微细切削刀具发展现状
蒋 放1
廖文敏1
李 晴
2
(1.北华航天工业学院,河北廊坊065000; 2.河北师范大学职技学院,河北石家庄050031)
摘 要:本文对微细切削刀具在微细切削加工中的作用进行了阐述。根据微细切削刀具的工作环境,分析了其应当具备的特点;从微细切削刀具的加工机理、设计方法和制备技术三个方面概述了与微细切削刀具相关的研究成果;针对该研究方向上目前存在的瓶颈问题进行了总结。关键词:微细切削;加工机理;刀具设计;刀具制备
中图分类号:TH161 文献标识码:A 文章编号:1673-7938(2009)04-0006-04
收稿日期:2009-05-22
作者简介:蒋 放(1974-),男,汉,讲师,博士,重庆人,从事先进加工技术研究。
0 引 言
微细切削技术是实现金属微小型结构件高精度加工的有效途径,是微细加工技术的重要组成部分。而微细切削刀具作为微细切削加工的重要执行元件,是实现微细切削的重要支撑技术,是发展微细切削的关键之一。目前主要的微细切削刀具包括微细车刀、微细立铣刀、微细飞刀和微细钻头等。1 微细切削刀具的特点
受尺度效应影响,微细切削的刀具磨破损、切削应力、切削表面形成等加工机理显著区别于常规切削加工,刀具所承受的切削抗力、摩擦、散热和冲击等工况条件恶劣。因此,适用于微细切削的刀具应满足以下基本要求。1.1 特征尺度微小
针对微小型系统中广泛存在的框架、平面、曲面、轴、槽、壁、孔等各类微小型结构件,为了适应微细切削的加工特征微小和加工精度较高的需求,并避免与工件之间的干涉,切削刀具切削部分的特征尺度必须同步减小。1.2 切削刃锋利
微细切削条件下,为了实现极微量的材料去除,所采用的切削深度和进给量通常在微米级,切削厚度与刀具刃口半径处于同一数量级,刀具实际前角将表现为较大的负值。刃口半径对于微细切削性能的影响不容忽视,切削刀具应具有足够锋利的切削刃。但是,受刀具材料特性和制造工艺的限制,刃口
半径还不能随刀具整体尺度的降低而成比例的降低。
1.3 强度高
因微细切削加工中,切削厚度很小,材料去除时的剪切应力表现出对尺度的强烈依赖性,将随切削厚度的降低快速增大。且微细切削,尤其是微型零件的切削,一般是在极高的主轴转速下进行的。因而,微细切削刀具的切削部分应具备足够高的强度和动态特性,能够承受微细切削时的高频冲击负载。1.4 表面质量高
表面质量对于微细切削刀具使用性能的影响极大。为了获得良好的微细切削精度和表面质量,微细刀具应具备光滑的切削刃形状、较高的表面完整性以及合理的表面粗糙度。表面质量不仅增加微细切削时的摩擦阻力,导致加工表面恶化,并且削弱刀具强度。
1.5 耐磨性好,磨损过程均匀
微细切削刀具的切削部分应具有足够高的硬度以保证耐磨性。利用磨钝的刀具进行微细切削时,不仅影响加工精度,并且将产生明显的加工毛刺现象,给表面精整带来困难。2 微细切削刀具的加工机理
微细切削条件下,受加工尺度与刀具特征参数的共同影响,将发生一系列特有的加工现象和机理。与常规尺度切削相比,微细切削刀具前刀面参与切削的程度减小,刀刃附近区域将承担主要的材料去除工作,此时刃口半径对于切削变形和材料去除的影响不容忽视。因此,各国学者对于微细切削刀具刃口附近发生的切削加工机理给予了较多关注。如袁哲俊等人从表面粗糙度、显微硬度、残余应力和加
第19卷第4期
2009年8月
北华航天工业学院学报
Journal of North China Institute of Aerospace Engineer ing
Vol 119No 14
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工表面层位错密度的角度分析了切削刃口半径对精密切削加工表面完整性的影响[1];Kim等人建立了一种考虑切削刃口半径和弹性回复的正交切削模型,并对耕犁和滑动效应进行了量化分析[2]。
受当前刀具制造方法和工艺水平的限制,所能实现的刀具刃口半径与切屑厚度的尺度相当。因此,有效切削前角表现为较大的负值,将导致耕犁和工件材料的弹塑性变形,这成为影响微细切削机理的主导因素。如果切屑厚度与刀具刃口半径在同一尺度,或者更小,那么在刀具的每一个运动形成内,切屑不一定都会形成,这就是著名的临界切屑厚度效应,该效应将对微细切削的切削力、工艺稳定性和加工表面粗糙度产生深远影响。
Lucca等学者通过对无氧高导电性铜(OFH C 铜)的微细切削试验发现,当切削厚度接近于刀具刃口半径时,产生明显的耕犁和工件弹性回复现象,并且单位切削能量明显高于克服剪切和前刀面上摩擦所需的能量[3]。Dautzenberg的研究表明,由于刃口半径效应,在一定切削用量范围内,随着切削度的下降,切削能量反而是增加的。Lucca等人的研究表明,塑性变形层(亚表面损伤)几乎不受临界切削厚度的影响,而主要受刀具刃口半径的影响[4]。Lucca 与Seo的研究表明,法向前角和刀具刃口轮廓对于切削合力和消耗的切削能量具有显著影响。Vogler 等学者的研究表明,刀具刃口半径对于加工表面粗糙度具有显著影响[5]。Lee与Dornfeld的研究表明,微细铣削条件下,刀具刃口半径与切屑尺度的比值相对较大,导致摩擦和挤压作用增强,抑制了切削的顺利进行,因此将产生更多的毛刺。
3微细切削刀具的设计方法
目前针对微细切削刀具设计理论方面的研究成果较少,多为针对刀具局部强度问题,应用有限元法进行分析。如德国柏林工业大学采用载荷动态加载与有限元应变分析的方法实现了微细立铣刀的参数化优化设计(见图1)。其主要设计思想是,缩短切削部分的最大长度;通过减小切削部分与刀尖和锥部的比例,消除了轴向角对于刀具稳定性的影响;铣刀最小直径通过优化后的切削刃的几何参数和工件材料确定[6]。
4微细刀具制备方法
微细切削刀具的制备方法是制约微细切削技术发展的难点之一。精密微细机械磨削、电火花线电极磨削(WEDG)、聚焦离子束溅射(FIB)、激光加工
等方法是目前主要的微细刀具制备技术。
图1微细立铣刀的优化设计
4.1精密微细磨削工艺
磨削工艺是目前比较成熟的刀具制备和修整方法。微细刀具的精密磨削工艺主要采用金刚石砂轮,能够实现高速钢和硬质合金材料的精密成形。该工艺的要点是:为防止小直径刀具的折断,应合理确定刃磨时的磨削压力;通过对砂轮施加振动,可以显著减小磨削力和最小成形直径。精密微细磨削工艺在一定程度上可以满足微细切削刀具的制备要求,但是受磨削力的影响,能够稳定获得的刀具最小直径受限。另外,刃磨工艺容易造成刀具表面划痕和刃口缺陷,将直接影响加工表面质量和精度水平;磨削热应力容易引起刀具表层微观结构的变化;微细立铣刀的同心度和直径偏离等制造误差有可能大于微细切削的单齿进给量,成形精度有待提高。
德国卡尔斯鲁厄研究中心利用瑞士EWAG工具磨床和金刚石砂轮,在晶粒尺度为1L m的硬质合金上刃磨出了直径为35L m的微细立铣刀[7]。日本理化研究所应用微细磨削工艺在硬质合金材料上制备出了最小特征尺度为2L m的棱椎形微细工具和超大长径比的微细冲具(见图2),主要用于金属薄
片上微小孔的冲压。
图2日本理化研究所刃磨出的棱椎形微细工具
4.2电火花线电极磨削工艺
电火花线电极磨削工艺的材料蚀除机理与普通电火花加工相同,其运动特点为:线状电极在导向器
第4期蒋放等:微细切削刀具发展现状2009年8月
上连续移动,导向器沿工件径向作微进给,而工件随主轴旋转的同时作轴向进给。该种制备方法的主要优点是:线电极与工件之间为点接触,容易实现微能放电;线电极始终沿导向器匀速运动,可以忽略线电极损耗对加工精度的影响。通过控制工件的旋转与分度,配合轴向的精密进给控制,WEDG工艺可以加工圆柱、圆锥、棱柱、螺旋槽、平面等多种截面形状。该方法的主要优点是:刀具成形过程中没有机械力的作用,成形的尺寸精度和形状精度高,为微细刀具的制备提供了一种有力的工具[8]。
4.3聚焦离子束溅射工艺
