瓦尔特二合一工具磨床

Helitronic Power Diamond Helitronic Power Diamond 的特点 1 二合一机床 一种功能是用电蚀加工的方法加工 PCD 刀具 同时还要保证重复加工的精度 一 种功能就是磨削加工 2 5 轴联动可以实现一次装夹完成整个几何尺寸复杂的刀具的加工 3 很高的表面加工质量 粗糙度达 RA0 2 4 在各直线轴上配置了光栅尺 最大限度的保证了位置精度 5 自动探测系统可以精确的探测刀具位置 6 磨削主轴采用双主轴结构 7 获专利认证设计的具有高度稳定性的床身结构 8 基于 Windows 操作系统的用户界面使操作更加便捷 9 装在床身上的可移动式控制台配置了灵敏的触摸屏 具有优越的可操作性 10 可支持远程诊断及应用的 Modem WALTER HELITRONIC POWER DIAMOND 二合一 以 HELITRONIC POWER 为基础的 5 轴 CNC 磨床 可用旋转电极加工聚晶金刚石 PCD 刀具以及磨削硬质合金和高速钢 HSS 的工具 主要使用领域 用于木材及塑料加工业的聚晶金刚石 PCD 工具 技术参数 X 轴 水平行程 460MM Y 轴 垂直移动 330MM Z 轴 横向移动 660MM X Y Z 轴快速行程 15M MIN 工件 直径 320MM 最大长度 轮廓磨削 350MM 最大长度 端面磨削 280MM 最大重量 50KG 最大砂轮直径 200MM 旋转电极直径 6 200MM 最大峰值功率 11 5KW 磨削主轴转数 0 9500RPM 重量 包换冷却系统 4600KG 聚晶金刚石聚晶金刚石 PCD 刀具的开发与应用刀具的开发与应用 作者 上海工具厂 薛建新 游顺英 虞建明 1 引言引言 高速切削已成为现代制造技术的一个主要发展方向 由于高速切削刀具的开发与应用直接影响高速切削的加工 效率和加工质量 因此具有非常重要的意义 刀具技术的革新 除了刀具本身的几何形状 切削角度等的革新 和改进外 刀具切削刃材质的开发和革新也是提高切削效率 降低切削成本的一个关键因素 20 世纪 70 年代中期以来 美国 德国 日本等工业发达国家先后开发聚晶金刚石 PCD 刀具并将其用于非金 属材料和有色金属材料的高速切削加工 使生产效率获得大幅度提高 切削费用成倍下降 因此被广泛应用于 汽车 航空 航天以建材等工业领域 2 PCD 复合片的开发复合片的开发 聚晶金刚石 PCD 复合片是由粒度为微米级的金刚石颗粒与 Co Ni 等金属粉末均匀混合后 在高压高温下 在碳化钨 WC 基材上烧结而成的一种刀坯新材料 PCD 复合片不仅具有金刚石高硬度 高耐磨性 高导热性 低摩擦系数 低热膨胀系数等优越性能 同时还具有硬质合金良好的强度和韧性 PCD 复合片还具有导电性 因此可用线切割机切割成所需刀头 将刀头焊接在刀体上 经过刃磨制成 PCD 刀具 目前国内外已有不少 PCD 复合片的生产企业 主要生产厂商及产品牌号见表 1 表 1 公司名称 国别 牌号 金刚石平均粒径 m GE 美国 Compax 1600 Compax 1300 Compax 1500 Compax 1700 5 10 25 40 Element six 原 De Beers 英国 Syndite CTC002 Syndite CTB002 2 2 Synd ite CTB010 Syndite CTB025 Syndite CTH025 10 25 25 住友电工 日本 DA 200 DA 150 DA 100 DA 90 0 5 5 20 0 5 50 日本 韩国 CF CM CC 2 10 25 东名 日本 TDC FM TDC 98F2M TDC GM TDC SM TDC HM TDC SA TDC E M TDC EM 1 1 3 7 10 16 20 36 16 3 PCD 刀具的动平衡刀具的动平衡 由于 PCD 刀具适宜于高速切削 因此旋转式 PCD 刀具的动平衡显得特别重要 动平衡时 应根据刀具允许 使用的最高转速 nmax 和动平衡的精度等级 一般控制在 G2 5 级 查图 1 得到许用不平衡率 eper值 则其允许 的不平衡量可由下式计算 Uper meper 式中 eper 许用不平衡率或偏心距 单位 g mm kg 或微米 m 刀具质量 kg 图 1 不同平衡精度等级 G 的剩余不平衡率 或转子偏心距 与工作转速的关系 为了达到刀具的动平衡精度要求 常采用去重法 在刀具刀体的适当部位去除适当重量 使刀具的实际不 平衡量 允许不平衡量 4 PCD 刀具的适用范围刀具的适用范围 由于 PCD 刀具的性能优越 因此被广泛用于非铁金属和非金属材料的加工 见表 2 被加工材料 加工对象 非铝汽车 摩托车 活塞 汽缸 轮毂 传动箱 泵体 进 气管 各种壳体零件等 飞机 机电 各种箱体 壳体 压缩机零件等 精密机械 各种照相机 复印机 计量仪器零件等 铝合金 通用机械 各种泵体 油压机 机械零件等 内燃机船舶 各种轴 轴瓦 轴承 泵体等 电子仪器 各 种仪表 电机整流子 印制电路板等 铜 铜合金 通用机械 各种轴承 轴瓦 阀体 壳体等 硬质合金 各种阀座 汽缸等烧结品及半烧结品等 铁 金 属 其它 镁 锌等各种有色金属 木材 各种硬木 人造板 人造耐磨纤维板及制品 增强塑料 玻璃纤维 