Progress and Prospect of High_speed Cutting Tool Material
艾 兴 刘战强 赵 军 邓建新 宋世学
(山东大学机械工程学院)
摘 要:文章结合高速切削技术和刀具材料的研究,综述了高速切削刀具材料的进展和应用,阐明了我国高速切削刀具材料面临的机遇和挑战,指出了高速切削刀具材料的未来。
关键词:高速切削 刀具材料
1 概况
机械加工发展的总趋势是高效率、高精度、高柔性和强化环境意识。在机械加工领域,切(磨)削加工是应用最广泛的加工方法。高速切削是切削加工的发展方向,已成为切削加工的主流。它是先进制造技术的重要共性关键技术。推广应用高速切削技术将大幅度提高生产效率和加工质量并降低成本。高速切削技术的发展和应用决定于机床和刀具技术的进步,其中刀具材料的进步起决定性的作用[1]。研究表明[2、9],高速切削时,随着切削速度的提高,切削力减小,切削温度上升很高,达到一定值后上升逐渐趋缓[2]。造成刀具损坏最主要的原因是切削力和切削温度作用下的机械摩擦、粘结、化学磨损、崩刃、破碎以及塑性变形等磨损和破损,因此高速切削刀具材料最主要的要求是高温时的力学性能、热物理性能、抗粘结性能、化学稳定性(氧化性、扩散性、溶解度等)和抗热震性能以及抗涂层破裂性能等。基于这一要求,近20多年来,发展了一批适于高速切削的刀具材料,可在不同切削条件下,切削加工各种工件材料[3、4、7]。目前,可以2500~5000m/min的高速切削铝合金(Si含量 12%,大于12%的为500~
1500m/min);以500~1500m/min切削铸
铁;300~1000m/min切削钢;100~400m/
min切削淬硬钢、耐热合金;90~200m/
min切削钛合金等。当然人们还期待着
以超高切削速度进行加工而获得更好的
效果。
2 国外高速切削刀具材料的进展
和应用
高速切削时,对不同的工件材料选
用与其合理匹配的刀具材料和允许的切
削条件,才能获得最佳的切削效果。据
此,针对目前生产中广泛应用的铝合金、
铸铁、钢及合金和耐热合金等的高速切
削,已发展的刀具材料主要有:金刚石、
立方氮化硼、陶瓷刀具、涂层刀具和T i C
(N)基硬质合金刀具(金属陶瓷)等。
2 1 金刚石刀具
金刚石刀具分为天然金刚石和人造
金刚石刀具。天然金刚石具有自然界物
质中最高的硬度和导热系数。但由于价
格昂贵,加工、焊接都非常困难,除少数
特殊用途外(如手表精密零件、光饰件和
首饰雕刻等加工),很少作为切削工具应
用在工业中。随着高技术和超精密加工
日益发展,例如微型机械的微型零件,原
子核反应堆及其它高技术领域的各种反
射镜、导弹或火箭中的导航陀螺,计算机
硬盘芯片、加速器电子等超精密零件
的加工,单晶天然金刚石能满足上述要
求。近年来开发了多种化学机理研磨金
刚石刀具的方法和保护气氛钎焊金刚石
技术,使天然金刚石刀具的制造过程变
得比较简易,因此,在超精密镜面切削的
高技术应用领域,天然金刚石起到了重
要作用[6]。
20世纪50年代利用高温高压技术
人工合成金刚石粉以后,70年代制造出
金刚石基的切削刀具即聚晶金刚石
(PCD),PCD晶粒呈无序排列状态,不具
方向性,因而硬度均匀。它有很高的硬
度(8000~12000HV)和导热性,低的热胀
系数,高的弹性模量和较低的摩擦系数,
刀刃非常锋利。它可加工各种有色金属
和极耐磨的高性能非金属材料,如铝、
铜、镁及其合金、硬质合金、纤维增塑材
料、金属基复合材料、木材复合材料等。
PCD刀具所含金刚石晶粒平均尺寸不
同,对性能产生的影响也不同,晶粒尺寸
越大,其耐磨性越高。在相近的刃口加
工量下,晶粒尺寸越小,则刃口质量越
好。例如,选用晶粒尺寸10~25 m的
PCD刀具,可以500~1500m/min的高速