聚焦离子束溅射工艺是一种显微加工技术,同样可以用于微细刀具的制备。选择原子量较大的液态金属镓(原子量为69.72,其原子质量远远大于电子的质量)作为离子源,在离子柱顶端施加高密度的电场形成数十keV的高能离子束,通过静电透镜将离子束聚焦为亚微米直径的斑点。然后控制聚焦后的镓离子束对工件进行轰击,将镓离子的动量传递给工件中的原子或分子,产生溅射效应从而实现材料的去除。通常每个入射镓离子可以去除3~5个工件原子,可以精确地控制材料的去除。利用聚焦离子束溅射工艺,可以对硬质合金、高速钢、单晶金刚石等材料进行显微加工。与精密磨削相比,基于聚焦离子束溅射的刀具成形过程没有机械力的作用,刀具在制造过程中不会破损,能够制备出具有极小特征尺寸的微细刀具。
桑迪亚国家实验室应用聚焦离子束(FIB)溅射工艺制备出一系列直径为15L m~100L m、刃口半径为40nm的微细切削刀具;密歇根大学采用聚焦离子束溅射工艺制备出了直径为22L m的微细立铣刀[9]。
4.4激光加工工艺
为了克服聚焦离子束溅射工艺成形效率偏低的问题,德国卡尔斯鲁厄大学探索采用激光加工工艺进行微细刀具制备。该工艺同样没有机械力的作用,加工过程中无振动,刀具不产生变形,加工成本低。目前存在的问题是,成形表面比较粗糙,加工表面质量有待提高。
4.5传统的聚晶金刚石涂层由于太厚(约为2~ 100L m)而不适用于微细切削刀具
这是因为较厚的聚晶金刚石涂层会显著增加刀具的刃口半径而使刀具变钝。Patrick等学者通过采用热化学气相沉积方法(HFCVD),在直径为300L m的小直径立铣刀上制备出厚度和晶粒尺度均小于2L m的金刚石涂层,显著改善了刀具的微细切削性能。
5研究中的主要问题
微细切削对于微型产品的需求有极强的适应能力,为非硅材料高深宽比微小型结构件的精密加工提供了一种全新的技术途径。微细切削刀具是实现微细切削的技术关键,但目前的研究重点侧重于技术开发,而对于其中的基础科学问题涉及较少,制约了微细切削原理与技术优势的发挥。
5.1缺少适用于微细切削刀具的设计准则与方法
目前关于微细切削刀具的技术主要包括精密微细磨削、电火花线电极磨削(WEDG)、聚焦离子束溅射(FIB)等刀具制备方法。而对于微细切削尺度下的刀具设计准则很少涉及。另一方面,当前研究大多与微细切削机理一道进行,研究重点集中在精密与超精密切削中的刀具刃口半径效应、最小切削厚度、微细切削力建模与预测、刀具磨破损、切屑形成、表面形成、切削能量分配等方面,专门针对微细切削刀具的研究相对较少。
5.2微细切削刀具的磨损、破损现象严重
微细切削时,刀具的磨损形态和特征不规则,不能用常规的方法进行评价。尤其是加工钢等较硬材料时,刀具在严重磨损以前即可能发生早期破损,很难获得稳定的磨损耐用度。目前还缺乏适用于微细切削的磨钝标准体系。与磨损相比,微细切削刀具的破损问题更加突出,主要表现为整体折断。这是因为:微细刀具的制造误差不能随刀具特征尺度的下降而成比例的下降,制造缺陷相对严重,刀具可靠性低;微细回转刀具的直径小,长径比或深径比大,悬伸量大,整体强度和刚性不足;微细铣刀和钻头的容屑槽空间有限,实际切削前角会由于切屑的堵塞而减小,容易引起切削力的成倍增大而使刀具在短时间内迅速折断。
5.3微细切削刀具的制备技术滞后
具有极小特征尺度的微细切削刀具是实现微米级切削的必要条件之一,刀具制备技术的滞后制约了微细切削应用水平的提高。根据分子动力学的仿真结果,要实现具有一定实用价值的加工单位
2009年8月北华航天工业学院学报第19卷
为0.1L m的微细切削,刀具刃口半径应小于1L m,目前的细晶粒硬质合金还达不到这一水平。在专用刃磨机上应用微细磨削工艺能够实现微细刀具的批量化生产,但由于磨削力的作用,刀具几何参数的一致性很难保证,成品率低,并且刀具最小直径受限。目前商品化供应的微细立铣刀的最小直径为0.05mm,微细钻头的最小直径为0.03mm,仍不能满足微细切削的加工需求。聚焦离子束溅射工艺(FIB)和微细电火花线电极磨削工艺(WEDG)是目前最先进的微细刀具制备技术。其中,FIB工艺能够制备亚微米级分辨率的形状和切削参数复杂的微细刀具,但对设备的要求高,成型效率低,费用昂贵;WEDG工艺成型效率高,主要用于微细钻头和立铣刀的在线制备,但随后的微细切削需要在制作刀具的微细电火花机床上进行,工艺的应用范围受到一定局限[10]。
6结语
微细切削刀具技术的突破和进步有利于推动微细切削和微小型系统技术的发展。当前迫切需要针对发展微细切削刀具技术的科学需求,开展基础性研究工作。
微细切削刀具是实施微细切削的必要条件,将直接决定微细切削技术的应用水平。因此,微细切削刀具技术的研究和开发具有十分重要的理论与技术价值。随着微细切削刀具设计理论与方法、刀具材料、制备工艺、应用技术等相关理论和技术的发展,微细切削刀具的实用化程度不断提高,将成为推动微细切削发展的重要基础技术。参考文献:
[1]Z J Yuan,M Zhou,S Dong.Effect of diamond tool shar p-
ness on minimum cutting thickness and cutt ing surface in-tegrity in ultrapr ecision machining[J].Journal of M aterials Processing T echnolog y,1996,(62):327-330.
[2]Jeong-Du K im,Dong Sik Kim.T heoretical analysis of m-i
cro-cutting characteristics in ultra-pr ecision machining[J].
Journal of M aterials Processing T echnolog y,1995,(49): 387-398.
[3]L ucca D A,Rho rer,R L,K omanduri.Energy Dissipation in
t he U ltr aprecision M achining of Copper[J].A nnals of the CIR P,1991,40:69-72.
[4]L ucca,D. A.,and Seo,Y.W.Effect of T ool Edg e Geom-
etry on Energ y Dissipation in U ltraprecision M achining[J].
CIR P Ann.,1993,42:83-86.
[5]M P V ogler,R E DeVor,S G K apoor.M icr ostructur e-L ev el
F orce Pr ediction M odel for M icro-milling of M ult-i Phase
M aterials[J].Journal o f M anufactur ing Science and Eng-i neering,2003,(125):202-209.
[6]C R Fr iedrich,P J Coane,M J V asile.M icromilling develop-
ment and applications for microfabr ication[J].M icroelec-tronic Engineer ing,1997,(35):367-372.
[7]K ai Egashira,Katsumi M izutani.M icro-drilling of mono-
crystalline silicon using a cutting tool[J].P recision Eng-i neering,2002,263-268.
[8]贾宝贤,胡富强,王振龙,赵万生.线电极电火花磨削技
术在微细加工中的应用[J].电加工与模具,2006,22-
25.
