术要求。目前，各厂商通过对、基类陶瓷材料添加不同微量元素及创新生产工艺技术，研发新型中、细颗粒陶瓷材料和功能梯度（多相）陶瓷材料产品，旨在不断提高其抗弯强度、抗冲击韧性。 （七）、C类涂层和细颗粒（超细颗粒）硬质合金材料领城： 、C类细（中）颗粒硬质合金基体材料为适应各种表面改性涂层材料的涂覆工艺技术要求添加各种微量元素，满足于各种机加工工艺技术对可转位刀片切削性能的要求而发展的；超细颗粒硬质合金基体材料研发和应用分两个方面：在电子、信息技术产业用于加工纤维-金属复合层板材料工件的微型钻头、立铣刀，其基体材料向着高韧性方向发展，表面涂覆金刚石薄膜，以增加刀具表面硬度和耐磨性；模具行业、飞机、汽轮机、汽车等制造行业，用于切削加工高强度、高硬度铸铁（钢）、锻钢、铝合金（铸、锻）、粉末冶金材料工件的整体式立（球头）铣刀、专用挤压刀具、铰刀（直径、钻头、复合（组合）孔加工刀具等数控刀具，其基体材料向着高硬度、高韧性方向发展。一般不涂层，多次重磨使用。 （八）含C类粉末冶金高速钢材料领城：以改进制粉、热压工艺、添加微量元素创新的粉末冶金高速钢（含C类）材料，制成各种成形拉刀（整体式、组合式）、高速滚刀、剃（插）齿刀、丝锥、波纹刃立铣刀、成形立铣刀及滚（挤、碾压）压刀具，大量应用于轿车、摩托车、航空发动机、汽轮机等制造行业，加工高强度、高硬度铸铁（钢）合金、合金结构钢（锻）、耐热合金钢、不锈钢、整体铝合金（热锻）、高Si-Al合金材料工件。根据切削加工技术不同的要求，其表面分别配涂TiN、TiCN、TiALN、CrN、MoS2、等涂层材料，满足高速、高效、硬质精密机加工技术要求。 数控刀具材料是较活跃的材料科技领城，其每一新产品的面市，会使机加工技术跃上一个新台阶，各厂商历来十分重视该领城的研发科技。 四、数控刀具的发展（一）概述：近年来，数控刀具的科技成果主要体现在研发一刀多切削功能、提高其刀刃切削性能方面，适应高速（超高速）、硬质（含耐热、难加工）、干式、精细（超精）切削及高效率数控机加工切削技术要求。随着零件毛坯制造技术进步，零件毛坯几何尺寸及切削余量控制较为精确，数控刀具新结构、新品种的研发主要集中在轻、中负荷切削范围内，并以专用孔加工、拉削、滚（挤、碾压）压、铣削及车削等五类刀具的变革较为活跃，配套研发其相应刀片断屑槽形。 （二）数控工具系统：近几年国际上出现了以工具系统逐步替代各厂商研发的其它各类工具系统的发展趋势。欧州发达国家沿用德国号工具系统标准，国际标准化组委会为其制定了标准。工具系统具有动、静刚度高、定位（迥转）精度好、充许转速高（）等特点。既便于规笵工具管理，又总体上节约了工具费用、降低生产成本。其首先应用于加工中心、数控镗铣床，逐渐扩大到各类车床（车削中心）、磨床（磨削中心）、数控专机及数控加工自动生线上，使用范围几乎覆盖所有刀具领域。 （三）孔加工刀具类：在刀具门类中，孔加工刀具是一大家族，其小改小革层出不穷，在此就其主要突出的新结构、新品种简要分述如下： 数控钻头：整体式钻头：钻尖切削刃由对称直线型改进为对称圆弧型（），以增长切削刃、提高钻尖寿命；钻芯加厚，提高其钻体刚度，用型横刃（或螺旋中心刃）替代传统横刃，减小轴向钻削阻力，提高横刃寿命；采用不同顶角阶梯钻尖及负倒刃，提高分屑、断屑、钻孔性能和孔的加工精度；镶嵌模块式硬质（超硬）材料齿冠；油孔内冷却及大螺旋升角（）结构等。最近研制出整体式细颗粒陶瓷（）、基类金属陶瓷材料钻头。 机夹式钻头：钻尖采用长方异形专用对称切削刃、钻削力径向自成平衡的可转位刀片替代其它几何形状、钻削力径向总体合成平衡的可转位刀片，以减小钻削振动，提高钻尖自定心性能、寿命和孔的加工精度。 复合（组合）孔加工数控刀具： 集合了钻头、铰刀、扩（锪）孔刀及挤压刀具的新结构、新技术，整体式、机夹式、专用复合（组合）孔加工数控刀具研发速度很快。总体而言：采用镶嵌模块式硬质（超硬）材料切削刃（含齿冠）及油孔内冷却、大螺旋槽等结构是其目前发展趋势。 