动 制造技术与机床,1997(8)
4 刘金凌等 高频响直流直线电机 微特电
机,1993(4)
5 周惠兴,王先逵 集成制造系统中基于重
复控制的直线伺服单元 计算机集成制造系统,1998(2)6 李庆雷等 永磁同步直线电机推力及垂直
力有限元计算及优化 清华大学学报(自
然科学版),2000(5)
7 李庆雷等 永磁同步直线电机推力波动分
析及改善措施 清华大学学报(自然科学
版),2000(5)
第一作者:王先逵,北京清华大学精
仪系,教授,博导,邮编:100084
(编辑 徐洁兰)
(收稿日期:2001-06-12)
切削Si含量12%~18%的硅铝合金;晶
21
国家自然科学基金会资助项目(编号:59875091)
Special R eports综 述
制造技术与机床
2001年第8期
粒尺寸8~9 m 的PCD 加工Si 含量小于12%的铝合金;晶粒尺寸4~5 m 的PCD 加工塑料、木材等。而超精密加工,则应选用晶粒尺寸小的PCD 刀具。通常PCD 刀具是烧结成金刚石_硬质合金复合刀片焊接在刀体上使用。利用超高压装置,在5~6万个大气压,1400~1600 的高温下,可人工合成形状整齐、杂质非常少的单晶金刚石,质量均匀稳定,结晶面非常清晰,识别容易。它具有所有物质中最高的导热率及与天然金刚石同等以上的强度。目前最大尺寸可达8m m 。这种单晶金刚石的尺寸、形状和性能的良好一致性,在天然金刚石产品中是不可能实现的。它具有比PCD 更好的耐磨性。PCD 的耐磨性超过700 时会减弱,因其结构中含有金属Co,它会促进 逆向反应 即由金刚石向石墨转变。但有较好的断裂韧性,可以进行断续切削。例如,可以2500m/min 的高速端铣Si 含量10%的铝合金。当前,人工合成单晶金刚石刀具材料的应用得到了迅速的发展,其新应用领域是木材加工业。对表面有氧化铝涂层的高耐磨层状木地板需求量越来越大。加工时,木板耐磨层会引起刃口钝化,导致氧化铝耐磨层碎裂,必须经常磨刀或更换刀片,而人工单晶金刚石性能显著优于PCD 刀具。
目前正在研究和开发化学气相沉积CVD 金刚石,沉积出的是交互生长极好的PCD,呈柱状结构且非常致密。随着生长条件的不同,CVD 金刚石也呈现不同的晶粒尺寸和结构,它不需金属催化剂,因此它的热稳定性接近天然金刚石。根据不同的应用要求,可选择不同的CVD 沉积工艺以合成出晶粒尺寸和表面形貌差别很大的PCD 。作为刀具的CVD 金刚石因其应用不同,要求有多种不同的晶粒尺寸。C VD 金刚石制成两种形式:一种是在基体上沉积厚度小于30 m 的薄层膜(CVD 薄膜);另一种是沉积厚度达1mm 的无衬底的金刚石厚层膜(CVD 厚膜)。目前C VD 薄膜金刚石应用不多。
CVD 厚膜可以通过特殊的但简易可行的技术钎焊在基体上,但要保证钎焊点的强度。它与PCD 相比,热稳定性好但脆性较高,且不导电。不能用于放电加工(ED M )技术中。CVD 厚膜金刚石在木材加工刀具和修整刀具中得到推广应用。由于CVD 厚膜金刚石的高纯度和高的耐磨性和热稳定性,在高耐磨性材料的高速切削加工领域具有很大的潜力。目前可用于EDM 切削的CVD 厚膜金刚石刀具材料也已制造成功,还有待于继续试验和评价。CVD 厚膜金刚石目前的成本较高,随着技术的发展,成本逐渐降低,它将是PCD 有力的竞争对手。
三种主要金刚石刀具材料 PCD 、CVD 厚膜和人工合成单晶金刚石各自的性能特点为[5]:PCD 焊接性、机械磨削性和断裂韧性最高,抗磨损性和刃口质量居中,抗腐蚀性最差。CVD 厚膜抗腐蚀性最好,机械磨削性、刃口质量和断裂韧性和抗磨损性居中,可焊接性差。人工合成单晶金刚石刃口质量,抗磨损性和抗腐蚀性最好,焊接性、机械磨削性和断裂韧性最差。