[9]张宪译.在显微镜下加工[J].国际金属加工商情,2005,
(4).
[10]刘志兵,王西彬,蒋放.微细切削刀具的特征及其制备
技术[J].工具技术,2006,(40):17-19.
Development Status of Micro-C utting Tool
JIANG Fang1LIAO Wen-m in1LI Qing2
(1.North China Institute of Aerospace Engineering,Langfang065000,China;
2.College of Career T echno logy of Hebei Normal U niversity,Shijiazhuang050031,China)
Abstract:In this article,the ro le of micro-cutting tool in micro-machining is expounded.T he character of micro-cutting tool is ana-lyzed in accordance w ith its wor king env ironment.T he interrelated research achievement is ex patiated in machining mechanism,de-sign method,fabricatio n technology of micro-cutting tool.T he present bottleneck problem in this r esearch direct ion is summarized. Key words:micro-cutting;machining mechanism;tool design cutting;too l fabrication cutting
第4期蒋放等:微细切削刀具发展现状2009年8月
机加工中刀具材料的应用及发展趋势 金属切削加工是现代机械制造工业中一种最基本的加工方法,在其过程中，刀具直接完成切削余量和形成已加工表面的任务，而刀具材料又是决定刀具切削性能的根本因素,它对加工效率、加工质量、加工成本以及刀具耐用度的影响极大。就拿切削速度来说,在最初使用碳素工具钢作为刀具材料时,切削速度只有每分钟10米左右；19世纪末20世纪初出现了高速钢刀具材料,切削速度提高到每分钟几十米;30年代出现了硬质合金,切削速度提高到每分钟100~５００米;20世纪中叶以后又出现了复合陶瓷、金刚石、CBN超硬刀具材料等,高速钢和硬质合金则发展了许多新品种。迄今，已使切削速度提高到每分钟一千米以上。历史事实表明，在切削加工的发展过程中,刀具材料始终是最积极的因素。同时,被加工材料的发展也大大地推动了刀具材料的发展。因此,我们应当重视刀具材料的正确选择和合理使用,关注新型刀具材料的研制和发展趋势。1刀具材料应具备的性能性能优良的刀具材料,是保证刀具高效工作的基本条件。刀具切削部分在强烈摩擦、高压、高温下工作,应具备如下的基本要求:一是高硬度和高耐磨性;二是足够的强度与冲击韧性;三是高耐热性、导热性和小的膨胀系数；四是良好的工艺性和经济性。2常用刀具材料常用刀具材料有工具钢(包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢)、硬质合金、超硬刀具材料和陶瓷。碳素工具钢和合金工具钢因其耐热性很差，仅用于手工工具。陶瓷和超硬刀具材料则由于性质脆、工艺性差及价格昂贵等原因,目前尚在有限的范围内使用。当今,用得最多
的为高速钢和硬质合金, 几乎各占一半。2．１高速钢高速钢是一种加入了较多的钨、铬、钒、钼等合金元素的高合金工具钢,有良好的综合性能。其强度和韧性是现有刀具材料中最高的。高速钢的制造工艺简单,容易刃磨成锋利的切削刃,锻造、热处理变形小，目前在复杂的刀具，如麻花钻、丝锥、拉刀、齿轮刀具和成形刀具制造中,仍占有主要地位。２.2硬质合金硬质合金是高强度难溶的金属化合物(主要是WＣ、TｉＣ等,又称高温碳化物）微米级的粉末,用钴或镍等金属作粘结剂烧结而成的粉末冶金制品。其中高温碳化物的含量超过高速钢,绝大多数车刀、端铣刀和部分立铣刀、钻孔绞刀等均已采用其制造,切削速度可达到100~２00m/miｎ以上,是最主要的刀具材料之一。但因其工艺性较差,用于复杂刀具尚受到很大限制。3新型刀具材料3.1涂层刀具涂层刀具材料是近20年出现的一种新型刀具材料。它是在一些韧性较好的硬质合金或高速钢刀具基体上,涂覆一层耐磨性高的难熔化金属化合物而获得的，是刀具材料发展中的一项重要突破。涂层技术可提高刀具的耐磨性而不降低其韧性，较好的解决了刀具材料存在的强度和韧性之间的矛盾,是切削刀具发展的一次革命。从上世纪70年代初首次在硬质合金基体上涂覆一层碳化钛（TiC)后,到19８1年就把普通硬质合金刀具的切削速度从80m ／ｍin提高到３00ｍ/ｍin。在高速钢基体上刀具涂层多为TiN,常用物理气相沉积法(PVD法)涂覆,相当于一般硬质合金的硬度,耐用度可提高2～5倍，切削速度可提高２０%~40％;在韧性较好的硬质合金基体上,涂层多为高耐磨、难熔化的金属化合物，一般采用化学
刀具市场分析
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据有关资料显示,去年我国共进口各类刀具产品两万三千三百六十四件，比上年增加６4％;进口刀具购置费高达两亿八千五百壹拾六美元，比上年增加87%。这些数字说明,国产刀具还远远赶不上机床主机的发展,所以才造成目前“洋刀＂畅销的局面。 在市场经济全球化趋势愈加显著的今天,明确与国际先进水平的差距,找准五金刀具制造界的发展趋势并迎头赶上，便显得尤为重要。我国已经成为“世界制造工厂”，这只是一些乐观人士的估计。目前，我国制造业的主力还是集中在搞来料加工，独立生产高尖端技术型产品的能力还不强，整体竞争力还有待提高。与国际水平相比，我们的差距在哪里??据专家分析，我国的差距是阶段性的。主要表现在,制造业仍以低端制造业为主，产品附加值不高,仅为26.23%。作为出口大国的我国，出口物品主要是劳动密集型产品，技术含量低。与此同时，我国制造业的能耗却高出国际发达水平２0％到３0%。进入新世纪以来，随着发达国家的制造业大规模向中国转移，同时国内制造业也加快了技术改造的步伐，于是国产数控机床开始大量进入制造领域。随之一个尖锐的矛盾很快浮出了水面，先进的数控机床,配不到先进的国产刀具，不得不配“洋刀”。?中国刀具工业几十年如一日的产品结构,在新的发展时期终于暴露出严重缺陷，拖了制造业现代化的后腿。如何解决差距，加速产业发展? 中国的刀具企业和先进的跨国刀具企业相比，从资金、技术、装备和管理水平等方面都存在很大的差距，似乎找不到什么优势。但是我认为，至少有两大优势是中国刀具工业发展的宝贵条件。那就是:自然资源和人力资源。可惜这两种资源都没有被很好利用和把握，丧失了很多发展机遇。我国刀具材料的资源得天独厚。2０03年我国生产高速钢６万吨，硬质合金1.25 万吨，都占到世界总量的４0%左右。但是，同年我国刀具的销售额,还不到全球刀具销售额的6%,这个巨大的反差令人震惊。说明我国刀具产品的附加值太低。在人力资源方面，我国刀具工业几十年来培养了一支素质良好的职工队伍。虽然受我国工业基础水平的影响，知识陈旧了一些,需要更新和提高。但这一步是不难赶上去的。许多外资企业从中国刀具企业聘请了大批人员，经过培训都能很快适应现代刀具的生产、营销和服务工作，表现十分出色,证明了这支队伍的能力。但由于我国刀具企业长期生产千篇一律的标准产品，把这支队伍的开发潜力和服务潜能白白地浪费了，这是十分可惜的。那么,怎样才能充分发挥我国的资源优势和人力优势,把刀具工业的发展推向一个新水平呢?专家认为首先要从转变观念强化服务入手。