碳纤维 增强塑料等 橡胶 纸用轧辊 橡胶环等 石墨 碳棒等 非 金 属 陶瓷 密封环 柱塞等烧结品 及半烧结品 在实际选用时 应根据 PCD 刀具的使用场合 被切削材料的特性以及加工的具体要求 选用适当牌号 和粒径的 PCD 复合片做刀具刀头 一般情况下 复合片中金刚石体积浓度高或粒径较大的耐磨性较好 金刚石体积浓度低或粒径较小的则韧性较好 5 HSK 刀柄系统刀柄系统 在高速旋转条件下 PCD 刀具的刀柄定位精度和夹持力是至关重要的 通常采用 DIN69893 1 HSK 刀 柄系统 目前汽车制造业发动机生产线上所用绝大部分 PCD 刀具都采用 HSK 刀柄 由于 HSK 刀柄系 统采用双重定位配合原则 在足够的拉紧力作用下 HSK1 10 空心工具锥柄和主轴锥孔 锥面及夹持 平面之间同时接触 产生摩擦 可提供封闭结构的径向定位和平面夹紧定位 阻止任何轴向窜动 HSK 刀柄具有静 动态刚性高 扭矩传递大 径向定位精确以及换刀重复精度高等特点 HSK 刀柄系 统的结构形式分别有 A B C D E F 型 常用的有 A B C D 型四种 A 型为自动换刀型 见 图 2a B 型为带内冷却孔的自动换刀型 C 型为手工换刀型 见图 2b D 型为带内冷却孔的手工换刀 型 刀柄凸缘直径一般分为 9 个规格 分别为 25 32 40 50 63 80 100 125 160mm HSK 刀柄的型式规格标识见图 3 a b 图 2 HSK 刀柄 图 3 HSK 刀柄的型式规 格标识 6 PCD 刀具的刃磨刀具的刃磨 PCD 复合片的硬度一般在 HV4500 HV8000 之间 仅次于金刚石的硬度 HV9000 同时其硬度因生 产厂或牌号的不同而不同 因此 如何解决 PCD 刀具的刃磨问题是加工 使用 PCD 刀具的关键 目 前有两种 PCD 刀具常用刃磨方法 金刚石金刚石砂轮砂轮刃磨法刃磨法 采用金刚石砂轮来刃磨 PCD 刀具 对所用机床要求较高 机床系统刚性好 进给 机构精度高 有微进给机构 重复精度高 磨头往复摆动平稳无冲击 同时还需选用合适的金刚石砂 轮 瑞士 EWAG 公司生产的 RS 系列机床尤其是 RS15 机床具有精度高 附件多并带有刃磨 PCD 刀 具 带 HSK 刀柄 的附件等特点 是 PCD 刀具刃磨机床的代表 采用 RS15 机床刃磨 PCD 刀具 刀具 尺寸精度可达 0 001mm 表面粗糙度可达 Ra0 08 左右 电蚀刃磨法电蚀刃磨法 电蚀刃磨是将工件 PCD 刀具 和电蚀轮 或钼丝 形成正负电极 通过正负电极间放电 达 到去除 PCD 的效果 电蚀刃磨法的 PCD 去除效果取决于电蚀轮 或钼丝 与 PCD 刀具刃口间的间隙 走刀进给速度以及电压高低 电流大小等 电蚀刃磨机床的特点是生产效率高 尺寸精度一般在 0 01mm 左右 表面粗糙度在 Ra0 25 左右 德国 VOLLMER 公司的 QM 和 QW 系列机床是采用电蚀 法刃磨 PCD 刀具的代表 其中的新产品 QM110 和 QWD760 都是五轴联动数控机床 QM110 是轮电 蚀刃磨机床 用于直线形刃口的 PCD 刀具电蚀刃磨 QWD760 是线电蚀刃磨机床 用于各种曲线形 刃口的 PCD 刀具电蚀刃磨 根据不同机床刃磨 PCD 刀具的适应范 围 一般说来 对尺寸精度和表面粗糙度要求高的 PCD 铰刀 镗刀等 在 RS15 等机床上用金刚石砂轮刃磨 对 PCD 铣刀 锯片和 PCD 木工刀具等 用 QM110 或 QWD760 机床进行电蚀刃磨 而用于强化地板开榫的 PCD 刀具和各种曲线形状的 PCD 刀具 则采 用 QWD760 机床电蚀刃磨 7 结语结语 上海工具厂有限公司通过技术改造 引进了 PCD 刀具 包含 PCBN 刀具 的先进生产设备 包括瑞士 EWAG 公司的 RS15 机床 德国 VOLLMER 公司的 QM110 和 QWD760 机床 德国 SCHENCK 公司 的 HSK 刀柄动平衡机 ZOLLER 公司的 CNC 刀具专用测量仪等 通过现有生产技术的配套 上工目 前已能生产木工行业 印制电路板行业和汽车制造业所急需的各类 PCD 铣刀 镗刀 铰刀 成为国内 目前唯一能配套生产带 HSK 刀柄的 PCD 刀具的企业 PCD 刀具的应用与发展刀具的应用与发展 作者 张宪 编译 聚晶金刚石 PCD 刀具加工铝制工件具有刀具寿命长 金属切除率高等优点 其缺点是刀具价格昂贵 加工成本高 这一点在机械制造业已形成共识 但近年来 PCD 刀具的发展与应用情况已发生了许多变化 如今的铝材料在性能上已今非昔比 在加工各种新开发的铝合金材 料 尤其是高硅含量复合材料 时 为了实现生产率及加工质量的最优化 必须认真选择 PCD 刀具的牌号及几何 参数 以适应不同的加工要求 PCD 刀具的另一个变化是加工成本不断降低 在市场竞争压力和刀具制造工艺 改进的共同作用下 PCD 刀具的价格已大幅下降 50 以上 上述变化趋势导致 PCD 刀具在铝材料加工中的应 用日益增多 而刀具的适用性则受到不同被加工材料的制约 PCD 刀具的基本特点刀具的基本特点 具有极高硬度和独特机械性能的 PCD 复合片是由金刚石颗粒和催化剂的混合物在高温高压下烧结而成 在合 成过程中产生了金刚石颗粒共生物 并在金刚石颗粒之间建立起连接 桥 从而获得具有催化剂岛状结构 类 