数控铰刀：大螺旋升角（）切削刃、无刃挤压铰削及油孔内冷却的结构是其总体发展方向，最大铰削孔径己达。 镗刀：单刃微调精密镗刀正被多刃扩（锪）孔刀、铰刀及复合（组合）孔加工专用数控刀具替代。国外研制出采用工具系统内部推拉杆轴向运动或高速离心力带平衡滑块移动，一次走刀完成镗削球面（曲面）、斜面及反向走刀切削加工零件背面的数控智能精密镗刀，代表了镗刀发展方向。 丝锥：研发出大螺旋升角（）丝锥，其切削锥视被加工零件材料软、硬状况，设计专用刃倾角、前角等。 扩（锪）孔刀：多刃、配置各种数控工具柄及模块式可调微型刀夹的结构形式是目前扩（锪）孔刀具发展方向。 （四）数控铣刀类：整体式立铣刀：硬质合金立铣刀侧刃采用大螺旋升角（）结构，立铣刀头部的过中心端刃往往呈弧线（或螺旋中心刃）形、负刃倾角，增加切削刃长度，提高了切削平稳性、工件表精度及刀具寿命。适应数控高速、平稳三维空间铣削加工技术的要求。机夹式立铣刀：由各类机夹立铣刀的由可转位刀片（往往设有三维断屑槽形）组合而成的侧齿、端齿与过中心刃端齿（均为短切削刃），可满足数控高速、平稳三维空间铣削加工技术要求。数控铣刀均已采计算机辅助设计、切削摸拟仿真及数控加工技术成形制造。 机夹式数控面铣刀：刀体趋向于用轻质高强度铝、镁合金制造，切削刃采用大前角、负刃倾角，可转位刀片（几何形状多种）带有三维断屑槽形。数控铣刀、专用复合孔加工刀具均应用了高速迴转体动平衡及安全夹固技术，一些高速迴转刀体上还应用空气动力学原理，利用旋风冷切削刃，在干式切削加工时降低切削刃的温度，提高刀具寿命。 （五）车刀、切槽、切断类型车刀发展了集车端面、外园、仿形、切槽、切断、倒角加工的一刀多功能车削刀具，刀片夹紧方式采用镶嵌式弹性刀体、切削力自位固定的结构，十分适用和新颖。 （六）拉削刀具类：在现代数控加工技术的支持下，研发出各种专用外轮廓精密成形、组合拉刀及车-拉组合成形拉削刀具，配以专用数控机床。使汽车部分工件批产效率成几十倍提高，而且产品质量、精度十分稳定。 （七）其它刀具：汽车、摩托车专用的小模数渐开线外齿轮、花键轴零部件批产工艺采用滚压、搓挤无屑加工工艺技术，研发出专用刀具及特种数控机床，使特定的工件批产效率提高几十倍，而且质量、精度十分稳定。 拉削、滚压、搓挤刀具和复合（组合）孔加工数控刀具的创新成果往往会引起机加工观念上的巨大变革，再集成刀具材料及特种数控机床领域的创新科技成果，所产生的社会效益和经济效益也是巨大的。五、数控刀具与高速加工技术的实际应用（一）对于机械零件而言，高速加工即是以较快的生产节拍进行加工。一个生产节拍：零件送进-定位夹紧-刀具快进-刀具工进（在线检测）-刀具快退-工具松开、卸下-质量检测等七个基本生产环节。而高速切削是指刀具切削刃相对与零件表面的切削运动（或移动）速度超过普通切削510倍，主要体现在刀具快进、工进及快退三个环节上，是高速加工系统技术中的一个子系统；对于整条生产自动线而言，高速加工技术表征是以较简捷的工艺流程、较短、较快的生产节拍的生产线进行生产加工。这就要突破机械加工传统观念，在确保产品质量的前提下，改革原有加工工艺（方式）：或采用一工位多工序、一刀多刃，或以车、铰、铣削替代磨削，或以拉削、搓、挤、滚压加工工艺（方式）替代滚、插、铣削加工等工艺（方式），尽可能地缩短整条生产线的工艺流程；对于某一产品而言，高速加工技术也意味着企业要以较短的生产周期，完成研发产品的各类信息采集与处理、设计开发、加工制造、市场营销及反馈信息。这与敏捷制造工程技术理念有相同之处。 高速加工技术产生于近代动态多变的全球化市场经济环境。在激烈的市场竞争中，要求企业产品质量高、成本低、上市快、服务好、环境清洁和产品创新换代及时，由此牵引高速加工技术不断发展。自二十世纪八十年代，高速加工技术基于金属（非金属）传统切削加工技术、自动控制技术、信息技术和现代管理技术，逐步发展成为综合性系统工程技术。