金刚石刀具是目前高速切削(2500~5000m/min)铝合金较理想的刀具材料,但由于碳对铁的亲和作用,特别是在高温下,金刚石能与铁发生化学反应,因此它不宜于切削铁及其合金工件。2 2 立方氮化硼
立方氮化硼(CBN)是纯人工合成的材料。它是20世纪50年代末用制造金刚石相似的方法合成的第二种超硬材料 CBN 微粉。由于CBN 的烧结性能很差,直至70年代才制成立方氮化硼烧结块(聚晶立方氮化硼PCB N ),它是由CBN 微粉与少量粘结相(Co 、Ni 或TiC 、T i N 、Al 2O 3)在高温高压下烧结而成。CBN 是氮化硼的致密相,有很高的硬度(仅次于金刚石)和耐热性(1300~1500 ),优良的化学稳定性(远优于金刚石)和导热性,低的摩擦系数。PCBN 与Fe 族元素亲和性很低,所以它是高速切削黑色金属较理想的刀具材料。PCBN 组织中各微小晶粒呈无序排列,硬度均匀,没有方向性,具有一致的耐磨性和抗冲击性,克服CBN 易解理和各向异性缺点。CB N 含量、晶粒尺寸和粘结相等会影响PCB N 的性能。CBN 含量高,PCB N 的硬度和导热性高,CBN 晶粒尺寸大,其抗破损性就
弱,刀刃锋利性就差,金属材料Co 、Ni 作粘结相时,PCBN 有较好的韧性和导电性,陶瓷材料作粘结相时,则有较好的热稳定性。目前多将0.5mm 左右的PCBN 层直接烧结或钎焊在硬质合金基体上,做成PCBN 复合片,有利于提高强度,可焊性也好,便于制造PCBN 刀具。
PCBN 刀坯从组织上看,大致有两种。一种是高含量PCBN(CBN,质量80%~90%),以CB N 晶粒之间直接结合为主,具有高硬度、高导热性。另一种是低CBN 含量的PCBN,它是用少量金属或陶瓷粘结相牢固地结合起来的,有较好的强度和韧性。一般较低CB N 含量(50%~65%)的PCB N 刀具适于精加工45~65HRC 的淬硬钢,高含量(80%~90%)的适于加工镍铬铸铁,粗和半粗断续切削淬硬钢,高速切削铸铁,加工硬质合金、烧结金属和重合金等。选择合适CBN 含量的PCBN 刀具可以在500~1500m/min 高速下加工铸铁,在100~400m/min 下加工45~65HRC 的淬硬钢,在100~200m/min 下加工耐热合金。但不宜加工以铁素体和45HRC 以下的钢及合金钢、合金铸铁、耐热合金,特别不宜于加工35HRC 以下的工件。涂层CBN 刀具尚在研究中。
2 3 陶瓷刀具
陶瓷刀具为高速切削最重要的刀具材料之一。目前各国陶瓷刀片生产数量占可转位刀片的比例约为:美国3%~5%,俄罗斯5%~7%,日本7%~9%,德国9%~12%,英国、法国、瑞典等也在大力推广应用。由于现代陶瓷刀具原材料、组分和制备工艺取得了长足进步,近5年来,陶瓷刀具的销售额增长率达20%。国际上现已发展的陶瓷刀具主要是氧化铝基(Al 2O 3)和氮化硅基(Si 3N 4)两大系列,添加各种各样的氧化物、氮化物、碳化物、硼化物,形成不同品种的氧化铝基和氮化硅基陶瓷刀具。现有40多个品种,200多个牌号,其中氧化铝基为25种多,氮化硅基的近15种。
陶瓷刀具具有很高的硬度和耐磨性,其硬度达93~95HRA,耐磨性好,适于加工50~65HRC 的高硬度材料,如冷硬铸铁和淬硬钢。高温性能好,在
22 综 述
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氮化硅(Si3N4)基陶瓷与Al2O3基陶瓷比较,其最显著的特点为强度和断裂韧性较高,热胀系数低,弹性模量也低,故其抗热震性能高。Si3N4基陶瓷刀具适于加工铸铁,连续和断续切削都优于Al2O3基陶瓷刀具,也可以用于冷硬铸铁、高硬轧辊等高硬度材料的精加工和半精加工。但因其与铁的化学亲和性明显超过Al2O3基陶瓷,化学反应生成的低熔点化合物会使刀刃在短时间内破坏,因此Si3N4基陶瓷刀具加工钢件就比Al2O3基的差得多。Si3N4基陶瓷刀具也是在Si3N4中加入各种增韧补强相形成多品种的陶瓷刀具。