似于整体金刚石的 PCD 材料 PCD 材料的结构与 PCBN 聚晶立方氮化硼 材料不同 在 PCBN 材料中 CBN 粒子之间并无实际粘结物 而 PCD 材料中则存在共生物 金刚石颗粒之间通过晶格 桥 相互连接 PCD 刀具牌号是以金刚石颗粒的粒度进行分类 根据制造商的标准 细颗粒 中等颗粒和粗颗粒 PCD 牌号所 对应的金刚石粒度大致分别为 2 m 10 m 和 25 m 粗颗粒 PCD 牌号比细颗粒 PCD 牌号强度更高 耐磨性 更好 在粗加工中具有更长的工作寿命 但粗颗粒 PCD 刀具的切削刃难以达到细颗粒 PCD 刀具表面的光滑程 度 因此 细颗粒 PCD 刀具可获得更好的加工表面光洁度 但磨损速度较快 PCD 刀具的价格变化刀具的价格变化 过去 价格昂贵一直是影响用户广泛接受 PCD 刀具的一个主要障碍 但现在情况发生了很大变化 业界估计 在过去的两三年中 PCD 刀具的价格已下降了 40 60 出现 PCD 刀具价格 跳水 的原因之一是市场供大 于求 在 20 世纪 90 年代初 PCD 刀具的发展势头开始超过传统的硬质合金刀具 在随后的十年中 对 PCD 刀具的市场需求不断增加 但是 随着 PCD 刀具制造技术的成熟 其销售增长势头开始减缓 目前整个制造 业的不景气对 PCD 刀具市场也有一定影响 此外 新进入 PCD 刀具制造业的竞争者也动摇了原有的市场价格 体系 PCD 刀具价格下降的另一个原因是刀具制造成本不断降低 刀具制造工艺 如用于金刚石毛坯粗加工的 EDM 工艺 切削刃精密加工工艺等 不断改进 此外 与十年前相比 加工 PCD 刀具用的金刚石砂轮质量显 著提高 成本则大大下降 汽车制造业推动了汽车制造业推动了 PCD 刀具发展刀具发展 美国汽车制造商为了迎合美国消费者偏爱宽大轿车的习惯 同时又要考虑经济不景气的影响以及适应 CAFE 节 能标准的要求 因此一直在致力于提高汽车燃料的利用效率 美国航空业制造商也面临类似的压力 这就导致 轻型材料 如塑料 复合材料 铝合金材料等 在汽车 飞机制造上的应用大量增加 为了在减轻材料重量的同 时增加其强度 人们在新型铝合金材料中加入了硅元素 硅铝合金的重量与铝合金相同 或更轻 但其硬度 强度和耐磨性显著提高 同时还具有更好的热膨胀性能 在合金中添加硅元素的百分比含量取决于材料的使用 性能与加工性能 铝合金中的硅元素浓度达到完全饱和点时称为共晶态 当铝合金处于过共晶态 硅元素含量超 过 12 6 时 硅元素将以固体粒子的形式从铝基体中析出 当铝合金中的硅元素含量低于约 12 时称为亚共 晶态 此时硅元素与铝元素处于混合状态而没有析出物 过共晶态铝合金具有最好的耐磨性 刚性和抗疲劳强 度 但其机械性能的改善意味着其切削加工性能的恶化 过共晶态铝合金 尤其是 T 6 合金 经过热处理的 390 合金 用于制造发动机活塞 等 难于切削加工的主要原因在于这种合金中所含的硬质硅颗粒 俗称 石头 只有采用具有锋利切削刃的金刚石刀具才能进行有效加工并获得良好的加工表面质量 如果 PCD 刀具的切削 刃钝化 切削时会将硅颗粒从基体中撕离 从而破坏加工表面光洁度 硬度较软的低硅铝合金也并不一定易于 切削加工 尤其当工件表面质量要求较高时 加工此类合金时遇到的主要问题是卷屑不良和容易产生积屑瘤 影响加工表面光洁度 特别是硅含量低于 9 的粘性铝合金 加工难度相当大 铝金属基复合材料是通过在铝合金基体中添加陶瓷纤维 或微粉 制成 它可看作是过共晶态铝合金材料的进一 步发展 通过添加增强纤维 可在保持铝合金原有良好性能的同时显著改善复合材料的机械物理性能 铝金属 基复合材料具有强度高 重量轻 热稳定性和热传导性好的优点 但反过来看 材料获得的优良耐磨性是以其 可加工性恶化为代价的 PCD 刀具的正确使用刀具的正确使用 切削加工铝合金材料时 硬质合金刀具的磨损寿命仅为 PCD 刀具的 5 左右 且硬质合金刀具的粗加工切削速 度约为 120m min 而 PCD 刀具即使在粗加工高硅铝合金时其切削速度也可达到约 360m min 刀具制造商推 荐采用细颗粒 或中等颗粒 PCD 牌号加工无硅和低硅铝合金材料 采用粗颗粒 PCD 牌号加工高硅铝合金材料 如铣削加工的工件表面光洁度达不到要求 可采用晶粒尺寸较小的修光刀片对工件表面进行修光加工 以获得 满意的表面光洁度 PCD 刀具的正确应用是获得满意加工效果的前提 虽然刀具失效的具体原因各不相同 但通常是由于使用对象 或使用方法不正确所致 用户在订购 PCD 刀具时 应正确把握刀具的适用范围 例如 用 PCD 刀具加工黑色 金属工件 如不锈钢 时 由于金刚石极易与钢中的碳元素发生化学反应 将导致 PCD 刀具迅速磨损 因此加工 淬硬钢的正确选择应该是 PCBN 刀具 一般来说 为了减小切削力 防止产生积屑瘤 PCD 刀具应采用正切削角 但在加工高硅铝合金时 尤其在用 PCD 刀具替代硬质合金刀具进行加工时 PCD 刀具的后角最好比原硬质合金刀具采用的后角 如 25 略微减 小 以改善 PCD 刀具切削刃对高硅铝合金的切削性能 PCD 刀具的正前角也不宜过大 因为刀具前角越大 其切削刃强度越低 换句话说 PCD 刀具的后角越小 切削刃的强度越高 为了在保证刀具为正切削角的前提 下尽可能提高切削刃强度 美国 Mastertech Diamond