刀具企业要彻底丢掉几十年来养成的千篇一律，有啥卖啥的旧习惯,把满足制造业的需求放在首位。树立了这样的指导思想和发展方针,即使没有大量的现代化装备,也能生产出用户欢迎的好产品。有了这种指导思想，浪费资源的粗制滥造,浪费人才的墨守成规,就会大大减少。?近年来，我国刀具工业开始涌现了一批科技型的民营企业,就是这样发展起来的,其成长速度超过了力量雄厚的国有企业,值得关注。刀具工业要解决现代化的课题,强化服务意识和提高服务水平是重中之重,其紧迫性远远超过装备的改善。我们有过很多沉痛的教训，一些企业花大价钱引进了国外先进装备，但旧观念没有改变，依然生产千篇一律的标准刀具，结果不受市场欢迎。当今发达国家的现代刀具制造业,经过上世纪８0年代以来的兼并、重组和提高，呈现出“高起点、大投入、规模化、国际化"的特点和集中化趋势。1０家最大的跨国刀具集团,占有国际刀具市场三分之二的份额。我国刀具企业与之相比，不论在产品开发能力、工艺开发能力、装备开发能力和营销服务水平方面都存在很大差距。必须承认,这个差距不是一朝一夕能够赶上去的。刀具工业毕竟是一个传统产业,和高新技术发展规律是不一样的。很多技术和经验，要依靠一个长期积累的过程。我国刀具工业在近年的改革发展中，也开始注意到根据自身条件，准确定位,选择合理发展模式的问题。很多大中型企业,都放弃了“大而全"、“小而全"的发展模式,开始呈现出各自的特色,这是一个十分可喜的现象。但是特色产品和服务的比重还不够大，转型速度还不够快。说明紧迫感不强,没有完全摆脱传统体制的影响，所以改革的步伐还要加快。在市场经济竞争中,企业是竞争的主体,它必须为自身的生存和发展负责。?所以,当前我国刀具工业的发展，不能满足制造业的需要,首先要从企业本身找原因,想出解决的办法。但另一方面，必须看到,我国市场经济的发展历史还很短，市场运作上还有很多不规范不完善的地方，影响了企业的健康发展,有时这种影响还十分严重。必须要政、企沟通,取得共识，由政府出面来解决。例如,多年来阻碍刀具工业健康发展的“劣质低价产品恶性竞争"和“不公平的投资导向＂。这两大问题，都和政府行为有直接的关系。世界先进水平就是中国五金刀具制造界努力的方向。我国五金刀具制造业的发展方向，专家总结为四点:一、大力发展节约资源型、环境友好型产业;二、改变产品档次,争取以质取胜，把信息技术嫁接到产品中；三、加快培养以企业为主体的技术创新体系； 四、加速高新技术的产业化。 刀具市场分析
刀具材料的研究现状及展望 2012034110 李贺 【摘要】随着难加工材料的日益增多以及对加工效率的要求的提高，刀具的发展对提高生产效率和加工质量具有直接影响。本文以刀具材料为主线，介绍了高速钢、硬质合金、陶瓷、超硬材料等刀具材料的性能以及现状。根据刀具材料的优缺点提出其适合的加工切削条件，同时在理论层面提出对未来发展的思考。 【关键词】高速钢；硬质合金；陶瓷；超硬材料；研究现状；展望 1 刀具失效形式和性能要求 刀具磨损是刀具的主要失效形式，常见的失效形式有：磨粒磨损、氧化磨损、粘结磨损、扩散磨损等正常磨损；卷刀、崩刃、崩碎、打刀等非正常磨损[1]。由此，刀具材料应具有良好的力学性能，另外还应具有良好的工艺性能以及可最大限度降低刀具成本的经济性[2]。 2 高速钢刀具材料 高速钢刀具材料可分为传统熔融高速钢、粉末冶金高速钢和少无莱氏体高速钢。但随着加工材料的发展，虽然其能满足通用工程材料切削加工的要求，但其性能已不够先进。 2.1 传统熔融高速钢 熔融高速钢刀具材料分为：普通高速钢；高性能高速钢。普通高速钢具有较好的塑性，常温硬度63～66HRC，而在高温下，硬度很差。高性能高速钢的硬度普遍比普通高速钢提高2～4 个HRC，高温硬度也较好，但是其抗弯强度、韧性较低[3]。 2.2 粉末冶金高速钢、少无莱氏体高速钢 粉末冶金高速钢及少无莱氏体高速钢解决了熔炼高速钢在冷凝过程中产生的粗大碳化物偏析及碳化物粗大问题。 少无莱氏体钢在热处理时需要进行渗碳处理提高表层的含碳量，以增加硬度，表层经淬火及回火后硬度可达66～67HRC 以上，成为超硬高速钢。少无莱氏体高速钢刀具有芯韧表硬的特点，具有好的综合性能[4]。 3 硬质合金刀具材料 硬质合金是由硬度和熔点很高的碳化物（称硬质相）和金属（称粘结相）。近年来随着材料技术的发展，将其分为P、M、K、H、S、N 六个系列[5]。P 类，主要用于切削钢材；K 类，主要用于切削铸铁；M 类，为普通型硬质 合金；H 类，主要用于切削高硬材料，如淬硬钢，冷硬铸铁等；S 类，用于切削耐热材料、高温合金等；N 类，用于切削有色金属[6]。 3.1 传统硬质合金刀具材料 分类：碳化钨基硬质合金、碳（氮）化钛基硬质合金。 性能：硬度为89.5～94HRA，具有较好的红硬性、耐磨性等综合性能，其适于加工未淬火的钢材。
数控机床的现状与发展 趋势综述
数控机床的现状与发展趋势 摘要：从20世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控技术的应用,关键在于开发具有高速度、高精度、高稳定性的高新技术设备,在现有加工设备中,只有数控机床才有可能担当其重任。然而,要实现真正意义上的高速切削加工,数控机床还需向高速、高精度、柔性化、控制系统开放性、控制系统支撑软件和工厂生产数据管理方向迈进,才能适应现代制造业飞速发展的要求。 关键：高速化 / 高精度化 / 复合化 / 智能化 / 开放化 / 网络化 / 多轴化 / 绿色化 进入21世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控机床的应用范围还在不断扩大，并且不断发展以更适应生产加工的需要。本文简要分析了数控机床高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、网络化、多轴化、绿色化等发展趋势，并提出了我国数控机床发展中存在的一些问题。 一、数控机床的发展趋势 机械加工装备对促进制造技术发展的紧密关系和以数字化为特征数控机床是柔性化制造系统和敏捷化制造系统的基础装备。其总的发展趋势是：高精化、高速化、高效化、柔性化、智能化和集成化，并注重工艺实用性和经济性。 （一）高速化 随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料的应用，对数控机床加工的高速化要求越来越高。 （1）主轴转速：机床采用电主轴（内装式主轴电机），主轴最高转速达 200000r/min；
第18卷 第3期2011年6月 金属功能材料M etallic Functional M aterials Vol .18, No .3 June , 2011 硬质合金刀具材料发展现状与趋势 陶国林 1,2 ,蒋显全2,黄 靖 3 (1.重庆工商大学,重庆400067;2.重庆市科学技术研究院 新材料研究中心,重庆400020; 3.重庆机械电子技师学院,重庆400030) 摘 要:回顾了各种硬质合金刀具材料的基本性能和发展现状,并对各种刀具材料技术的研究成果及发展趋势进行了探讨,同时提出了今后的发展方向。