先进刀具设计技术：刀具结构、刀具材料与涂层技术

mtfukankan

金属切削加工是用刀具从工件表面切除多余的金属材料，从而获得在几何形状、尺寸精度、表面粗糙度及表面层质量等方面均符合要求的零件的一种加工方法。其核心问题是刀具切削部分与工件表层的相互作用，即刀具的切削作用和工件的反切削作用。这是切削加工中的主要矛盾，而刀具的切削作用则是矛盾的主要方面。
采用新型刀具实现高效、优质、低成本生产是现代企业提高经济效益的重要途径。刀具材料的改进是刀具技术发展的主线。在现有刀具材料的基础上，通过刀具几何设计改善切削状态也是生产实践中行之有效的方法。CIRP公布的一项研究报告指出：“由于刀具材料的改进，刀具许用切削速度每隔10年提高1倍；而由于刀具结构和几何参数的改进，刀具寿命每隔10年几乎提高2倍。”采用新型刀具材料可以提高刀具的切削性能，而优化刀具切削部分的几何形状则能充分发挥新型材料的威力。
现代刀具不仅应能满足高速切削、干式切削、硬切削、复合切削加工等先进切削技术的需要，而且对产品功能的多样化、结构的合理化、外观宣型的美观等方面也提出了更高要求。但令人遗憾的是长期以来刀具的设计主要依靠经验，依靠尝试法(try-and-error ) ，这种方法效率低、开发周期长，显然已经阻碍了新型刀具的开发和使用，满足不了先进切削加工技术的需求，迫切需要先进的刀具设计技术。
刀具结构、刀具材料、涂层技术的创新推动着切削加工技术的快速发展。本文介绍了刀具结构设计、刀具材料和刀具涂层技术的新进展，指出先进刀具发展的方向，以促进先进刀具的开发与合理使用，为提高制造业的加工效率发挥应有的作用。 刀具结构设计技术刀具结构设计的特点是空间角度计算难，形状复杂绘图难，形状相同尺寸繁。随着粉末冶金技术、模具制造技术、五轴联动数控刃磨技术的高度发展，现代金属切削刀具的切削部分已可加工成十分复杂的形状。因此，刀具厂家不断创新，采用先进的设计技术和专业应用软件进行刀具设计。
在生产实际中大量遇到的是各种复杂形状的刀具。为了断屑，可转位刀片的切削部分也设计出具有复杂形状的刃形和断屑槽。为建立复杂形状刀具的三维模型，研究者们采取了2种建模方法：一是综合法，即等效刀刃法；二是分解法，即微分刀刃法，并将计算机辅助设计(CAD)技术应用于刀具的设计。目前，应用较多的CAD软件主要有UG、Pro/E、I-DEAS等几种，有的CAD软件经过企业的二次开发，其适用性进一步提高。这些软件集三维实体造型、平面绘图、工程分析、数控加工、零件组装等模块于一体，形成较完整的刀具设计软件系统，具有较强的实体造型与编程功能。计算机辅助设计使得刀具的设计、计算简便，免去刀具复杂图形的绘制，并能参数化快速设计刀具，有利于提高刀具的设计水平。
应用工程分析技术(如有限元)对刀具强度进行数值模拟分析，可较精确地掌握刀具上各点的受力情况，了解刀具内部应力、应变及温度的分布规律，获得应力、应变及温度分布图，并方便地找出危险点。该方法可为改进刀具受力情况、合理设计刀具结构以及对刀具进行失效分析提供理论依据，为刀具强度和寿命的分析计算提供一种新方法。
随着制造业的高速发展，汽车工业、航空航天工业、模具工业等高技术产业部门对切削加工不断提出更高的要求，推动着刀具结构的持续创新。为汽车工业流水线开发的专用成套刀具成为革新加工工艺、提高加工效率、降低加工成本的重要工艺因素，发挥着重要的作用。模具工业的发展促进了多功能面铣刀、各种球头铣刀、模块式立铣刀系统、插铣刀、大进给铣刀等高效加工刀具的不断涌现。为满足航空航天工业高效加工大型铝合金构件的需要，开发出了结构新颖的铝合金高速加工面铣刀和立铣刀等先进刀具。与此同时，出现了各种新型可转位刀片结构，如多功能、多盘、多工位可变角、快换微调的机夹梅花刀，用于车削的高效刮光刀片，形状复杂的带前角铣刀刀片，球头立铣刀刀片，防甩飞的高速铣刀刀片等。 五轴联动数控工具磨床功能的实现使立铣刀、钻头等通用刀具的几何参数进一步多样化，改变了标准刀具参数千篇一律的传统格局，可适应不同的被加工材料和加工条件，切削性能也相应提高。一些创新的刀具结构还可产生新的切削效果，如不等螺旋角立铣刀与标准立铣刀相比，可有效遏制刀具的振动，降低加工表面粗糙度值，增大刀具的切削深度和进给速度。硬质合金丝锥及硬质合金螺纹铣刀的开发将螺纹加工效率提高到高速切削的水平，尤其是硬质合金螺纹铣刀，不仅加工效率高，而且通用性好，可显著降低刀具费用。 另外，专业刀具厂家不断开发复合的或专用的刀具，创新加工工艺，充分发挥机床的功能。微电子、传感技术的应用和智能刀具的开发实现了加工过程的主动控制和优化。 可见，只有通过先进的刀具结构才能充分发挥刀具材料和涂层的优势，创新的刀具结构代表了当前刀具结构发展的方向。