Products 公司将具有负前角的 CNMX 刀片焊接在 PCD 刀具刀尖部位并形成正切削角 这样 刀片的负前角既提供了较高的切削刃强度 又不会影响刀具的正常切削 制备 PCD 刀具切削刃时 不需对金刚石刀尖作过多工艺处理 对于 PCD 铣刀 可对切削刃进行轻微刃磨 此 外 使切削刃产生一定的轴向倾角也有助于提高 PCD 刀具的切削性能 PCD 刀片的成功应用不仅仅取决于合理选用刀具几何参数和切削参数 如 PCD 车刀常用的进给率范围为 0 13mm r 精车 0 38mm r 粗车 有时还需要刀具供应商对刀具使用中遇到的问题提供解决方案 例如 某 大型汽车零件加工车间采用 J M 金刚石工具公司提供的 PCD 刀片进行铣槽加工 原来每片 PCD 金刚石刀片 可加工 1500 个零件 但加工产生的切屑会损伤零件表面 为此 J M 公司提出用 EDM 放电加工 工艺在金刚 石刀片顶部加工一条径向断屑槽的解决方案 并专门定制了 50 片刀片 从而有效解决了这一问题 现在每片 PCD 刀片加工的零件数已由 1500 件提高到 4300 件 机床机床刚性与切削速度刚性与切削速度 虽然金刚石具有极高的硬度 但其韧性不如硬质合金 更大大低于高速钢 因此 PCD 刀具的主要失效形式为 崩刃 崩刃通常由加工中的振动引起 减小刀具悬伸量或主轴长度 提高机床本身的刚性均有助于减小振动 高刚性的加工机床是使用 PCD 刀具的必备条件 大多数加工车间都是在先进的 CNC 数控机床上切削加工高硅 铝合金和铝金属基复合材料 较高的切削速度也可起到保护 PCD 刀具切削刃的目的 用 PCD 刀具进行车削加工时 采用的切削速度应比用 硬质合金刀具加工提高 2 3 倍 否则难以获得满意的加工效果 大多数切削加工所用的 PCD 刀具都是在硬质合金刀体上焊接一片 PCD 刀尖制成 因此焊接部位的整体性对于 PCD 刀具的加工寿命起着至关重要的作用 过高的切削温度可能引起焊料软化 造成 PCD 刀尖脱落 过大的 切削深度 超过 PCD 刀尖长度的 60 也可能对焊接部位造成冲击和破坏 如果焊接部位的整体性出现问题 可通过降低切削速度和 或 减小切削深度来降低 PCD 刀尖处的温度 PCD 刀具可分为表面加工刀具和孔加工刀具两大类 PCD 刀具对铝合金材料进行表面加工时 通常不需要使 用冷却液 而进行钻孔或镗孔等半封闭式加工时 则需要确保排屑顺畅以及对切削刃的冷却与润滑 刀具夹头的刚性对于 PCD 刀具的使用也十分重要 如果刀具夹头刚性不足 使用再好的刀具也难以获得满意 的加工表面光洁度 刀具制造商推荐 PCD 刀具用户使用 HSK 刀柄 夹头 这种刀柄刚性高 夹紧可靠 扭矩 传递性能好 非常适合 PCD 刀具的高速切削 PCD 刀具技术的新发展刀具技术的新发展 为了满足用户对 PCD 刀具切削性能不断提高的要求 在竞争激烈的 PCD 刀具市场占有更大份额 刀具制造商 正不断对 PCD 刀具技术进行改进与提高 美国 Diamond Abrasive 公司通过优化 PCD 烧结工艺 促使金刚石颗粒之间生成的共生物增大 从而提高了粗 颗粒 PCD 刀具的耐磨性 该公司开发的 CTH025 牌号的耐磨性比同类型粗颗粒 PCD 牌号提高了 25 30 该牌号被设计用于切削具有高耐磨性的铝金属基复合材料 MMC Diamond Abrasive 公司还推出了一种称为 multimodal 的新型 PCD 牌号 这种牌号原来是为对刀具韧性要求极高的采矿业开发的 其特点是每片刀片材 料中都分布着各种不同粒度尺寸的金刚石颗粒 例如 multimodal 牌号 CTM302 的材料中包含了粒度尺寸从 2 m 到 30 m 的金刚石颗粒 这种由大 小粒度混合构成的刀具切削刃性能相当于金刚石粒度为 10 m 的刀片 性能 而刀具的寿命则超过了仅由单一粗颗粒金刚石制成的 PCD 刀具 几年前 美国 Sumitomo Electric Carbide 公司曾推出一种称为 DA2200 的亚微细粒度 0 5 m 的 PCD 牌号 该牌号的 PCD 刀具可加工出极高的工件表面光洁度 且具有几乎可与硬质合金媲美的高强度 为了应对近来 PCD 刀具大幅降价的压力 该公司又开发了价格较低的 DA2200 牌号刀具以替代价格较贵的原型刀具 由于 采用了先进的 PCD 烧结工艺 从而可制备出 PCD 金刚石层厚度仅为标准厚度 1 3 的 DA2200 复合片 用这种 复合片制造的刀具与金刚石层较厚的 PCD 刀具强度相同 但所消耗的金刚石材料以及刀坯磨削工序中的材料 去除量显著减少 从而降低了刀具的制造成本 近来 采用 PCD 刀尖的多功能旋转刀具的开发与应用日渐增多 这种刀具可在一次走刀中完成钻孔 扩孔 倒角 精修等多道孔加工工序 用于汽车制造业可有效降低加工成本 如一把多功能 PCD 刀具在需要重磨前 可加工多达几千件汽车传动箱零件 ClappDiCO 公司新开发了一种不需重磨的超速 Super Speed PCD 铣刀 该铣刀上装夹了多个不需重磨的小刀 尖 PCD 刀片 刀片上的断屑槽可实现对切屑的有效控制 铣刀刀体采用轻型不锈钢制造 可避免耐磨铝合金 切屑和冷却 冲洗液对刀体的损害 该铣刀上还集成了一个由凸轮驱动的轴向调节装置 可对 PCD 刀片的轴向 尺寸进行精确微调 并实现了刀具硬件结构的最小化 