关键词:硬质合金;刀具材料;涂层 中图分类号:T G135.5 文献标识码:A 文章编号:1005-8192(2011)03-0079-05 Research Status and Developing Trend of Cemented Carbide Tool TA O G uo -lin 1,2,JIA NG Xian -quan 2,H U A NG Jing 3 (1.Chongqing Technolo gy and Business U niv ersity ,Chongqing 400067,China ;2.Cho ng qing A cademy o f Science and T echno lo gy ,Chongqing 400020,China ;3.Chongqing M echanical Elec trical A rtificer Co llege ,Cho ng qing 400030,China ) Abstract :Co nventio na l pe rfor mances and resea rch status o f many kinds of cemented car bide cutting too l material are rev iewed ,and the resea rch achievement o f cemented ca rbide too ls in recent year s are discussed ;M eanw hile ,develop -ment trend in the future is put fo rw ard . Key words :ceme nted ca rbide ;cutting to ol ma te rial ;coa ting 作者简介:陶国林(1975-),男,四川德阳人,硕士,助理研究员,主要从事碳化钨硬质合金方面的研究。 随着加工业的发展,难加工材料的使用日益增多,对加工效率的要求也不断提高。刀具的发展对 提高生产效率和加工质量具有直接影响。材料成分和结构以及几何形状是决定刀具性能的3要素,其中刀具材料的性能起着关键性作用。目前虽然可供使用的品种很多,新型的刀具材料也不断出现,但硬质合金是最受欢迎的一种刀具材料[1]。 硬质合金是由高硬度、难熔的金属碳化物(WC 、TiC 等)微米级粉末采用Co 、Mo 、Ni 等作粘结剂烧结而成的粉末冶金制品,。其高温碳化物含量超过高速钢,允许的切削温度高达800～1000℃,常温硬度达89～93H RA ;在540℃时为82～87H RA ,与高速钢常温时硬度(83～86H RA )相同;760℃时硬度达77～85H RA ,并具有化学稳定性好、耐热性高等优点。硬质合金刀具切削速度可达 100～300m /min ,远远超过高速钢,寿命是高速钢的几倍到几十倍[2] 。发达国家90%以上的车刀和 55%以上的铣刀都采用硬质合金材料制造,目前使用比重仍在增加[3]。另外,硬质合金也用来制造钻头、铣刀、齿轮刀具、铰刀等复杂刀具,硬质合金以其优良的性能正在更多的场合替代其他的刀具材料,现在已成为主要的刀具材料之一。 目前世界上硬质合金刀具已占刀具主导地位,占比达70%;金刚石、立方氮化硼等超硬刀具占比约为3%左右;而高速钢刀具正以每年1%～2%速度缩减,目前所占比例已降至30%以下。我国目前年产硬质合金1.6万t ,占全球总产量40%左右。但硬质合金制品附加值最高的切削刀片产量只有 3000余t ,只占20%[4,5] 。 从经济效益方面比较,我国刀具年销售额为
数控刀具材料及选用，再也不用盲目选刀 加工设备与高性能的数控刀具相配合，才能充分发挥其应有的效能，取得良好的经济效益。随着刀具材料迅速发展，各种新型刀具材料，其物理、力学性能和切削加工性能都有了很大的提高，应用范围也不断扩大。 一. 刀具材料应具备基本性能 刀具材料的选择对刀具寿命、加工效率、加工质量和加工成本等的影响很大。刀具切削时要承受高压、高温、摩擦、冲击和振动等作用。因此，刀具材料应具备如下一些基本性能： (1) 硬度和耐磨性。刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，一般要求在60HRC以上。刀具材料的硬度越高，耐磨性就越好。 (2) 强度和韧性。刀具材料应具备较高的强度和韧性，以便承受切削力、冲击和振动,防止刀具脆性断裂和崩刃。 (3) 耐热性。刀具材料的耐热性要好，能承受高的切削温度，具备良好的抗氧化能力。 (4) 工艺性能和经济性。刀具材料应具备好的锻造性能、热处理性能、焊接性能；磨削加工性能等，而且要追求高的性能价格比。 二.刀具材料的种类、性能、特点、应用 1．金刚石刀具材料的种类、性能和特点及刀具应用 金刚石是碳的同素异构体，它是自然界已经发现的最硬的一种材料。金刚石刀具具有高硬度、高耐磨性和高导热性能，在有色金属和非金属材料加工中得到广泛的应用。尤其在铝和硅铝合金高速切削加工中，金刚石刀具是难以替代的主要切削刀具品种。可实现高效率、高稳定性、长寿命加工的金刚石刀具是现代数控加工中不可缺少的重要工具。 ⑴金刚石刀具的种类 ①天然金刚石刀具：天然金刚石作为切削刀具已有上百年的历史了，天然单晶金刚石刀具经过精细研磨，刃口能磨得极其锋利，刃口半径可达0.002靘，能实现超薄切削，可以加工出极高的工件精度和极低的表面粗糙度，是公认的、理想的和不能代替的超精密加工刀具。 ②PCD金刚石刀具：天然金刚石价格昂贵，金刚石广泛应用于切削加工的还是聚晶金刚石
数控机床的发展趋势及国内发展现状 1．引言 从20世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件、需要频繁改型的零件、价格昂贵不允许报废的关键零件、要求精密复制的零件、需要缩短生产周期的急需零件以及要求100%检验的零件。数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。 进入21世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控机床的应用范围还在不断扩大，并且不断发展以更适应生产加工的需要。本文简要分析了数控机床高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、网络化、多轴化、绿色化等发展趋势，并提出了我国数控机床发展中存在的一些问题。 2．数控机床的发展趋势 2.1 高速化
随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料的应用，对数控机床加工的高速化要求越来越高。 （1）主轴转速：机床采用电主轴（内装式主轴电机），主轴最高转速达200000r/min； （2）进给率：在分辨率为0.01μm时，最大进给率达到240m/min且可获得复杂型面的精确加工； （3）运算速度：微处理器的迅速发展为数控系统向高速、高精度方向发展提供了保障，开发出CPU已发展到32位以及64位的数控系统，频率提高到几百兆赫、上千兆赫。由于运算速度的极大提高，使得当分辨率为0.1μm、0.01μm时仍能获得高达24～240m/min的进给速度； （4）换刀速度：目前国外先进加工中心的刀具交换时间普遍已在1s左右，高的已达0. 5s。德国Chiron公司将刀库设计成篮子样式，以主轴为轴心，刀具在圆周布置，其刀到刀的换刀时间仅0.9s。 2.2 高精度化 数控机床精度的要求现在已经不局限于静态的几何精度，机床的运动精度、热变形以及对振动的监测和补偿越来越获得重视。 （1）提高CNC系统控制精度：采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使C NC控制单位精细化，并采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度（日本已开发装有106脉冲/转的内藏位置检测器的交流伺服电机，其位置检测精度可达到0.01μm/脉冲），位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法； （2）采用误差补偿技术：采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术，对设备的热变形误差和空间误差进行综合补偿。研究结果表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少60%～80%；
2015-2020年中国切削刀具制造行业研究及市场投资决策报告 中国产业信息网