Si3N4_Al2O3(Sialon)陶瓷刀具是陶瓷刀具的新品种,它是在Si3N4基础上通过用氧部分置换Si3N4中的氮,并以铝部分置换其中的硅的方法研制成功的,是由Si_Al_O_N各种构成的多种化合物群的总称。Sialon陶瓷刀具的强度和断裂韧性较高,化学稳定性、抗氧化能力和高温抗蠕变能力都很好,导热性高,热胀系数小,故有很高的抗热震性能。由于其抗蠕变强度高,因而在刀尖处受到反复集
中的高应力和热的作用时,也没有因塑
性变形而明显增大损坏的现象,它是高
速粗加工铸铁及镍基合金优良的刀具材
料。在精车和半精车镍基合金等难加工
材料时,晶须增韧陶瓷刀具有优越性。
粗车和铣削时,Sialon陶瓷刀具更具适应
性,但它的溶解磨损速率比Al2O3基陶瓷
刀具高很多,因而不适于加工钢件。
陶瓷刀具选择合适的品种可以用
500~1000m/min的高速切削铸铁,用300
~800m/min的速度切削钢件,用100~
200m/min的速度切削高硬材料(50~
65HRC),用100~300m/min的速度切削
耐热合金。
2 4 TiC(N)基硬质合金
TiC(N)基硬质合金的主要成分是
TiC(碳化钛)、TiN(氮化钛)和TiCN(碳氮
化钛),它们是以高耐磨性的T iC+Ni或
Mo、高韧性的T iC+WC+TaC+Co、强韧
的TiN为主体,以高强韧的TiCN+NbC
等TiC(N)为基的硬质合金。与WC硬质
合金相比,硬度、强度、韧性、抗塑性变形
和抗崩刃性能得到显著改善,主要是高
温强度、高温硬度、导热性、抗氧化性和
抗热震性能都有提高,与钢的亲和力小,
摩擦系数也小,抗月牙洼磨损和抗粘结
能力强,现在已发展成系列的刀具
材料。近几年来发展的高氮含量、均匀
微细硬质组织的T i C(N)基硬质合金,由
于抗磨损性能和抗崩刃性良好,适于在
200~400m/min的高速下切削一般钢和
合金钢,也可用于铸铁的精加工。
2 5 涂层刀具
涂层刀具发展很快,目前80%以上
都是涂层刀具。广泛应用的是在硬质合
金和高速钢刀体上涂敷不同的氮化物、
氧化物和硼化物等,其中氧化铝(Al2O3)、
碳氮化钛(TiCN)、氮化铝钛(Ti AlN)、碳氮
化铝钛(T i AlCN)等,有优异的高温性能。
从单涂层发展为多涂层,涂层工艺有化
学气相沉积法(C VD法)和物理气相沉积
法(PVD法)。PVD法主要用于高速钢刀
具,CVD法和PVD法均可用于硬质合金
刀具涂层。PVD法的硬质合金刀具有较
好抗破损性能,适于断续切削,但耐磨性
不如CVD法的硬质合金刀具。涂层刀具
随涂层物质不同,其性能也有差别,涂层
硬质合金刀具具有:高的硬度和耐磨性
(2100~4200HV)、高的耐热性(1000~
1200 )、高的抗粘结性能、高的化学稳
定性和摩擦系数低等,优异的WC基、TiC
(N)基硬质合金和陶瓷都可作为涂层刀
具的基体。目前适于高速切削的涂层硬
质合金刀具的涂层物质主要有CVD的
T i CN+Al2O3+TiN、T iC N+Al2O3、T iCN+
Al2O3+HfN、TiN+Al2O3和TiCN以及PVD
的复合涂层TiAlN/TiN、TiAl N等。单涂层
的T iC或T i N已经不用了。选择不同涂
层物质的涂层硬质合金刀具可以200~
500m/min的速度加工钢、合金钢、不锈
钢、铸铁和合金铸铁等。近年来开发的
氮化碳(CN )、氮化物(T i N/NbN、TiN/
VN)等,在高温下有良好的热稳定性,适
合于高速切削。软涂层刀具(如MoS2、
WS2涂层的高速钢刀具)主要用于加工
高强度铝合金、钛合金或贵重金属等。
日本最近开发的纳米T i N/AlN复合涂层
铣刀片,涂层达2000层,每层厚度为2.