随着 PCD 刀具切削性能的不断提高和 PCD 刀具价格的不断下降 PCD 刀具对于广大用户具有了前所未有的 吸引力 这将有力推动 PCD 刀具的普及应用以及 PCD 刀具技术更快地向前发展 关于汽车关键零部件高性能刀具的开发 作者 张云山 时间 2010 08 17 来源 2010 先进制造工艺与刀具技术研讨会 浏览次数 422 本文摘要 本文摘要 作者简介 张云山先生现任 长春一汽天奇工艺装备工程有限公司 副总经理中国机械 工业金属切削刀具技术协会 副理事长全国刀具标准 作者简介 张云山先生现任 长春一汽天奇工艺装备工程有限公司 副总经理 中国机械工业金属切削刀具技术协会 副理事长 全国刀具标准化技术委员会 委员 中国机械工程学会切削专业委员会 副主任委员 中国汽车工程学会工具管理委员会 主任委员 中国汽车工程学会工具技术委员会 副主任委员 中国第一汽车集团公司科学技术协会切削加工学会 副理事长 中国第一汽车集团公司创造学会 副理事长 汽车关键零部件高性能刀具的开发背景和意义汽车关键零部件高性能刀具的开发背景和意义 大力振兴装备制造业 是党的十六大提出的一项重要任务 是树立和落实科学发展观 走新型工业化道路 实现国民经济可持续发展的战略举措 十六大明确了加快振兴装备制造业的目标 到 2010 年 发展一批有较强 竞争力的大型装备制造企业集团 增强具有自主知识产权重大技术装备的制造能力 建设和完善一批具有国际 先进水平的国家级重大技术装备工程中心 初步建立以企业为主体的技术创新体系 逐渐形成重大技术装备 高新技术产业装备 基础装备 一般机械装备等专业化合理分工 相互促进 协调发展的产业格局 意见要求 以结构调整为主线 优化装备制造业产品和产业结构 以科技进步为支撑 大力提高装备制造 企业自主创新能力 以重点工程为依托 推进重大技术装备自主制造 以市场为导向 发展壮大一批大型装备 制造企业和工程公司 以装备制造业振兴为契机 带动相关产业协调发展 以专业人才培养为重点 加强技术 创新队伍建设 因此 未来 5 至 10 年是我国装备制造业发展的黄金时期 同时也是投资装备制造行业龙头企 业历史性的重大机会 刀具制造业包括其中 国家 十一五 提出要把制造业中的基础件和通用件作为重 点领域优先发展 刀具就包括在基础件和通用件中 2006 年 6 月 28 日 国务院关于加快振兴装备制造业的若 干意见 意见指出 装备制造业是为国民经济发展和国防建设提供技术装备的基础性产业 十一五期间 我 国将大力振兴装备制造业 装备制造业包括刀具制造 全球制造业向中国转移的趋势不可逆转 中国正在成 为世界制造中心 这种产业转移趋势 既是国际分工的结果 也符合中国崛起的需要 我国的技术装备制造业 包括刀具 与国际先进水平相比 差距较大 远远不能满足国民经济发展的需要 存在的主要问题是 重大技术装备 高性能刀具主要依赖进口 与国际先进水平相比 我国重大技术装备 高性能刀具研制 开 发 制造技术落后 5 至 20 年 关键部件 包括刀具 是装备制造业突出的薄弱环节 关键部件和基础元器件 包括刀具 研发制造落后 受制于人 成为装备制造业发展的瓶颈 自主创新能力薄弱 大型装备制造企业绝大部分为国有企业 分布在老工业基地 历史包袱沉重 改革步伐迟 缓 尚未真正建立起现代企业制度和规范的治理结构 技术开发投入很少 原有制造技术已经老化 缺乏具有总体设计 成套能力和系统服务功能的总承包企业 装备制造业的发展是一个复杂的系统工程 需 要研究单位 设计单位 制造企业 安装企业和用户的密切配合 汽车关键零部件高性能刀具的开发主要内容汽车关键零部件高性能刀具的开发主要内容 汽车关键零部件高性能刀具的开发要围绕汽车关键零部件中有关刀具设计 刀具制备 刀具切削性能评价 切削过程切削力 切削温度耦合作用机理 刀具切削数据库等关键共性技术 开展金属切削加工基础理论研究和 试验技术研究 针对汽车关键零部件高性能切削加工要求 开展高性能刀具设计制造过程中的关键技术研究 分别是高速高效切削刀具的设计技术 成形技术 先进涂层技术 应用技术 并以此为理论基础为相关工具骨 干企业开发配套的高速高效切削刀具产品系列提供理论指导 应用反求工程 参数化解析以及高速旋转刀具系统安全性进行刀具优化几何设计 应用多轴联动数控磨削 和电蚀磨削技术完成复杂空间曲线刃的成形 应用先进涂层工艺进行新型多层复合硬涂层技术 应用数据库集 成进行刀具应用技术推广 本课题的研究对汽车制造及刀具制造业自身的发展均具有重要意义 研究开发复杂刃形的聚晶金刚石高速高效镗铣刀系列 精密复合整体硬质合金数控刀具系列 形成批量生 产能力 降低对进口刀具的依赖程度 开发高速高效齿轮刀具系列产品 高速干切滚刀 高速高效小径加长滚刀 整体硬质合金滚刀 高精度径 向剃齿刀等 高速齿轮滚刀切削速度达到 200m min 以上 形成系列化产品和小批量生产能力 开发发动机缸体缸盖平面加工及孔加工刀具以及曲轴高速内铣刀 高速外铣刀 车拉刀等精密复合刀具形 成批量生产能力 基于高速高效刀具与工件材料切削性能适配性模型 建立通用型切削数据库 数据库系统具有良好的扩展 和模型嵌套功能 满足用户对数据库的查询 录入 更新 修改 删除 优化 传输等功能要求 适用于各类 切削数据管理 包括数字 曲线 图表 影像 公式等 达到国内领先水平 基于难加工材料高速切削力 