什么是行业研究报告 行业研究是通过深入研究某一行业发展动态、规模结构、竞争格局以及综合经济信息等，为企业自身发展或行业投资者等相关客户提供重要的参考依据。 企业通常通过自身的营销网络了解到所在行业的微观市场，但微观市场中的假象经常误导管理者对行业发展全局的判断和把握。一个全面竞争的时代，不但要了解自己现状，还要了解对手动向，更需要将整个行业系统的运行规律了然于胸。 行业研究报告的构成 一般来说，行业研究报告的核心内容包括以下五方面：
行业研究的目的及主要任务 行业研究是进行资源整合的前提和基础。 对企业而言，发展战略的制定通常由三部分构成：外部的行业研究、内部的企业资源评估以及基于两者之上的战略制定和设计。 行业与企业之间的关系是面和点的关系，行业的规模和发展趋势决定了企业的成长空间；企业的发展永远必须遵循行业的经营特征和规律。 行业研究的主要任务： 解释行业本身所处的发展阶段及其在国民经济中的地位 分析影响行业的各种因素以及判断对行业影响的力度 预测并引导行业的未来发展趋势 判断行业投资价值 揭示行业投资风险 为投资者提供依据
2015-2020年中国切削刀具制造行业研究及市场投资 决策报告 【出版日期】2015年 【交付方式】Email电子版/特快专递 【价格】纸介版：7000元电子版：7200元纸介+电子：7500元【报告编号】R350914 报告目录： 第1章：中国切削刀具制造行业发展综述14 1.1 切削刀具制造行业定义及分类14 1.1.1 行业概念及定义14 1.1.2 行业主要产品大类14 1.1.3 行业在国民经济中的地位14 1.2 切削刀具制造行业统计标准15 1.2.1 切削刀具制造行业统计部门和统计口径15 1.2.2 切削刀具制造行业统计方法15 1.2.3 切削刀具制造行业数据种类16 1.3 切削刀具制造行业原材料市场分析17 1.3.1 切削刀具制造行业产业链简介17 1.3.2 刀具材料市场发展状况分析18 （1）工具钢行业发展状况分析18 1）工具钢行业总体状况18
智 能 机 械 及 微 机 械 的 发 展 状 况 学院：机械与动力工程 班级:机制11-02 姓名:龙飞企 学号：311104001014
智能机械及微机械的发展状况 智能机械是机械发展的前沿领域，它的出现是机械发展历史的一座里程碑。智能机械与传统机械的区别非常显著，有许多传统机械不具有的特性。机械结构的振动、噪声、疲劳、损伤、断裂、破坏以及环境的自适应性，都影响机械及运载器的安全、可靠、舒适、节能及省料，这是机械设计的主要问题。自有机械以来，机械都是按照力学原理设计的，没有生命、没有智能，因此环境变化与人为因素会使机械的运行难以预测，可能导致机械损坏，使人民生命财产受到严重威胁。为了尽可能保证机械的运行安全，设计者往往采用保守设计，比如增大尺寸与重量，从而增加了能耗，减小了机械的有效载荷因此，为了减少上述不利影响，即减小尺寸与重量来降低能耗，增加机械的有效载荷，必须对机械的构造做出重大改进，或者是附加一些设备（可以不是机械或机构）。由此智能机械应运而生。 智能机械是相对于传统机械定义的，目前还没有智能机械的严格统一的定义，但各类说法大体相同。下面列出三种对智能机械所具有的基本结构的解读： １）智能结构，就是在基体中嵌人或粘贴传感器和致动器，并具有对致动器有控制作用的控制装置，从而能感知外界环境的变化及自身的实际状态，并能通过自身的感知，做出判断，发出指令，执行和完成动作，实现动态或在线状态下的自检测、自诊断、自监控、自修复及自适应等多种功能。 ２）智能机械和结构主要由驱动元件、传感元件、信息处理方法和控
制系统等组成，系统等组成，目前的应用主要是在智能控制、智能诊断和智能修复等方面，尤其是在减振降噪，智能机械结构，智能表层结构特性控制，智能自适应机械等方面的研究很活跃。 ３）传感器、致动器和控制器是智能机械结构重要的三个组成部分。传感器要求具有高度感受结构力学状态的能力，能够将应变或位移直接转换成电信号输出，它担负着感知外界环境变化，收集外界信息的任务。用作传感器有光纤传感器、电阻应变片传感器、压电材料传感器等。致动器的功能是执行信息处理单元发出的控制指令，并按照规定的方式对外界或内部状态与特性变化做出合理的反应，能直接将控制器输出的电信号转变为结构的应变或位移，具有改变智能结构形状、刚度、位置、固有频率、阻尼及其它机械特性的能力。致动器有压电材料致动器、电致伸缩材料致动器、磁致伸缩材料致动器、形状记忆合金致动器、电流变体致动器等。控制器是智能结构的神经中枢，智能结构的控制器集成于结构之中，其控制对象是结构本身。控制器应具有很强的鲁棒性、实时性和在线性。 可以看出，智能机械与传统机械的区别非常显著，有许多传统机械不具有的某些特性。而恰恰是这些特性使智能机械在高科技领域中占有一席之地，成为众人瞩目的焦点。智能机械是机械发展的前沿领域，可以说它的出现使机械发展的历史跨越了一座里程碑。 目前智能机械的例子有智能机械脚；农业机械智能化；计算智能，它包括人工神经网络、模糊系统、进化计算和专家系统等；用于深潜救生艇水下对接的智能机械手等。但是它的发展也面临着瓶颈首先，
国内刀具市场分析 “大决战”前的中国刀具市场 汽车作为一种体现一个企业甚至一个国家综合实力的高端机械产品，对十年前并不发达和富裕的中国来说还是一件奢侈品。但是，随着中国人均GDP 迈入一千美金门槛，近五年来在中国汽车市场上汽车的产销量是按让人眼红心跳的两位数在增长。2003 年全国汽车产销已达到440 万辆，成为继美国、日本和德国之后的全球第四大汽车生产国和第三大汽车销售市场，全新而充满巨大潜力的市场吸引了世界各大汽车企业以各种形式争相进入，红了眼的巨头们喊出了“决战中国”的响亮口号。 汽车的决战是建立在中国庞大的人口数量和人们日益富裕的生活基础之上，而数控机床与刀具的迅猛发展则是在中国国民经济持续向上发展和世界各主要工业大国将生产基地陆续迁入中国的大环境下发生的。2004 年1-7 月我国进口机床和刀具是33 亿美金，同比去年增长58%，根据国际金属加工研究中心调查报告指出，2003 年世界工具 市场销售额在130 亿美元左右，而全球年增长率却仅仅大约是3％。欧美市场普遍疲软 之时，在中国有如此令人眩目的增速和市场前景同样令国外“大鳄”眼馋，相信在未来的3-5年内，“大鳄”们“决战中国”的口号将同样响彻在中国机械制造领域的上空。 刀具在制造业中所占比重较少但却是一个非常活跃的领域。刀具的新材料．新技术层出不穷，生产、销售、服务的方式丰富多彩。 伴随着中国制造业的腾飞，刀具市场必将上演一场令人惊心动魄的“大决战”。 在中国现今的刀具市场上，国外各厂家通常按年销售额的概念分成三个集团，分别是3 个亿以上、1-3 个亿和1 个亿以下（指人民币）。 全球刀具行业的“巨无霸”瑞典山特维克集团的可乐满（Sandvik Coromant）当仁不让地处在第一集团，可乐满2001 年在华销售额是2.2 亿人民币，2002 年是2.8 个亿，而2003 全年在华销售了3.5亿人民币刀具。可乐满Coromant 拥有全系列超过25000 种各类刀具产品，并且还以每年开发超过1500 种新产品的速度在持续着它的“王朝霸业”；全球销量第二的肯纳集团（KennametaI）在华年销售额1.8亿人民币，处于第二集团领头羊的位置，紧随其后处在第二集团的是台湾兴合上海公司（主要代理德国KOMET 、MAPAL 以及日本三菱、NT 等进口刀具品牌），年销售额1.6 个亿；瓦尔特（WaIter）通过出色的造势和营销管理，加上工具磨床在内大约有 1.2个亿；伊斯卡（ISCAR ）在 成功收购了美国英格索尔（In gersoll ）的切削刀具部后在华也达到了 1.1亿的良好销售 业绩；同样，山高（Seco）携收购的法国EPB、荷兰Jabro —同也把在中国的销售额做过了亿元门槛从而挤入第二集团。