5nm,可在高速下进行切削。目前复杂刀
具(钻头、齿轮刀具、拉刀等)主要是在高
性能高速钢基体上涂层TiCN、Ti N等硬涂
层。涂层刀具不适于特别重载下的粗加
工和冲击大的断续切削以及高硬度材料
(如淬硬钢、冷硬铸铁),涂层刀具低速切
削时,容易产生剥落、崩碎等,表面涂层
的刀具重磨后,涂层效果降低。
2 6 粉末冶金高速钢(PM HSS)
近几年来,工业发达国家大力发展
粉末冶金高速钢,它是从高压氩气或纯
氮雾化熔融的高速钢钢液中直接得到的
细小高速钢粉末,然后在高温高压下热
等静压成钢锭,从而再制成高速钢材[8]。
与熔融法制造的高速钢相比,它的优点
是:无碳化物偏析,晶粒粉细小均匀,可
达2~3 m,热处理后,硬度可达67~
70HRC,抗弯强度高0.5~1倍,在600
时的高温硬度高出2~3HRC,同样的切
削条件,刀具寿命提高0.5~2倍。由于
物理力学性能各向同性,可减小热处理
变形与应力,适于制造钻头、拉刀和齿轮
刀具等复杂刀具。这类高速钢刀具,其
切削速度可成倍增加,在其表面PVD涂
层T i N、TiCN、TiAlN后,切削速度可达150
23
Special R eports综 述
制造技术与机床2001年第8期
~200m/min 。在复杂刀具高速切削领域,粉末冶金高速钢涂层刀具将会进一步发展而占有重要地位。
3 国内高速切削刀具材料面临的挑战 国内高速切削刀具材料与国外差距较大,目前在进口的和国内生产的高速机床上使用的刀具主要依靠进口,所以国内高速切削刀具材料面临严峻的挑战。
目前国内最常用的通用刀具主要是高速钢(W18Cr4V),多由较小厂家生产,高性能高速钢如铝高速钢、钴高速钢品质较差,也很少用。粉末冶金高速钢刀具仍在研究,切削速度一般在25~40m/min 。车、铣、镗和端铣刀普遍应用硬质合金,但焊接刀居多,主要是普通硬质合金(TG 、YT)。可转位刀片虽然有WC 加TaC 、NbC 或Hf_Nb,以及超细硬质合金的产品,但应用仍不普遍,切削速度在100~200m/min 。硬质合金如深孔钻、螺纹刀具等近年也有产品,但应用较少,加工效率普遍偏低。
国内高速切削刀具最具有优势的是陶瓷刀具,研究开发的水平与国际相当。目前已有陶瓷刀具30多个品种,其中氧化铝基20多个,氮化硅基近10个,包括带孔和不带孔陶瓷刀具的生产能力也很大[10]。
我们几十年来把切削学和刀具材料
学紧密结合在一起,经过深入研究[9、10]
,
已建立了基于切削可靠性,融合陶瓷刀具切削理论与刀具材料研究开发于一体的陶瓷刀具研究新体系。现在可以以切削可靠性为优化目标,通过优化设计,获得优异性能的陶瓷刀具材料,并正在迈向陶瓷刀具材料的计算机辅助设计和热压工艺过程仿结合的国际前沿阵地,突破了 炒菜式 的研究开发传统模式,加速了陶瓷刀具研究开发的进程。基于这种理论,我们已开发成功6个品种12个牌号的Al 2O 3基陶瓷刀具材料,先后投放市场,其中包括铝钛(LT )、晶须(JX)、硼钛(LP)、添加特殊粉末与稀土LD 系列、梯度功能(FG )和陶瓷_硬质合金复合片(FH)系列。FG 和FH 系列的力学性能和抗磨损与抗破损性能有显著提高,延长了刀具寿命。在6个品种中的晶须与颗粒协同增韧的JX_2,LP_2,梯度功能FG,陶瓷_硬质合金复合片(FH)和添加特殊粉末的LD_1不仅填补了国内空白,国外也未见报导。国内的陶瓷刀具产品的力学性能和切削性能与国外相当,有的还好一些。国内陶瓷刀具可在300~1000m/min 的高速下车削或铣削钢、合金钢、铸铁和合金铸铁等,在这些Al 2O 3基品种中,SG_4、FG_2和FH_2三种是目前国内外高速加工淬硬钢(55~65HRC )的理想刀具材料
[10]
。国内研制
的氮化硅基陶瓷刀片性能优异,在加工铸铁方面显出了优越性。Sialon 陶瓷刀具也有产品。陶瓷刀具存在的主要差距是高精度陶瓷刀片精度和外观质量还欠佳,有的品种还没有,推广应用也远不如发达国家普遍。
国内高速切削用的立方氮化硼(PCBN)于1973年、聚晶金刚石(PCD)于1980年研制成功,发展较快,已开发出可分别用于车、镗、铣削等加工领域的多种不同CB N 含量的PCBN 刀具和不同晶粒尺寸的PCD 刀具。其中PCBN 刀具目前主要用于加工淬硬钢、高硬铸铁和某些难加工材料。PCD 刀具主要用于高硅铝合金加工。目前主要是国内的多家合资公司研究和生产的超硬刀具(PCBN 、PCD 和天然金刚石ND)主导着市场。两类刀具应用还不普遍。人工合成单晶金刚石和涂层金刚石还在研究中。
碳化钛(TiC(N))基硬质合金国内于60年代末开始研制,最早的是TiC 基硬质合金,最近几年研制成功含T i N 的T iC _Ti N 和T iC N 的TiC(N)基硬质合金几种产品,可用于200~400m/min 高速精和半精加工钢、合金钢和不锈钢。近来国内初步研制成功加入TiN 纳米粉的TiC+TiN 纳米改性Ti(C,N)基硬质合金。试验表明,在200m/min 速度下加工45钢,比未加纳米改性的刀具提高寿命1倍,目前尚无产品。Ti(C,N)基刀具材料存在的主要问题是品种较少,应用也不多。