热耦合物理模型 研究切削参数优化预测技术 建立面向汽车制造领域的专 用切削数据库 数据库系统具有智能推理 判断及决策的专家系统 满足高端产品切削加工要求 达到国内领 先水平 基于切削过程动态特征参量和加工表面质量指标检测技术 构建刀具切削性能评价体系 为工具企业 材 料企业 刀具应用企业提供技术支持 为刀具标准化研究提供试验平台 达到国内领先水平 汽车制造业具有技术密集程度高 生产批量大 综合性强的特征 在任何一个主要工业化国家的国民经济中 它都占有举足轻重的地位 目前汽车已成为我国许多地方振兴制造业的龙头产品 汽车制造业也早已成为拉动 GDP 快速增长的重点支柱产业 装备制造业是一切工业的基础 发展汽车制造业也同样离不开先进的装备制造技 术 数控机床是发展汽车制造业和新兴高新技术产业的最基本的装备技术 当今世界各国制造业广泛采用数字 化制造技术 以提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力 自从 2002 年起 我国一直是世界机床消费第一大 国和机床进口第一大国 我国在汽车工业及传统工业的技术改造过程中 大量引进高档数控机床 使数控加工 技术向高速 复合 智能 环保的方向发展 在数控加工中 素有数控机床 牙齿 之称的数控刀具同样是最基本的装备技术 并成为数字化制造过程 中最活跃的因素 对生产效率和加工质量影响极大 尤其对汽车零部件生产线而言 批量大 效率高 节拍快 因而切削刀具正在向高效 高精度 高可靠性和专用化方向发展 目前大型汽车制造企业 独资及合资汽车制 造企业非常重视高速高效切削工具的综合性能比 大量采用高速高效切削工具和先进的切削技术 用性能价格比 优越的切削刀具 对提高中国汽车制造业的金属切削水平 提高中国汽车制造业的制造水平有着及其重大的意 义 汽车零部件中有大量尺寸不一的阶梯孔 复杂结构内表面和细小深油孔 加工精度要求高 所以对数控复 合孔加工刀具和复合涂层刀具的结构 主切削刃形状 刀具材料 动平衡 涂层以及断屑 排屑性能等等都有 较高的特定要求 从刀具结构方面来分析 在汽车零部件生产线上 大量使用精密复合孔加工刀具可以简化工 序和减少刀具数量 并能保证孔加工精度 如同步进行钻削 铰削或镗孔及倒角的复合阶梯钻铰镗刀 同步加 工阶梯孔的精密复合 CBN PCD 镗刀 变导程精密复合阶梯铰刀 具有复杂刃形的聚晶金刚石高速高效镗铣刀 用于发动机缸体 缸盖 曲轴及连杆的油道深孔钻削的带内冷却功能的麻花钻及单刃枪钻 等等 发动机缸体 缸盖平面加工普遍采用带修光刃的大直径高速盘铣刀进行高速铣削 曲轴加工普遍采用高速内铣刀 高速外铣 刀 车拉刀等精密复合刀具 从刀具材料方面来分析 高效复合涂层刀具 精密复合整体硬质合金数控刀具 聚晶金刚石 PCD 刀具和聚晶立方氮化硼 PCBN 刀具等已占据了主要位置 以适应汽车行业加工高效 精密 环保的要求 目前 我国数控刀具没有形成规模 国产化率较低 主要是一些低档产品 在汽车制造业中 先进的数控 加工刀具主要依赖进口 在数控刀具应用技术方面 目前由于缺乏合适的高速切削工艺数据库系统 使得数控 刀具的使用不尽合理 多数高速切削机床仍然工作在较低的主轴转速水平上 没有充分发挥高速数控机床固有 的高效精密加工的优势 造成大量固定资产的潜在浪费 可见 高性能刀具的开发与国产化及其应用技术已成 为我国刀具行业发展的瓶颈问题 直接制约着我国装备制造业的振兴以及汽车制造业的健康快速发展 开展刀具设计 刀具制备 刀具切削性能评价 切削过程切削力 切削温度耦合作用机理 刀具切削数据库 等方面工作 将有力地带动我国工具制造企业对高性能刀具的研究和发展 提升我国数控刀具设计制造的整体 水平 增强我国精密刀具和涂层刀具参与国际竞争的能力 降低对进口数控刀具的依赖程度 形成研究开发和 产业化配套之间的良性循环 打造以技术为先导 以产品为载体的发展新局面 汽车关键零部件高性能刀具的开发的创新点 突破点汽车关键零部件高性能刀具的开发的创新点 突破点 解决的关键技术解决的关键技术 针对汽车关键零部件的加工特色及其特殊的切削工艺要求 以开发先进的复合刀具或专用的刀具结构为重 点 通过应用反求工程技术进行消化吸收和创新 参数化解析以及高速旋转刀具系统安全性进行刀具优化几何 设计 对引进的汽车零部件用复杂刀具和特殊刀具进行结构设计 几何形状优化 热处理工艺创新 研究乘用车及重型卡车用发动机 变速箱 传动系齿轮用高精度滚 剃 插齿轮刀具以及弧齿锥齿轮刀具 的设计原理 开发相关加工技术和装备 研发发动机缸体缸盖高精密镗铣削系列刀具和高精度孔加工复合刀具 曲轴凸轮轴高效加工用车拉刀 车铣刀 曲轴高速内 外铣刀 镗铣刀等一批高精度 高效率 高可靠性 专用 化的 三高一专 的高速高效复合切削刀具 汽车关键零部件高性能刀具的开发过程中的几项关键技术进行重点研究 分别是刀具设计技术 刀具成形 技术 刀具涂层技术和刀具应用技术 刀具设计技术 目前国内刀具设计主要依赖于经验并面向传统 刀具设计技术 目前国内刀具设计主要依赖于经验并面向传统 切削加工领域 无刀具安全性可言 本项目是基于反求工程 刀具参数化解析以及高速旋转刀具系统安全 性进行精密复合整体硬质合金数控刀具设计 满足高速高效切削性能要求 反求工程技术是现代设计制造技术 中不可缺少的重要方法 应用激光快速扫描系统 