数控切削加工技术是先进制造技术、特别是先进切削加工制造技术中的一个主要发展领域。数控切削加工机床、数控系统、数控刀具和夹具、工件以及测量系统这五大要素构成了数控切削加工系统。数控加工技术尤其是数控切削加工技术和数控机床的发展,不能脱离数控刀具和精密测量技术和仪器的发展,它们相互依存、相互促进、息息相关。先进的切削加工技术和数控刀具以及先进的数字化测量技术和仪器、装备及服务推动着数字化制造技术尤其是数字化切削加工技术的发展,装备与服务还推动着数控机床、数控制造装备的发展。

数控刀具的发展

高速、高效、复合、高精度、高可靠性及环保是先进切削技术的发展趋势,也是对数控刀具提出的要求。数控刀具制造技术的发展主要集中在如下几个方面:刀具材料制造技术、刀具涂层制造技术、刀具结构设计制造技术、连接数控刀具和数控机床的工具系统制造技术以及切削数据库等相关软件技术。

·数控刀具材料“对症下药”,重视超硬超细材料的开发

切削刀具材料是决定刀具切削性能尤其是刀具切削效率和可靠性的基础。“对症下药”,针对工件的特点开发匹配的特定刀具材质是当今的一个发展趋势。钴高速钢、粉末冶金高速钢、硬质合金(包括超细颗粒硬质合金)以及陶瓷、金属陶瓷等材料在数控刀具上得到了迅速推广和广泛应用。尤其是数控刀具、可转位不重磨刀片用硬质合金牌号近年来发展迅速,占主要份额。亚微米级超细颗粒硬质合金材料显著提高了刀具的切削机械性能。对于复杂成型数控齿轮刀具,钴高速钢和粉末高速钢则大有取代传统高速钢的趋势。随着有色金属材料、有机复合材料甚至木材等切削加工需求的增加,尤其是汽车、航空航天、军工、家具制造业的发展,硅铝合金、铝镁合金、复合蜂窝材料零件以及淬硬工件的加工,推动了聚晶金刚石(PCD)、立方氮化硼(CBN)等超硬刀具材料制造技术的进步。环保要求的提倡,干切削技术和微量冷液却、低温气冷却技术应运而生,对切削刀具材料(及涂层)的抗高温性能提出了新要求——优良的高温红硬性、高温抗粘合性、高温摩擦性能等对实施干切削数控刀具的使用性能至关重要。

·数控刀具涂层发展迅速,新涂层层出不穷

刀具涂层是决定刀具切削性能尤其是刀具切削效率和可靠性的另一项关键技术,符合节约型发展的要求:切削效率显著提高,刀具性能明显改善、使用寿命成倍增加,既节省了资源,又降低了成本。近年来,刀具涂层技术发展空前迅猛,新的涂层装备和涂层材料层出不穷。在传统的TiN、TiC、TiCN、Al2O3涂层的基础上,发展了高温红硬性更好的TiAlN、TiBN、TiAlBN、CrN、CrC、SN2等新涂层,以及可改善自润滑性能的软涂层MoS2。金刚石涂层、类金刚石涂层DCL以及CBN涂层等也得到了快速的发展。纳米涂层结构在同样的涂层情况下可显著提高涂层性能,备受重视。

目前。切削刀具的涂层工艺主要采用化学涂层(CVD)和物理涂层(PVD)二大类。由于物理涂层工作温度低,对刀具基体强度影响小,保持刀具几何精度和刃口切削性能好,因此使用较多。成都工具研究所的热阴极离子镀技术和设备、西安理工大学和英国合作生产的闭合场非平衡磁控溅射离子镀及设备,以及德国CemeCon公司的高电离溅射涂层技术和设备,部分反映了当今涂层技术及装备的现状和发展趋势,在高速钢复杂成型刀具以及硬质合金数控刀具的涂层应用上获得了很好效果。近年来,上海工具厂和贵阳工具厂分别引进了新型涂层设备,哈一工和PVT、汉江工具和BALZERS也分别成立了联合涂层中心,以及多家国外公司在国内开设的刀具涂层服务中心推动了国产复杂成型刀具、数控刀具及刀片涂层质量的迅速提高,向国际先进水平进一步靠拢。