涂层刀具的应用现状及发展趋势 涂层技术是提升刀具性能的主要手段之一。通过涂层可以提高切削刀具抗各种磨损的能力，延长了刀具的寿命，提高了被加工零件的表面精度，也提高了切削速度和进给速度，从而提高金属切削效率。本期话题， 主要讨论刀具涂层技术的最新进展情况和发展前景。 涂层刀具的应用现状及发展趋势 涂层技术是提升刀具性能的主要手段之一。通过涂层提高了切削刀具抗各种磨损的能力，延长了刀具的寿命，提高了被加工零件的表面精度，也提高了切削速度和进给速度，从而提高了金属切削效率。今天，在切削刀具主流材料的硬质合金中，涂层硬质合金刀具占了80%，而其中CVD（化学涂层）又占了60％～ 65%，其余为PVD（物理涂层）。 在CVD涂层方面，包括TiCN、TiC、TiN、ZrCN和Al2O3等各种化合物的多层复合涂层对改善涂层的综合性能，如结合强度、韧性、耐磨性和抗磨性及耐腐蚀性具有良好的效果。现在典型的VCDTiN（外层）+ Al2O3（中层）+TiCN（内层）多层式结构正在从涂层工艺上和涂膜的厚度上得到进一步改善。MTCVD （中温化学涂层）因有较低的工艺温度和较快的沉积速率使得涂层与基体分界面上的脆性η相最小化，同时减少了在高温CVD涂层中常见的由高温导致的拉伸裂纹，因此，MTCVD TiCN涂层已成为CVD多层涂层中的一个主要构成，这种MTVCD已用于α- Al2O3涂层，如ISCAR的α-IC9150、α-IC9250、α-IC9350和α-IC4100等，提升了涂层与基体的结合强度和抗后面磨损、前面磨损和抗粘附的能力。 在PVD涂层方面，也从单一的TiN或TiCN或TiAlN涂层发展到现在的复合涂层即硬涂层+软涂层。为适应更高切削速度和干式切削的要求，涂层刀具的红硬性成为近几年PVD技术的开发热点。TiAlN的改进涂层AlTiN提高了薄膜中Al的含量（Al含量大于50%），提升了涂层的红硬性、化学稳定性和抗氧化的性能，如ISCAR的Al-IC910（加工铸铁和钢）、Al-IC900、Al-IC930（加工钢、不锈钢、硬钢、铸铁、 高温合金等）。 现代刀具涂层发展的一个重要特征就是复合化，为了提高其综合性能，涂层材料复合、涂层层复合以及CVD 与PVD复合，如ISCAR的DT7150（K05-K25）通过MTCVD Al2O3和PVD TiAlN复合涂层，提高了材质的综合性能，用于高速加工灰铸铁和球墨铸铁。而多样化是刀具涂层发展的另一个趋势，有各种氮化物、氧化物涂层材料，还有TiB、SN涂层、金刚石涂层、立方氮化硼涂层等等。多样化的深层次原因是专业化，即针对不同的需求采用不同的涂层，并能对涂层的组分、百分比、结构及厚度在更大范围内加以控制和改变，以适应不同的被加工材料和不同的切削条件，从而显著地提高刀具的切削性能。如CrAlN涂层，以Cr 元素替代Ti元素，具有3200HV硬度和1100℃的氧化温度，与TiAlN相比韧性更好，更适合断续切削和难加工材料的加工；以Si元素代替Al元素的涂层可获得用于硬切削的TiSiN，也可获得有润滑性的CrSiN，更适合用于铝、不锈钢等粘附性强的材料加工。此外，涂层材料的细微化是现代刀具涂层发展的另一个令人关注的趋势，纳米复合涂层正在越来越多的地方得到应用。在未来，刀具涂层将是一个系统的概念，即刀具涂层必须根据不断变化的现代切削应用条件来进行系统的组合，这是一种与传统观念中的“在刀具上涂覆一层薄膜”截然不同且复杂得多的系统工程方法，这需要我们进行系统思考。 刀具涂层进展概况 现代切削面临着不断发展的高速、高效、高精加工要求和愈来愈多的高强度、高韧性、难切削等高能级材
目录 1 先进刀具使用现状 (1) 1.1 刀具的材料 (1) 1.2 刀具涂层技术 (2) 1.3 立铣刀、丝锥、钻头等传统刀具进入高速切削发展阶段 (4) 1.4 可转位刀具的新进展 (4) 1.5 切削加工新的配套技术 (5) 2 先进刀具的发展趋势 (7) 2.1 数控切削技术的发展对刀具工业提出了更高的要求 (7) 2.2 刀具新技术、新结构、新品种的发展及趋势 (8) 2.3 与刀具相关新技术的发展 (10) 附录：参考文献 (12)
1 先进刀具使用现状 1.1 刀具的材料 当前，刀具材料进展的主要特点是：一方面硬质合金取代高速钢成为主要的刀具材料；另一方面超硬刀具材料使用比重大幅增加。 1.硬质合金基体方面 硬质合金新牌号的开发越来越具有很强的针对性,如美国Kennametal公司 仅针对不同被加工材料的车削加工牌号就有：加工钢材的KC9110、加工不锈钢的KC9225、加工铸铁的KY1310、加工耐热合金的KC5410、加工淬硬材料的KC5510、加工非铁材料的KY1615，新牌号比原牌号平均可提高切削效率15%～20%。山高公司推出的加工铸铁的TK1000、TK2000新牌号，可提高切削速度20%～30%，而该公司为加工钢件开发的TP3000在重切削、断续切削、大进给的应用中则有很好的可靠性。 铸铁和不锈钢是目前两种应用较多的工件材料，然而两者的可加工性有很大的差异，很多公司都开发出了加工这两种材料的专用牌号。如株洲钻石切削刀具股份有限公司开发的黑金刚刀片系列，是专门加工铸铁的硬质合金刀片，包括可干式高速加工灰铸铁的YBD052、可高速加工球墨铸铁的YBD102、可用于中高速或铣削的YBD152及适用中低速湿式铣削或断续条件下车削的YBD252等牌号。这些新牌号比原有的牌号可提高切削速度30%～40%，使用寿命可提高将近40%～50%。在加工不锈钢方面，瑞典Sandvik公司车削奥氏体不锈钢的GC2015是具有梯度区的抗塑性变形和改进热硬性的基体，加上专为此牌号而设计的 TiN-TiN/Al2O3(多层)-TiCN涂层，并对涂层表面进行平滑处理，提高了抗磨料磨损、抗剥落、抗积屑瘤的能力。而韩国KORLOY公司的PC9530为铣削不锈钢的牌号，采用超细颗粒的基体和PVD涂层。 2.在新牌号的开发中重视基体和涂层的优化组合 对于适合高速加工的牌号，其基体应有较高抗塑性变形的能力和富钴的表层及抗月牙磨损的涂层；对于适合断续切削的牌号，基体和涂层都要有较好的韧性。Sandvik公司车削铸铁的专用牌号GC3205、GC3210、GC3215为CVD涂层硬质合金，
国内外刀具行业发展趋势 随着制造技术的全球化发展趋势，特别以高精密的精加工为主流，适应当今的潮流，高精化，高速化，自动化，多功能化，高生产效率，所以对制造技术必然带来巨大的挑战，国家的强大靠工业发展带动，机床再先进也得靠实力加工完成，所以刀具在制造加工业中起到关键牙齿的作用，但中国刀具技术的发展现状不容乐观，中国市场需要大量的高性能刀具。特别是通用机械制造领域：汽车、航空航天、能源装备、医疗器械、轨道交通、齿轮、压缩机乃至一些重要的军工制造，都离不开刀具加工。尤其是在汽车制造、飞机制造中应用比例较高，其中汽车工业是消耗机床刀具的大户，占全球总刀具消费量的一半以上。 刀具行业应用的广泛性和重要性决定了对刀具性能更高标准的要求。目前国内刀具行业发展仍然处于缓慢阶段，与国外差距较大。一些中低端刀具产品占据市场较大份额，重要的专用刀具牌号缺乏。高端一些的涂层硬质合金刀具产品在国内占有份额极少，重要的汽车工业、航空航天领域几乎没有应用。国内高性能刀具市场被国外品牌抢占，如山特、肯纳、山高、瓦尔特、伊斯卡、住友三菱、钴领等等。 超硬材料刀具（PCD/PCBN）是我国近些年来新性发展起来的高性能刀具，尽管取得了一些进步，但整体发展状况依旧令人堪忧，主要体现在： 1、刀具制造企业技术研发能力不足；
2、对材质和被加工材质的研究不足，刀具应用问题解决能力差； 3、缺乏完善的加工参数数据库； 4、刀具产品研发缺乏系统性。 尽管如此，高性能数控刀具的发展却没有引起足够的重视，国家产业政策倾斜度不够，投入不足。对现代数控刀具高水平，大投入，规模化，国际化，技术密集的特点缺乏认识，在发展战略上，数控刀具与数控机床的发展严重脱节。整个中国刀具行业缺乏合理有机的发展环境！