获得关于样品实体特征的离散点数据 再通过空间重构技术 求得样品的三维仿真模型 从而达到快速优化设计的目的 精密复合整体硬质合金数控刀具结构复杂 设计精 度高 应用反求工程技术可以大大缩短刀具的设计周期 满足设计要求 汽车零部件制造中高速高效切削工艺 应用普及 因而在精密复合整体硬质合金数控刀具设计中 必须对高速旋转刀具系统的静力学模型和动力学模 型进行分析 对高速高精度刀具系统的动平衡性能以及刀体和夹紧机构的失效机理进行研究 利用先进的反求 工程软件 硬件技术平台和动平衡试验系统 开展刀具设计研究工作 刀具成形技术 该技术内容分为两大部分 分别是复杂空间线刃成形的多轴联动数控磨削技术和超硬材料 电蚀磨削技术 基于主切削刃空间成形原理的多轴联动数控全磨制式刀具成形技术 全磨制式精密复合整体硬质合金数控 刀具的主切削刃空间成形是通过先进的数控工具磨床多轴联动来实现 有关砂轮空间截型的运动轨迹精确描述 是获得精确主切削刃的关键技术 通过 CAD CAM 三维仿真切削软件的运用 进行阶梯面 曲面以及砂轮空间截 型等各种复杂型面的三维仿真研究 通过 CAM 前瞻功能 对加工系统的干涉问题进行研究 获得优化的磨削工 艺 确保实际磨削加工过程系统的可靠性和质量的稳定性 在此基础上 通过二次开发 形成自主知识产权的 关于精密复合整体硬质合金数控刀具成形制造技术 目前国内对于目前国内对于 PCDPCD PCBNPCBN 刀具刃磨主要是应用机械方法实现直线修磨 刀具刃磨主要是应用机械方法实现直线修磨 研究是基于五轴数控轮电蚀和线电蚀原理的 PCD PCBN 刀具精密刃磨成形技术 实现复杂曲线刃的精密高 效成形 数控多轴电蚀磨技术是一种先进的复合磨削技术 是解决超硬材料 HV 3500 7000 如聚晶金刚石 PCD 和聚晶立方氮化硼 PCBN 刀具精密成形磨削的关键技术 它运用电蚀轮 或钼丝 与工件间电火花加 工的原理 利用数控五轴联动实现对刀具主切削刃的成形电蚀磨削加工 与传统的金刚石砂轮磨削加工相比 生产效率大幅度提高 通过 CAM 数控软件的开发 可以加工各类复杂的曲线刃形 阶梯刃形的聚晶金刚石镗铣 刀具 形成具有光滑连接 各点后角一致的主切削刃精确形状 尤其是采用线电蚀磨削 使过去无法加工的复 杂形状刀具的主切削刃磨削问题以及内刃修磨问题得到圆满解决 刀具涂层技术 刀具涂层技术 单层涂层材料结构简单 无法满足刀具对涂层的综合性能要求 研究基于梯度功能的富铝多层 复合硬涂层技术 使涂层材料具有优良的综合性能 达到国外先进水平 满足刀具在高速高效切削条件下的使 用要求 在高效复合涂层刀具的设计中 涂层材料的成分种类 涂层厚度和涂层结构优化是获得具有梯度功能 复合涂层的保证 在涂层制备过程中 刀具基体表面预处理技术和涂层工艺过程控制技术是关键 本项目采用 机械处理 湿法清洗 粒子刻蚀等综合处理工艺技术 得到适合涂层的理想表面 最大程度提高涂层的结合力 在富铝涂层的制备过程中 采用多层结构和成分渐变的层构设计工艺 通过控制每层的厚度和成分 达到最佳 的力学性能 一方面 通过控制层厚 抑制晶粒的生长 获得纳米涂层 同时 多层结构有利于吸收涂层生长 过程中产生的微裂纹现象 从而消除裂纹 获得连续性涂层 另一方面 通过控制成分变化 采取成分渐变的 处理工艺 有利于消除涂层过程中的应力 同时 渐变的层构设计有利于提高涂层结合力 在涂层成分控制方 面 调整 Al Ti 的原子比 增加 Al 的含量 形成富铝涂层 抑制切削过程中因温度升高形成 TiO2 有效提高 涂层的高温力学性能 通过提高涂层的表面硬度和抗氧化温度 有效提高刀具的耐磨性 延长刀具的使用寿命 使涂层刀具适合高速切削和干式切削 克服传统涂层因加工过程中温度升高而失去其力学性能的缺点 刀具应用技术 刀具应用技术 所谓适用的切削数据库其内涵是 针对具体工件材料 加工精度 表面质量和加工效率等 要求 选用适用的刀具并推荐优化的切削参数 解决好刀具与工件材料的适配性问题 高速高效切削特征和本 质与普通切削加工相比有显着差别 因而沿用已有的普通切削数据库显然是不合适的 目前国内合理 适用的 切削数据还十分缺乏 这在很大程度上限制了高速高效切削技术的推广与应用 制约了高速高效切削刀具国产 化进程 我国汽车制造企业在从工业发达国家大量购进先进的高速数控加工中心时 却由于技术封锁而无法引 进高速切削数据库等工艺技术 严重影响先进加工中心的正常应用 造成固有资产的潜在浪费 对于汽车制造 部门 如何选择刀具 如何用好刀具 充分发挥加工设备能力 充分体现高性能刀具的良好性价比 实现高效 低成本加工 一直是汽车零部件生产线上主旋律 而对于刀具制造企业 新开发的刀具在进入市场之前需要进 行切削性能评估 切削性能试验对刀具的进一步改进和优化切削用量的获取最有效 高速切削数据库系统最核心技术是基于切削力模型 切削温度模型 刀具磨损模型和工件加工表面质量模 型的智能预测技术 高速切削数据来源有三方面 文献资料 生产实际 切削试验 在目前我国高速切削数据还很缺乏的前提下 尤其是针对难加工材料的高速切削数据更加缺乏的形势 开 展基于难加工材料高速切削过程物理模型的切削参数优化预测技术的研究显得更加紧迫和重要 技术创新点 突破点汽车关键零部件一般是以钢材 铸铁和铝合金等材料为主 但其加工大多是在专用数 控机床上进行 切削工艺比较特殊 