金属切削刀具及工具系统的新发展

0 引言

　　机床刀具及工具系统的发展动向，不仅仅表现出琳琅满目的新产品和新结构，也反映了世界先进制造技术与装备的新发展。目前，新型刀具结构、新的刀具牌号、刀具表面涂层技术和装备、工具系统及刀具装夹技术等，代表了刀具技术发展的先进水平和切削技术的发展趋势。

　　国际著名刀具制造商美国万耐特(Valenite)、瑞士斯特拉姆(STELLRAM)、英国多马(DORMER)、瑞典山特维克(SANDVIK)、德国雄克(Schunk)、德国Prototyp、德国WIDIA、美国肯纳(KENNAMETAL)等以及我国知名刀具商在目前切削技术发展的新时期纷纷亮出自己的先进产品，从中我们可以看到其独特之处。

1 新型刀具结构推动高效切削发展

　　现代高效刀具作为数字化制造系统的最终执行部件，在加工中发挥着“临门一脚”的关键作用。高转速、高金属切除率和高性价比是对高效刀具的描述，这种刀具与传统刀具相比能够极大地提高加工效率。高性能包括减振、寿命更长、排屑好、加工表面质量高、稳定性好、加工硬度高等。

　　采用高效切削，实际上可通过使用高品质刀具和工艺的改革等方法来提高加工效率。然而使用高品质刀具和工艺的改革等，又依赖于刀具结构的改良和工艺的改进。

　　1.1 方肩铣刀

　　方肩铣削是使用主偏角为90。的铣刀进行铣削加工。有了方肩铣，使得不同的铣削应用场合都采用一种通用加工方案成为可能，这种应用场合包括轮廓铣、斜坡铣、圆周插补铣、螺旋插补铣、摆线铣、仿形铣、插铣和铣槽。

　　山高公司(SEC0)推出的Square6三角形刀片的独特方肩铣刀见图1，每个刀片有6个切削刃，可以进行2×3次转位。Square 6具备3种不同刀片几何角度和3种不同的齿距，使其能在广泛的材料加工工况下都能提供同样的高性能。3种刀片几何角度各有2种不同的刀尖圆角半径，不仅可以提高其可靠性，还能够根据零件所需的圆弧半径灵活地选择最合适的刀片。相同的直径，3种不同的齿距，适合各种加工。只需一次加工就可实现真正的90°方肩，减少刀具数量和换刀次数，从而节约生产时间与资金。而带镀层的刀体具有更长的使用寿命。预硬的刀体和周边精磨的刀片具有更好的精度，可提高所加工零件的精确度与公差，其可靠性更高。刀片上的修光刃能够获得更好的表面粗糙度，而高强度的中心锁紧螺钉能够牢固地锁紧刀片。

1.2三齿机夹球头铣刀

　　万耐特(Valenite)推出的全球首创的三齿机夹球头铣刀见图2，在每齿进给量不变的情况下，将进给速度提高了50％，从而将加工效率提高了33％。此项创新是曲面加工的一项革命性突破。V420专利的SideLokTM(侧固式刀片锁紧)技术使更换刀片更加迅速，更易操作，大大减少了换刀时间，也就意味着减少了机床的停机时间，从而进一步提高了生产效率。

1.3 孔加工刀具

　　在孔加工刀具中，有钻头结构创新、材料创新等，其加工范围增大，性能好。

　　比如肯纳(KENNAMETAL)的新产品Y—TECH。M钻头(见图3)，其独特的几何形状设计适用于在双相不锈钢合金、镍基合金Inconel以及其他难加工材料上加工高质量的孔。Y—TECH钻头有3条刃带，排屑槽之间的距离为不等分设计；而传统的2刃钻头有2条刃带，为对称设计，钻头在切人工件时易产生偏摆。而Y—TECH非对称设计能帮助钻头在整个孔的钻削过程中始终保持稳定的直径．消除偏摆，提高孔的质量，而且能显著降低刀具磨损程度，延长刀具寿命。

此外，多马(DORMER)公司推出的整体硬质合金钻CDX—AL，切屑相对较小，排屑性能好，其加工覆盖全部铝材范围，这样可减少刀具库存，降低成本。

2 刀具表面涂层技术推动刀具新牌号的开发

　　涂层对刀具新牌号的开发起着重要的作用。在硬质合金和金属陶瓷刀具上涂覆陶瓷涂层，可以提高它们的耐磨损性能。

　　日本住友电工采用新开发的强韧CBN母材和特殊陶瓷的绝妙组合，实现了迄今为止最高的CBN刀具长寿命，并提高了加工精度，同时也大幅度扩展了CBN刀具在淬火钢加工领域的适用范围。此外，配合两面多角一次性刀片，其经济性得以大幅提升，应用于淬火钢的加工，可轻松实现低成本。