金属切削原理 读书报告 《常用刀具材料分类、特点及应用》 姓名 学号 班级 学院 二○一五年五月
摘要 机械制造工业是制造业最重要的组成之一，它担负着向国民经济的各个部门提供机械装备的任务。我国现代化建设的发展速度在很大程度上要取决于机械制造工业的发展水平，因此，从这个意义上说，机械制造工业的发展水平是关系全局的。机械制造中的加工方法很多，其中材料去除加工精度较高、表面质量较好，有很强的加工适应性，是目前机械制造中应用最广泛的加工方法。材料去除加工时，刀具在工作时，要承受很大的压力。同时，由于切削产生的金属塑性变形以及各部的摩擦，使刀具切削刃上产生很高的温度和受到很大的应力，在这样的条件下，刀具将迅速磨损或破损。因此刀具材料性能应满足；高的硬度和耐磨性、足够的强度和韧性、高的耐热性、良好的热物理性能和耐热冲击性能、良好的工艺性能和经济性等要求。常用的刀具材料有高速钢、硬质合金、涂层刀具以及其他刀具材料包括陶瓷、金刚石和立方氮化硼等。其中陶瓷材料和超硬刀具材料对常规刀具材料的竞争越来越激烈，且所占比重快速增长。随着上述刀具材料的发展，使车削加工的切削速度提高了100多倍，而且新刀具材料出现的周期也越来越短。但在较长时间内，各种刀具材料将仍是相互补充，相互竞争。 关键词：刀具材料性能，刀具材料分类，刀具材料特点，刀具材料应用
目录 引言 (3) 第一章绪论 (3) 1.1金属切削技术的发展概况 (3) 1.2金属切削材料的研究意义 (4) 第二章刀具材料性能 (4) 2.1刀具切削环境 (4) 2.2刀具材料性能要求 (4) 2.3刀具材料主要性能 (6) 第三章刀具材料分类 (7) 3.1高速钢 (7) 3.1.1 普通高速钢 (8) 3.1.2高性能高速钢 (8) 3.1.3粉末冶金高速钢 (9) 3.2硬质合金 (9) 3.2.1钨钴类硬质合金 (10) 3.2.2钨钛钴类硬质合金 (10) 3.2.3钨钛钽（铌）钴类硬质合金 (11) 3.2.4硬质合金的选用 (11) 3.3涂层刀具 (12) 3.4其它刀具材料 (13) 3.4.1陶瓷材料 (13) 3.4.2金刚石 (14) 3.4.3立方氮化硼（简称CBN） (15) 第四章刀具材料发展 (15) 参考文献 (16)
硬质合金刀具材料的研究现状与发展思路【深度解读】
内容来源网络，由“深圳机械展（11万㎡，1100多家展商，超10万观众）”收集整理！ 更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、数控系统、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示，就在深圳机械展. 材料、结构和几何形状是决定刀具切削性能的三要素，其中刀具材料的性能起着关键性作用。国际生产工程学会(CIRP)在一项研究报告中指出：“由于刀具材料的改进，允许的切削速度每隔10年几乎提高一倍”。刀具材料已从20世纪初的高速钢、硬质合金发展到现在的高性能陶瓷、超硬材料等，耐热温度已由500——600℃提高到1200℃以上，允许切削速度已超过1000m/min，使切削加工生产率在不到100 年时间内提高了100多倍。因此可以说，刀具材料的发展历程实际上反映了切削加工技术的发展史。 常规刀具材料的基本性能 1) 高速钢 1898 年由美国机械工程师泰勒(F.W.Taylor)和冶金工程师怀特(M.White)发明的高速钢至今仍是一种常用刀具材料。高速钢是一种加
入了较多W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具钢，其含碳量为0.7%——1.05%。高速钢具有较高耐热性，其切削温度可达600℃，与碳素工具钢及合金工具钢相比，其切削速度可成倍提高。高速钢具有良好的韧性和成形性，可用于制造几乎所有品种的刀具，如丝锥、麻花钻、齿轮刀具、拉刀、小直径铣刀等。但是，高速钢也存在耐磨性、耐热性较差等缺陷，已难以满足现代切削加工对刀具材料越来越高的要求；此外，高速钢材料中的一些主要元素(如钨)的储藏资源在世界范围内日渐枯竭，据估计其储量只够再开采使用40——60年，因此高速钢材料面临严峻的发展危机。 2) 陶瓷 与硬质合金相比，陶瓷材料具有更高的硬度、红硬性和耐磨性。因此，加工钢材时，陶瓷刀具的耐用度为硬质合金刀具的10——20倍，其红硬性比硬质合金高2——6倍，且化学稳定性、抗氧化能力等均优于硬质合金。陶瓷材料的缺点是脆性大、横向断裂强度低、承受冲击载荷能力差，这也是近几十年来人们不断对其进行改进的重点。 陶瓷刀具材料可分为三大类：①氧化铝基陶瓷。通常是在Al2O3基体材料中加入TiC、WC、ZiC、TaC、ZrO2等成分，经热压制成复合陶瓷刀具，其硬度可达93——95HRC，
我国数控机床的现状和发展 数控机床是数字控制机床是用数字代码形式的信息（程序指令），控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只需要改变输入的程序指令；加工性能比一般自动机床高，可以精确加工复杂型面，因而适合于加工中小批量、改型频繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获得良好的经济效果。 因而了解和提升数控机床对我国的制造业的发展至关重要。 一.国内外数控机床的发展 （1）我国数控机床的发展 我国于1958年研制出第一台数控机床，发展过程大致可分为两大阶段。建国初期在1958—1979年间为第一阶段，第一阶段中对数控机床特点、发展条件缺乏认识，在人员素质差、基础薄弱、配套件不过关的情况下，主要存在的问题是盲目性大，缺乏实事求是的科学精神。改革开放，从1979年至今为第二阶段。在第二阶段从日、德、美、西班牙先后引进数控系统技术，从日、美、德、意、英、法、瑞士、匈、奥、韩国、台湾省共11国家(地区)引进数控机床先进技术和合作、合资生产，解决了可靠性、稳定性问题，数控机床开始正式生产和使用，并逐步向前发展。在20余年间，数控机床的设计和制造技术有较大提高，主要表现在三大方面：培训一批设计、制造、使用和维护的人才；通过合作生产先进数控机床，使设计、制造、使用水平大大提高，缩小了与世界先进技术的差距；通过利用国外先进元部件、数控系统配套，开始能自行设计及制造高速、高性能、多轴联动加工的数控机床，供应国内市场的需求，但对关键技术的试验、消化、掌握及创新却较差。至今许多重要功能部件、自动化刀具、数控系统依靠国外技术支撑，不能独立发展，基本上处于从仿制走向自行开发阶段，严重缺乏各方面专家人才和熟练技术工人；缺少深入系统的科研工作；元部件和数控系统不配套；企业和专业间缺乏合作，基本上孤军作战，虽然厂多人众，但形成不了合力。 （2）国外数控技术的发展 数控机床的起源 1948年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制飞机螺旋桨叶片轮廓样板的加工设备。1949年，该公司在美国麻省理工学院（MIT）伺服机构研究室的协助下，开始数控机床研究，并于1952年试制成功第一台由大型立式仿形铣床改装而成的三坐标数控铣床，不久即开始正式生产，于1957年正式投入使用。标志着制造领域中数控加工时代的开始。 数控机床的兴起 1952年美国麻省理工学院和吉丁斯·路易斯公司首先联合研制出世界上第 一台数控升降台铣床，随后德国、日本、苏联等国于1956年分别研制出本国的第一台数控机床。60年代初，美国、日本、德国、英国相继进入商品化试生产，由于当时数控系统处于电子管、晶体管、和集成电路初期，设备体积大、线路复杂、价格昂贵、可靠性差，数控机床大多是控制简单的数控钻床，数控技术没有普及推广，数控机床技术发展整体进展缓慢。 70年代，出现了大规模集成电路和小型计算机，特别是微处理器的研制成功，实现了数控系统体积小、运算速度快、可靠性提高、价格下降，使数控系统