而且需要高速高效的生产节拍 针对汽车关键零部件的加工特色及其特殊的切削工艺要求 以开发先进的复合刀具或专用的刀具结构为重 点 通过应用反求工程技术进行消化吸收和创新 参数化解析以及高速旋转刀具系统安全性进行刀具优化几何 设计 对引进的汽车零部件用复杂刀具和特殊刀具进行结构设计 几何形状优化 热处理工艺创新 形成自主 开发和创新能力 研究乘用车及重型卡车用发动机 变速箱 传动系齿轮用高精度滚 剃 插齿轮刀具以及弧齿锥齿轮刀具 的设计原理 开发相关加工技术和装备 研发发动机缸体缸盖高精密镗铣削系列刀具和高精度孔加工复合刀具 曲轴凸轮轴高效加工用车拉刀 车铣刀 曲轴高速内 外铣刀 镗铣刀等一批高精度 高效率 高可靠性 专用 化的 三高一专 的高速高效复合切削刀具 围绕汽车关键零部件高性能刀具的开发项目中有关刀具设计 刀具制备 刀具切削性能评价 切削过程切 削力 切削温度耦合作用机理 刀具切削数据库等关键共性技术 开展金属切削加工基础理论研究和试验技术研 究 针对汽车关键零部件高性能切削加工要求 开展高性能刀具设计制造过程中的关键技术研究 分别是高速 高效切削刀具的设计技术 成形技术 先进涂层技术 应用技术 并以此为理论基础为相关工具骨干企业开发 配套的高速高效切削刀具产品系列提供理论指导 创新点 创新点 基于高速高效刀具与工件材料切削性能适配性模型 建立通用型切削数据库 基于难加工材料高速切削力 热耦合物理模型 研究切削参数优化预测技术 建立面向汽车制造领域的专用切削数据库 数据库系统具有 智能推理 判断及决策的专家系统 满足高端产品切削加工要求 基于切削过程动态特征参量和加工表面质量指标检测技术 构建刀具切削性能评价体系 为工具企业 材 料企业 刀具应用企业提供技术支持 为刀具标准化研究提供试验平台 研究应用反求工程进行汽车关键零部 件高性能刀具的优化设计技术 研究应用多轴联动数控和电蚀磨削技术完成空间曲线刃的成形技术 研究开发 富铝多层复合硬涂层刀具技术 进行各类汽车关键零部件高性能刀具的结构设计与优化创新 开发计算机模拟 模拟切削或仿真切削 软 件 改进热处理计算机控温系统使控温精度达到 3 解决高性能刀具材料的锻造技术 热处理技术和磨削技 术 提高难加工材料的加工效率和工序质量稳定性 研究各类切齿刀具及其在不同切削环境下的涂层材料的应 用问题 适应高速 高效切削发展要求 主要技术指标 如形成的知识产权 技术标准 新技术 新产品 新装置 论文专着等数量 指标及其水 平 与国内外同类技术或产品的竞争分析 满足项目所依托的重大工程建设或重大装备研制的需求情况等 汽 车关键零部件一般是以钢材 铸铁和铝合金等材料为主 但其加工大多是在专用数控机床上进行 切削工艺比 较特殊 材料而且需要高速高效的生产节拍 针对汽车关键零部件的加工特色及其特殊的切削工艺要求 以开发先进的复合刀具或专用的刀具结构为重 点 通过应用反求工程技术进行消化吸收和创新 参数化解析以及高速旋转刀具系统安全性进行刀具优化几何 设计 对引进的汽车零部件用复杂刀具和特殊刀具进行结构设计 几何形状优化 热处理工艺创新 形成自主 开发和创新能力 研究超重型卡车用大型 高精度滚剃齿轮刀具以及大型弧齿锥齿轮刀具的设计原理 开发相关加工技术和 装备 重点研发变速箱复杂精密齿轮加工专用系列齿轮刀具 发动机缸体缸盖高精密镗铣削系列刀具和高精度 孔加工复合刀具 曲轴凸轮轴高效加工用车拉刀 车铣刀 曲轴高速内 外铣刀镗铣刀等一批高精度 高效率 高可靠性 专用化的 三高一专 的高速高效复合切削刀具 研究多轴联动数控磨削和电腐蚀加工实现复杂空间曲线刃的成形加工技术 基于高速高效刀具与工件材料 切削性能适配性模型 建立通用型切削数据库 基于难加工材料高速切削力 热耦合物理模型 研究切削参数 优化预测技术 建立面向汽车制造领域的专用切削数据库 数据库系统具有智能推理 判断及决策的专家系统 满足高端产品切削加工要求 基于切削过程动态特征参量和加工表面质量指标检测技术 构建刀具切削性能评 价体系 为工具企业 材料企业 刀具应用企业提供技术支持 为刀具标准化研究提供试验平台 应用反求工程进行汽车关键零部件高性能刀具的开发优化设计 应用多轴联动数控和电蚀磨削技术完成空 间曲线刃的成形 开发富铝多层复合硬涂层刀具 中国已成为世界新的制造和加工中心 汽车 航空航天 模具 机械 电子 冶金等行业的蓬勃发展和兴 起 给刀具行业的发展提供了巨大的市场空间 然而 在经济全球化的趋势下 市场经济竞争日趋激烈 世界 各大着名刀具公司产品纷纷投放中国市场 尤其是汽车制造业中精密复合孔加工刀具和高效复合涂层刀具几乎 全部是国外产品 而我国数控刀具没有形成规模 国产化率较低 主要是一些低档产品 在汽车制造业中 先进的数控加工 刀具主要依赖进口 汽车关键零部件高性能刀具开发的下一步目标是要进一步打破国外知名品牌刀具的技术垄断 提高汽车制 造业中精密复合刀具和高效复合刀具设计制造水平 国产数控刀具要形成规模化生产 铣削刀具入门 铣削刀具的种类主要包括立铣刀 面铣刀 平铣刀等 典型的铣削加工包括铣平面 倒角或铣边 铣轮廓 铣槽 铣凹腔 铣键槽等 常用的几种立铣刀设计型式包括 方头双刃立铣刀 可像钻头一样对工件进行垂直插铣或侧铣 它们的端 齿延伸至铣刀中心 因此能进行插铣加工 有些三刃立铣刀也可以进行插铣 双刃和三刃立铣刀都适合加工有 色金属