國外數控刀具發展的態勢

國外數控刀具發展的態勢


任何一個強大的國家都必銑床須具有包括金屬切削加工在內的強大制造業基礎。在整個21世紀中，金屬切削加工仍是機械制造業的主導方法，切削加工（包含磨削）不僅占其90%以上的份額，而且刀具消耗費用占制造成本的2%～5%。無論是專機設備還是柔性制造單元，CNC制造系統都是當今金屬切削工業中的主流。而在CNC制造系統中，工具刀柄和切削刀具的投入可占整個系統投入的10%甚至更多。柔性制造單元和專機設備系統的效率和能力在很大程度上取決于所采用的刀具和工具輔助系統的技術水平。



一、全球機械加工工業市場、機床市場和切削刀具工業



全球機械加工工業市場變得既活躍又具有過度的全球競爭性。在貿易和技術的頻繁往來之中，發達國家與發展中國家在競爭能力上的差別也日趨混同。同時，對産品的低成本、高性能、高品質、更快捷的交貨期的需求，使新産品和新技術的發展有了史無前例的發展速度和空間。

近年來，金屬切削和金屬成型機床的消費市場從390億美元減少到360億美元，其原因之一是加工中心的廣泛使用。在美國加工中心的擁有量由20世紀80年代初的11%提高到現在的25%。在世界範圍內，預期在1998年到2005年將由45億美元可望達到66億美元。在此同時，傳統的銑削機床市場預計在同期內將從16億美元下降CNC銑床到15億美元。在未來的十年中，超過50%的制造業的加工需求可能將由加工中心來完成。

世界切削工具的市場份額約爲100億美元，預計工具的消耗量在近期內將每年增長3%以上。1998年世界切削工具市場消耗比率如下:鉸刀2%、拉刀/滾刀7%、合金立銑刀7%、絲錐6%、車刀23%、高速鋼立銑刀7%、镗刀8%、鋸片11%、鑽頭12%、銑削刀具17%。隨著高速加工理念被人們普遍接受，CBN和金剛石切削刀具的全球需求量預計從1998年的5%到2005年將提高到11%。

2000年，許多刀具制造商都發現硬質合金刀具需求量的增長超過40%以上。這種增長可能標志著HSS刀具越來越多地在許多制造領域內被硬質合金刀具取代而失去了往日的輝煌。



二、國外金屬切削刀具的現狀和發展態勢



1。切削工具材料和塗層技術

不同種類的切削工具材料都有所進步，包括高速工具鋼、硬質合金、金屬陶瓷、陶瓷、聚晶立方氮化硼(PCBN)和聚晶金剛石(PCD)。高速工具鋼(HSS) 是高韌性的刀具材料，能制作成其他材料不能制作的各種複雜幾何形狀和尺寸的鋒利切削刀具。而高耐磨性的CBN和PCD超硬材料則適用于高速、小進給量加工。介于上述兩種材料之間的是硬質合金、金屬陶瓷和陶瓷刀具材料，這些材料廣泛使用于各種切削速度和進刀量需求的加工工業領域。

與刀具材料同步發展的還有化學塗層CVD和物理塗層PVD技術，如今幾乎75%的硬質合金刀具爲塗層刀具，其中CVD塗層約占80%。

當代CVD塗層的特點是多層塗層。其塗層結構包括TiCN、TiC、TiN、ZrCN和Al2O3。通過對CVD工藝的良好控制，刀具制造商現在可提供質量穩定的從5μm到20μm厚度的塗層刀具，以及用于高硬度材料工件加工的單層塗層厚度不超過0。2μm的多層塗層合金刀具。

PVD物理塗層技術使在金屬陶瓷和硬質合金基體上的塗層厚度爲2μm到5μm的硬質塗層已經進入了商業化。典型的商業化塗層方式包括TiNCNC車床、TiCN、TiAlN、 CrN、TiB2，還有諸如TiN/TiAlN的多層塗層。PVD塗層工藝具有的獨特優勢是:可以給銳利的切削刃面提供超細晶粒、平滑、低摩擦和防止高溫熱裂的塗層。

納米PVD塗層（每層塗層厚度甚至薄到2nm，例如TiN/TiAlN塗層）和納米複合塗層（TiN或TiAlN納米結晶被植入Si3N4的矩陣之中）正處于研發階段。

新近發展的硬質合金刀具塗層包含外部用PVD TiN或者TiAlN塗層與內部CVD TiN/TiCN/TiN塗層的結合。內部CVD塗層可提供極好的基體粘合力和耐磨性，而外部PVD塗層提供一個堅固的、超細晶粒的、不易脆裂的、表面光滑的刀具表層。這種CVD-PVD相互結合的塗層有助于延長刀具在難加工金屬材料和鋼材加工的斷續切削時刀具使用壽命。新型的PVD TiCN或TiAlN塗層的金屬陶瓷刀具，在用于車削和銑削鋼材、不鏽鋼和鑄鐵的精加工和半精加工過程中，其可靠性已經得到改進。它們的化學成分穩定，具有高紅硬性和維持高速切削的能力，確保了降低被加工零件的尺寸誤差，獲得良好的表面質量，高的效率以及更長的刀具使用壽命。