国内在20世纪70年代初开始研制涂层刀具,最初研制CVD TiC 单涂层硬质合金,80年代初研究PCD TiN 单涂层高速钢刀具。经过多年的努力。从国外
进口了一批涂层设备,近年来开发成功CVD TiC _TiN 、Al 2O 3_T i N 多涂层硬质合金刀片和PVD T i N 、T iC N 、TiAlN 、TiAlCN 复合多涂层高速钢复杂刀具。低温(<600 )的外热式直流脉冲等离子体增强化学气相沉积技术(PCVD)也开发成功,具有设备简单、涂层厚度均匀、结合强度高、涂层材料种类多、工件不变形等优点。但目前市场上涂层刀具的主要产品是C VD Al 2O 3和T i N 复合涂层硬质合金刀片以及PVD TiN 涂层高速钢刀具。T i CN 、TiAlN 和T i AlCN 商品化涂层产品由于技术原因,难于及时供应,质量与国外还有差距。PVD 硬质涂层如氮化碳(CN )、Al 2O 3、氮化物[TiN (NbN )、TiN/VN 等]以及金刚石PCD 膜涂层和软涂层(MoS 2,WS 2)和纳米涂层等有待开发。国外在国内的代理公司大力热销涂层刀具,剧烈冲击着国内市场。
4 高速切削刀具材料的未来
未来超高速切削的目标是:铣削铝为10000m/min,铸铁为5000m/min,普通钢为2500m/min;而钻削铝、铸铁和普通钢分别为30000、20000与10000r/min 。因此,今后要发展具有更加优异高温力学性能、高化学稳定性和热稳定性及高抗热震性的刀具材料。
(1)PCD 刀具将继续发展提高性能,广泛使用于加工铝合金和高硬度非金属材料,但人工合成单晶金刚石和金刚石厚膜涂层将发展更快,视其成本,将逐步取代PCD 。高速超精密镜面切削领域,天然金刚石刀具仍有重要作用,但部分将被人造单晶金刚石代替。目前PCD 刀具加工铝合金切削速度的主要是机床的主轴转速及其功率。
(2)Al 2O 3基与Si 3N 4基陶瓷刀具和CBN 刀具为高速切削钢、铸铁及其合金的首选刀具材料,但各有其使用范围,应继续发展。Al 2O 3基陶瓷刀具高速加工钢及其合金有更广泛的应用前景,与CBN 刀具相比,它既有成本优势,又适于加工淬硬钢和未淬硬钢与铁素体材料,但耐热性与抗热震性能还不够。发展耐高温1400~1500 以上并提高其高温强度与抗热震性的、添加CBN 的纳米复合
24 综 述
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制造技术与机床
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型Al 2O 3基陶瓷刀具是今后的主攻方向。在高速加工耐热合金领域发展具有更大的高温强度和化学稳定性的Al 2O 3+Si 3N 4基的添加CB N 的复合型刀具材料是一个重要研究方向。
(3)涂层刀具材料在高速切削领域有巨大潜力,继续研究新的涂层技术和涂层物质,提高性能,扩大使用。但主要发展粉末涂层,即在硬质合金与粉末冶金高速钢粉体(晶粒)上涂层高性能耐磨材料的新一代涂层刀具,可以重磨而不影响其性能,对复杂刀具特别有意义。我们初步研制成功的、在硬质合金粉末上涂层Al 2O 3的涂层刀片说明其可行性
和优越性[1、11、12]。
(4)对于某些很难加工而应用又多的工件材料(如钛合金),因其切削时,即使在中速下,温度也很高,研究不污染环境的气冷(如氮气)方法,降低切削温度以实现高效切削,是一个可行而具有应用前景的方向。
5 结束语
高速切削技术已成为切削加工的主流,加快其推广应用,将会创造巨大经济效益。高速切削刀具材料对发展和应用高速切削技术具有决定性作用。超硬刀具材料(PCD 与PCBN )、陶瓷刀具、T i C (N)基硬质合金刀具(金属陶瓷)和涂层刀具等四大类高速切削刀具材料各有其特性和应用范围,它们相互配合,彼此竞争,推动高速切削技术的发展和应用。国内在这方面也有一定基础,取得很大进步,特别是陶瓷刀具我国占有突出优势,但总体来说与国外差距较大。我们抓住经济全球化和改革开放的大好机遇,勇敢地去迎接面临的严峻挑战。在以不同方式利用国外已成熟的技术,加快发展我国高速切削刀具材料工业的同时,重点发展我国新一代陶瓷基添加CBN 的复合型刀具材料和涂层刀具材料技术,以促进我国高速和超高速切削技术的迅速发展和推广应用。
参
考文献
1 艾兴 切削刀具材料的未来 材料科学与
工程,19(3)
2 艾兴 高效加工技术及其应用研究 中国
工程科学,2000,2(11)
3 刘战强,艾兴 高速切削刀具的发展现状
工具技术,2001,35(3)
