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    日本切削技術和刀具材料的發展
    更新時間:2007-09-28 14:33:00 點擊量:

    日本的生產技術雖然在世界上處于領先地位,但面對經濟全球化、技術的快速發展以及激烈的市場競爭,為了保持其優勢地位,日本的機械制造業和工具行業正在制訂新的企業發展戰略,大力發展先進的生產技術和新型機床及工具系統。目前,正重點發展CNC多功能復合切削加工、高速銑削加工、超精密/微細切削加工等先進技術以及與此相適應的機床和工具系統。

       1.可簡化工序提高效率的CNC多功能復合切削技術

       CNC多功能復合切削用機床由加工中心和刀具主軸可作旋轉運動的轉塔式刀架構成,具有刀具旋轉、分度和自動換刀等多種功能。因此,當進行車削加工時,由于機床具有刀具旋轉和多軸控制功能,能在一道工序完成多種形狀的加工,從而可簡化加工工序,實現工序的集約化。在切削加工模具零件時,可在一道工序中完成過去需數道工序才能完成的金屬模具各種孔、溝槽和三維形狀型腔及陽模的加工,不僅簡化了工序,還能減少多次裝夾工件產生的誤差,實現高精度高效率加工,減少生產場地面積。多種CNC多功能復合刀具及專用設備工具系統在市場已有銷售。近年來正積極開展工具系統的標準化工作,如可與加工中心通用的、以HSK刀柄為基礎的工具系統已納入ISO標準化研究工作中。這些工具系統能夠適應可充分發揮多軸控制功能的多種形狀加工,也能實現工具種類的集約化。與過去的工具系統功能不同的新型工具系統正在不斷面市。

       但是,CNC多功能復合切削加工還是一門較新的技術,仍有許多課題需要研究,如完善多軸控制CNC程序,工具系統的開發,適用的加工形狀,加工精度的提高,刀具的選擇方法和使用技術等。例如,需要研究開發利用刀具的三維形狀數據來模擬判定機械干涉的功能,通過復雜動作多軸控制切削預測,能夠防止刀具與夾具等發生干涉。此外,需要構建最佳刀具的選擇、開發以及刀具軌跡和切削條件等數據庫,形成高新加工技術。

       2.高速銑削加工技術

       高速銑削加工是一種在小切深、高轉速、快進給條件下進行銑削的加工方法。由于切削刃所承受的切削力小,因此是易產生加工變形的薄壁零件及高硬鋼件等的最佳切削方式。高速銑削是突破了對常規切削中刀具選擇和切削條件的認識而開創的一種新的切削領域。在合理設定切深量的高速銑削中,切削速度的提高降低了刀具切削刃與工件切削點的熱影響,有利于延長刀具使用壽命,顯著改善已加工面表面粗糙度,提高零件加工精度。

       試驗證明,在小切深、快進給條件下用涂層硬質合金立銑刀高速銑削高硬鋼時,刀具切削刃的切削軌跡能真實復映在已加工表面上,從而可獲得接近理論粗糙度的優質表面。因此,在加工高硬度鋼件時,高速銑削條件與最佳刀具切削軌跡的合理組合是實現以銑代磨的關鍵。

       在推廣應用高速銑削加工的同時,切削加工技術也不斷朝著更高的水平發展,通過進一步優化CAD/CAM,生成更高水準的NC數據,可開發出更先進的切削刀具和工具系統。

       3.超精密/微細切削加工技術

       用于電子設備、醫療器械等領域的高附加值產品的生產倍受關注,加工這些產品需要應用超精密/微細切削加工技術。根據上述需求開發的CNC超高速加工中心在3根主軸上各裝有2臺線性電機,分別作相對運動(控制加速度)以抑制驅動時的振動。

       主軸上裝有φ0.1mm以下的微型刀具,其轉速達到120000~200000r/min,主軸采用空氣靜壓軸承,在高速旋轉時能將推力方向的熱位移控制在亞微米范圍內,以確保微型刀具實現穩定的高精度切削。微型刀具自動裝卸系統在刀夾入口處的夾持精度可保持在1μm以下,此外還配置有刀具自動檢測系統,能夠實現長時間穩定的連續切削加工。為了充分發揮CNC超高速加工中心的功能,立銑刀等刀具的微型化及長壽命的切削性能至關重要。目前的發展現狀是:涂層硬質合金立銑刀和CBN立銑刀的最小直徑已達到φ0.1mm。由于微細切削加工零件很難進行修正,因此要求所用刀具應具有較長工作壽命,可以預見,具有長壽命特性的CBN立銑刀的應用今后將不斷擴大。
       4.新型刀具涂層材料

       上世紀90年代中期開發成功的(Ti,Al)N涂層硬質合金刀具對高速切削加工和高硬材料加工作出了重要貢獻,但這些涂層在抗高溫擴散性能、潤滑性能等方面還不夠理想。最近,研發成功了號稱跨世紀水平的CrSiN、TiSiN、TiBON等新型刀具涂層材料。

       日本的島順彥等開發了添加B、O元素的TiBON系列涂層材料,與(Ti,Al)N涂層相比,其涂層刀具的前刀面在高溫下鐵元素擴散極少,顯示出優良的潤滑性能,切屑不粘刀;在富氧氛圍中使用TiBON涂層硬質合金刀具時,涂層的潤滑效果更為顯著,延長了刀具使用壽命,這是因為在富氧氛圍中生成的氧化物具有良好潤滑性能的結果。這種利用富氧氛圍生成氧化物以消除或減少粘刀,延長刀具壽命和提高加工質量的方法適用于鈦合金及718鎳鉻鐵耐熱合金的切削加工。在富氧氛圍和不加冷卻液條件下,用TiBON涂層硬質合金立銑刀加工718鎳鉻鐵耐熱合金時,取得了改善粘刀和減少刀具磨損的良好效果。    

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