陶瓷刀具也有了重要意義的發展。常規的Al2O3白色陶瓷刀具已被超細微粒的Al2O3-TiCN黑色陶瓷所取代。其高強度與高抗磨損性適用于硬度高達60HRC的鑄鐵、合金鋼、工具鋼和不鏽鋼的車削和镗削精加工。PVD TiN塗層已經爲這些工具的耐磨性的更進一步的提高做出了貢獻。碳化矽強化Al2O3陶瓷的發展，使得高速加工鎳基合金已成爲現實。

純Si3N4基陶瓷所具有的高熱導率和堅韌性使用于鑄鐵(發動機氣缸，刹車鼓，刹車)的高速加工。CVD Al2O3塗壓鑄層使Si3N4基陶瓷可應用于加工灰口韌性鑄鐵。

作爲強化Al2O3金屬陶瓷的補充刀具材料，SIALON矽鋁氧氮聚合材料徹底更新了鎳基合金加工的生産力。例如:以3500sfm(英尺/分鍾)的表面速度加工高溫合金材料718鉻鎳合金和PH不鏽鋼就是一個SIALON矽鋁氧氮聚合材料作爲刀具材料的有力佐證。

高速加工需要超硬的切削工具。其中聚晶金剛石(PCD)適用于加工非常耐磨損的高矽鋁合金(含Si>12%)、有色金屬材料和複合材料；聚晶立方氮化硼(PCBN)適用于硬的黑色金屬材料的車削、镗削和銑削加工。

塗層領域新近的發展是將純金剛石薄膜用CVD塗層的手段牢固地塗覆于硬質合金基材上。金剛石塗層的硬質合金刀具可具有PCD刀具的性能，又可以通過模具成型斷屑槽的方式使刀具在設計和使用工藝上更具靈活性。

切削工具制造商正通過開發像MoS2或者WC/C這樣的固體潤滑劑來滿足這一需要。當與PVD TiAlN塗層刀具和固體潤滑劑結合使用時，能顯著的提高金屬切削的性能，尤其是對于鋼和鋁合金進行鑽孔和攻絲的加工。

如今超耐磨切削刀具的應用，如金剛石刀具用于有色金屬、CBN刀具用于黑色金屬的高速切削和磨削等已成爲典範。盡管其刀具采購成本高于傳統工具的20～50倍，但因其具有比其它刀具至少長100倍的使用壽命，采用此類超耐磨刀具還是相當劃算的。



2。切削刀具的設計

高速加工的使用者要求經過動平衡的切削刀具，以便減少調整刀具平衡的時間，延長刀具使用壽命，改進被加工零件的精度以及增加主軸軸承的壽命。

鑽削、镗削工具系統也在不斷的改進和發展。可更換鑽頭合金刀片已成趨勢，鑽尖磨損後鑽頭無需從刀架上卸下也可更換切削刃。現在市場已可以提供直徑小到0。5 英寸的這類鑽頭。目前工具制造商正在制造直徑爲0。25英寸的此類鑽頭。帶有0。5μm調整機構的高速精密微調镗刀系統也已進入市場。

對于高的金屬去除率的钛金屬類加工，新開發的重切削立銑刀可安裝多達72個可轉位刀片。這種刀具在設計上通過各個刀片的搭接提供各種變化多樣的刀具螺旋角和軸向刃傾度。這種變化擾亂了切削加工時的共振，從而可以無共振地進行深度的銑削加工。



3。工具系統結構

制造商對HSK工具系統支持高速機械加工的運用越來越感興趣。雖然這種工具系統最初十分昂貴，但HSK似乎能夠提高系統的剛性和穩定性以及在高速加工時的産品精度，並縮短刀具更換時間。工具供應商正在不斷地改進HSK工具系統，使其適應機床主軸轉速達到60000r/min。



4。刀具質量與精度

在 20年前，CNC機床達到25μm的精度被視爲極限。如今機床制造精度接近原精度值的1/10已不困難。與此同時，SPC控制和在線檢測對解決被加工零件質量的一致性起到了很好的控制作用。在零部件裝配時不再需要根據零件加工誤差進行分組選配。據報道高精密機床及被其加工的精密産品在過去的20年中對驅動美國生鑄鋁産力的提高起到了決定性的作用。雖然很多因素對于加工精度的重大改進有重大的貢獻，但是在進一步提升制造業的精度水平中，數據收集、計量設備、工序過程標准化的應用等已經起到關鍵的作用。



5．切削工具制造商和服務

近年來不斷出現一些綜合的工具制造商。一些主要切削工具供應商更多的注重發展其核心業務，並通過重組和收購擴大其業務範圍。Sandivik在過去的十年中收購了35家，2002年又完成了對 Walter和Valenite等三家重點的收購。美國肯納也是如此。切削工具制造商能夠通過簡化現成的銷售和服務渠道提供更大範圍的産品和服務。

世界先進的工具生産商的經營理念是積極地爲顧客的生産效率的提高提供優質服務，通過與R & D機構(研究與開發)密切合作，爲顧客創造獨一無二的解決方案，讓顧客得到的是價廉物美的産品與服務，做顧客生産力提高的夥伴。