4 萧诗纲 现代刀具材料 重庆:重庆大学出版社,1992
5 Philip Bex,Grace Zhang.超硬刀具材料研究
的进展(上)(下) 机械工艺师,2000(12);2001,224(1)
6 张竞敏,Grace Zhang.天然金刚石刀具技术的发展概况 工具技术,2001,35(4)
7 华红艳 国外PCBN 切削刀具应用技术 机械工艺师,2001,244(3)
8 叶伟昌,陈辽军 粉末冶金高速钢刀具的
新进展 机械制造,2000(4)
9 艾兴,萧虹 陶瓷刀具切削加工 北京:机械工业出版社,1988
10 艾兴等 推动陶瓷刀具研究走上国际先
进行列 中国机械工程,1999,10(9)11 艾兴等 陶瓷粉末涂层硬质合金刀具的
切削性能 工具技术,1999,33(8)12 Huang Chenzhen,J un Wang and Ai Xing.De
velopment of new ceramic cutti ng tools with a lumi na c oated carbide powders.International Journal of Machine Tools &M anufacturi ng,2000,40(6)
第一作者:艾兴,山东大学(南校区)机械工程学院,中国工程院院士,邮编:250061
(编辑 赵宏林)
(收稿日期:2001-05-30)
(上接第17页)
在实验室已达0.1 m 以下,生产工艺上已经实现了宽度为0.18 m 的加工。我国上海正在兴建的微电子芯片制造企业的目标是0.25 m 。制造这类芯片的关键设备是所谓 三超 设备:超净(要求尘埃颗粒直径小于0.1 m,颗粒数小于0.1个/立方英尺空气)、超纯(有害杂质含量达到十亿分之一)、超精(0.35 m 的深紫外线曝光设备、0.25 m 的准分子激光光刻设备、0.01~0.1 m 的电子束和X 射线曝光设备、达原子_纳米级的分子束外延和化学气相淀积设备)。如果我们不自力更生地发展这些制造设备,我国的微电子产业只能受制于人。
5 5 用先进制造技术改造传统制造业
先进制造技术在机械制造业提升的产业竞争中发挥着重要的作用。20世纪
末兴起的信息技术和其它高新技术与制造技术相结合产生的先进制造技术将使物质财富的生产方式发生性的变化,并推动制造业迈入大发展的新阶段。制造业发展的种种要求将为信息技术的发展提供广阔的市场,产生强大的推动力。用先进制造技术来改造传统的制造业是制造业发展的必然趋势。技术改造的目的是提高企业对动态多变的市场之适应能力和竞争能力,实现快速、优质、高效、低耗、灵捷、清洁的生产。技术改造将贯穿制造的全过程,即从研究、设计、加工、检测、管理、销售、服务、维修直到回收的全过程。先进制造技术与系统包括了四个层次: 设备层次:主要是数控机床、特种加工机床、精密加工机床、机器人、先进物流设备、各种检测设备、工具、传感器、自动仓库等; 技术层次:
如CAD/CAM/CAE 技术、数控技术、逆向工程技术、CAPP 技术、产品数据库技术、各种自动化技术等; 系统层次:如FMC/FMS/CIMS/IMS 、精益生产、敏捷制造、虚拟制造、智能制造等; 管理层次:如JIT 、并行工程、MRP_II 、ERP 、全面质量管理、可靠性管理、企业动态联盟、电子商务等。在这些先进制造技术中,绝大多数都包含信息技术的内容。根据我国企业的实际情况和网络化中的许多障碍,我国机械工业在信息化的过程中,不宜采取 大跃进 的形式,而要逐步试点、循序渐进、逐步推广、水到渠成。
作者:朱剑英,南京航空航天大学校办,邮编:210016
(编辑 符祚钢)
(收稿日期:2001-06-12)
25 Special R eports
综 述
制造技术与机床2001年第8期
Keywords:Linear Motor,Direct Drive,High Speed Machining,Feed System
Progress and Prospect of High-speed Cutting Tool Material
AI Xing(Shandong University),et al(21) Abstract:The paper reviews the progress and application of high-speed machining(HS M)tool materials based on research in HS M tech nology and tool materials,points out the opportunities and challenges faced by the HSM tool materials in our country,and also discusses the future of HS M tool materials.