现已广泛实用于生产工艺流程型制造企业（如现代轿（汽）车生产企业）；随着个性化产品的社会需求增加，其生产条件为多品种、单件小批制造加工（机械制造业中，这种生产模式将占到总产值的70%），高速（二）一汽-大众捷达轿车自动生产线由冲压、焊接、涂装、总装、发动机及传动器等高速生产线组成。刀具材料的选用：以超硬刀具材料为主。采用CBN、SiN陶瓷、Ti基陶瓷、TiCN涂层刀具材料加工高强度铸铁件，铣削速度达2200m/min；采用PCD、超细硬质合金刀具加工高Si-Al铸造件，铣削速度也达2200m/min，钻、铰削速度达80240m/min；采用SiN陶瓷、Ti基陶瓷及TiCN涂层刀具加工精锻结构钢零件，车削速度达200m/min；采用高Co粉末冶金表面涂覆TiCN 的高速钢整体拉刀、滚刀、剃齿刀，以及硬质合金机夹组合专用拉刀，加工各种精锻钢件、铸铁件，拉削速度1025m/min,滚削速度110m/min, 剃齿切速170m/min。（三）二十一世纪企业内高速加工系统工程技术的内涵示意图图示，其由九个板块、三个交叉贯联的封闭环组成：企业的人/组织机构处于环的中心；产品、刀具工具、网络经营管理决策系统及外部网络门户网站四板块组成垂直信息平台；网络经营管理决策系统、外部网络门户网站、生产管理局网、生产技艺数据库、CAD/CAM/CAE、机床量仪六板块组成水平支撑平台；产品、生产管理局网、CAD/CAM/CAE、生产技艺数据库、刀具工具、机床量仪组成运行平台，八个板块均由双剪头指向封闭环心。 当今的科技和企业均是以人才为本，组建相应的组织机构、管理模式与技术，才能健康经营与发展。故其处于环体的中央，交互联络、运行各板块，使人、机、信息有机地融合；在全球化、区域化制造环境中，企业以赢利产品立足市场，以刀具工具、机床量仪为机制基础，而信息平台、支撑平台共同交互完成企业内、外各类信息的通讯、采集、处理，对市场需求快速反应、决策，对企业的各类资源优化、配置、调度与经营销售，保持企业的柔性、健壮性与敏捷性，利用并通过网络经营管理决策系统、外部网络门户网站、生产管理局网，企业还可与外界以网络通讯方式，实现区域性网络化生产和组建动态网络联盟企业，进而实施电子商务。 （四）高速加工系统工程技术发展趋势及应用前景简要。在全球一体化制造环境里，高速加工系统工程技术必然在各类制造企业中得到更广泛应用。在二十一世纪，我国对其实用将呈跨越式的进步与发展。就其简要分述如下： 零件毛坯制造技术：快速成形技术的实用化，将进一步提升目前的精铸、精锻及其它成形制造技术，使其几何尺寸精度能满足少无切屑加工的要求，其材料的选择将适应绿色制造工程的技术要求，零件材料的可加工性能将适应高速工削技术要求； 刀具技术：制造业中将普遍应用高速（超高速）干式切削技术。超硬刀具材料的应用、复合（组合）式各类高速切削刀具（工具）的结构设计与制造技术，将成为刀具（工具）品种发展的主导技术。其中无屑加工工艺的搓、挤、滚压成形类刀具（工具）应用会更加广泛；超硬刀具材料将在各类刀具的涂层材料、SiN陶瓷及Ti基陶瓷领域发展更快、应用更加广泛； 机床技术：随着数控系统，关键功能部件、网络通讯技术的进步与完善，企业将促使多轴联动、多面高速加工中心，铣、车功能为一体的复合加工中心技术达到实用化；相应出现各类数控专用高效率加工机床；将更加广泛应用激光技术于机械成形加工、切割加工领域；机床数控系统的功能将可实施网络化通讯与生产，进一步提升数控机床的利用率； 自动生产线：将以各类高速加工中心组成，大力发展柔性、敏捷制造工程技术； 测量技术：随着高速加工系统工程技术广泛应用，数字化CCD、激光图形处理测量技术和随机在线高速测量技术将广泛应用于柔性数控生产线及数控专用高效率加工机床上； 网络技术：将在不断进步的计算机技术支持下，大力发展宽带网及网络安全技术。高速加工中心进入汽车生产领域工作台移动式高速加工中心六、结论高速加工是近十年来迅速发展起来的一项先进制造技术。在高速加工技术的应用中，机床的大小和类型、可提供的切削动力、使用的切削刀具、被切的材料、切削