　　此外，住友还通过自主新开发的CVD流程(超级FF涂层)技术，使涂层膜之间界面达到了超平坦化和涂层膜结晶粒子之间的超微粒化，实现了更高的可靠性和超长寿命。

　　特固克利用涂层技术推出了多种刀具牌号，比如新一代铣削牌号TT7800由高韧母体构成，采用MTCVD和CVD的涂层方式，此结合带来了稳定的加工并且有效地抵抗热冲击，更能在断续切削过程中有效地防止崩刀，在高进给低速加工中，高韧性TT7800涂层可保证加工的稳定。

3 工具系统及刀具装夹技术完善了切削技术的发展

　　在柔性自动化生产中，为适应随机多变加工的需求，应提高工具系统的标准化、系列化和模块化程度，以获得最佳的经济效益。

　　在加工中心进行高速切削时，不平衡工具系统会产生很大的离心力，使机床和刀具振动，其结果一方面影响了工件的加工精度和表面质量，另一方面影响了主轴轴承和刀具的使用寿命，所以高速切削用的工具系统都应达到动平衡指标(平衡标准一般达到G2.5或G6.5)。新型刀柄和夹头等都体现出能满足高速加工需要的特点。

　　3.1 刀柄

　　刀柄是现代切削技术中很重要的组成部分，特别是高性能机床的刀具接口技术，对制造质量有着重大的影响。

　　热缩刀柄是目前高速加工的最佳刀具解决方案之一。刀柄通过加热系统，利用热感应线圈使刀柄的夹持部分在短时间内加热，刀柄内径随之扩张，此时立即把刀具装入刀柄内，待刀柄冷却收缩后，即可赋予刀具夹持面均匀的压力，从而产生很高的径向夹紧力，将刀具牢牢夹持住。

　　帕莱克(Parlec)推出的热缩刀柄见图4，刀具的径向跳动≤3um(L=100mm)，其刚性高，动平衡性好，夹紧力大，高转速下仍能保持高可靠性，使用简单且快速，换刀所需时间不超过10S。另外，常州钴领也开发出自己的SL热胀刀柄，具有迅速的刀具装夹、大的夹紧力和极高的装夹同心度等特点。

　　瑞士瑞格费克斯推出了powergripR高精度冷压刀柄装夹系统。最新科技的powergripR冷压刀柄装夹系统广泛应用于在CNC加工中心上进行高效切削(HPC)和高速切削(HSC)，其装/卸刀时间小于10s，全跳动<3um，刚性好，相互作用的刀柄一夹头、夹头一刀杆接触面具有良好的防震性；使用寿命>20000次，且仍能保持最高转换夹持扭矩。可夹持各种形式和材质的h6精度的刀杆，直径范围Φ0.2 mm～Φ25.4mm，刀具高度预调重复性定位精度<1um。

　3.2 刀具夹头

　　德国雄克(Schunk)的领先产品LSS超细长指状刀具夹头见图5，适用于难加工部位如型腔的深腔加工以及加长刀杆长度L1=200mm的长刀具，且端跳仍保持在6um以内；有卓越的阻尼减振特性，适用于钻绞和精铣等工序。适合HSK—A63的接口产品，其动平衡指标达到G6.3/15000转。

　3.3 模块化刀具系统

　　模块化刀具系统的应用使刀具库存大大减少，并具有一定的适应性，可通过接长杆使刀具的长度可长可短，利用变径杆使刀具的直径可大可小，更换起来也非常方便、容易。应用模块化刀具系统能够节约企业资本、缩短生产准备周期、提高生产效率。比如山特维克推出的可乐满Capto接口，见图6。可乐满Capto接口是一个真正的模块化系统，它能够在整个车间的不同机床上实现刀具的完全互换，从而减少库存量和降低成本。此外，在多任务机床、车削中心和加工中心上使用可乐满Capto接口能够提供加工的灵活性并实现更快的换刀操作。

4 结语

　　金属切削刀具和工具系统的发展是一个逐渐积累和渐进的过程。笔者认为，通过结构和材料的变革，刀具向高性能发展，以满足高效、低成本、少污染等需求。切削加工技术的发展除依赖于数控技术的发展之外，同时也依赖于刀具系统技术的发展。重视切削刀具系统技术的研究和应用，是完善切削技术的一个重要方面。