Keywords:High-Speed Machining,Tool Material
Research and Application of Electrorheological-fluid Based Inte_ lligent Structure
FEI Renyuan(Beijing Polytechnic University),et al(26) Abstract:Electrorheological(ER)fluid material is one of the intelli gent materials with the most versatile capabili ties.The paper reviews the research both at home and abroad on ER material s properties and i ts ER effect,as well as the application of it in power drive,actuator, robot,vibration control and machi nery manu factur i ng system. Keywords:Electrorheological Fluid Material,Intelligent Structure
Having Gone through All Kinds of Hardships and Difficulties, M achine Tool Industry Will Shoulder Heavy Responsibilities
LIU You wu(Tianjin University)(29) Abstract:The paper i s written specially for the50th anniversary for the periodical of Manu f acturing Technology&Machine Tool .It puts for ward in detail that the way for our machine tool industry to make more progress is large system integration,digitalizati on and networking based on innovation,and points out that in order to promote our machine tool industry,we must make innovati on in products,technology,manage men t and market.
Keywords:Large System Integration,Di gitalization,Networking,In novation
The Base of C onceptual Design Resource for Acquiring New Know ledge
XIE Youbo(Xi an Jiaotong University)(31) Abstract:Concep tual Desi gn(CD)covers two issues,method for rea soning and base(knowledge)for reasoning,for the latter,few research has been conducted.The paper discusses the knowledge base for de sign;suggests a horizontal structure of knowledge resource and knowl edge acquiring resource;researches the structural cell-resource units, and finally analyzes their subsisting conditions,characteristics and ex isting forms.
Keywords:Conceptual Design,Knowledge Base,New Knowledge Re source Research on FMS Integrated Planning Technology in Virtual M a_ nufacturing
NING Rux i n(Beijing University of T echnology),et al(34) Abstract:FMS,a hi ghly automatic and flexible manu facturi ng system, is critical for an enterprise to i mprove i ts production efficiency and flex ibility and to adapt to the changeful competition in market.However, due to high investment and long cycle,complicated planning and con trol,it is very difficult to accurately and effectively evaluate the sys tem s benefit and risk before setting up and running the system actual ly.Based on discussion of Virtual M anufacturing,the paper established a FMS in tegrated planning system,which can effectively coordinate all the relationships during phases from design to actual running,so as to opti mize the system before practical implementation.
Keywords:Virtual Manufacturing,VMS Archi tecture,FMS Modeling, Integrated Planning
Rapid Reconfigurable Manufacturing System-Principle and Ap plication of the Manufacturing System of Next Generation SHENG Bohao(Beijing Machine Tool Research Institute),et al(37) Abstract:To improve rapidly the adaptation of manufacturing sys tem to the change in market and products,the theory,method and its applica ti on of reconfigurable manufacturing system are explored.The basic structure and features of Rapid Reconfigurable Manufacturing System (RRMS)are pointed out,its scienti fic base is researched,the opti miz ing method for RRMS s random model and the optimization method of i ts configuration is presented,quasi-array algorith m is developed, systematic diagnosable p rinciple is put forward,and an affordable theo retic framework is established.The text preliminarily studies the en abling technology for RRMS,and sets up4sub-systems.It studies the configurational manufacturing cell(CMC)consisting RRMS;the novel,CMC-based RRMS which is placed in array has made success ful application in production line for automobile and computer parts, this has provided a theoretical base and application tool for developi ng the manufacturing system of next generation.
Keywords:Rapid Reconfigurable Manufacturing System,Configurable Manufacturi ng System,Configurational Manufacturi ng
Cell,Random Model,Planned Layout
To Design CNC Special-purpose Grinding Machine with A New Concept
C HEN Yaochang(No.2Machine Tool Works Beijing)(45) Abstract:The paper presents a new concep t for designing CNC special -purpose grinding machine,discusses a method for developing such kind of grinding machines based on modules and functional components of universal grinding machines,as well as mature grinding technolog ies from users,and by taking platform(worktable)and outli ne design as the essential for it.
Keywords:New Concep t,C NC Special-Purpose Grinding M achine, Design下载本文
