姚英学 哈尔滨工业大学

高效加工刀具的概念

高效加工刀具是可以提高单位时间的金属切削率、减少机床非切削的辅助时间，这就要求高效刀具具有切削速度高、切削用量大、加工精度高、稳定性好、多工序复合、换刀时间少等特点。高效加工刀具是相对而言的，须视使用环境及场合而定，适合的才是高效的，高效加工刀具不仅仅是高速刀具，而是在合适的场合下有针对性地使用才能发挥其效率，它需要合适的加工对象、加工设备、操作人员和工艺管理，才能达到高效加工的效果。

图1  iLock接口技术

高效先进刀具是制造业提高生产效率的最重要和最活跃的因素之一。发达国家大量使用高效刀具，平均刀具费用约占制造成本的4%，采用高效先进刀具可明显提高切削加工效率，可使零件生产成本下降10%～15%。

图2  CoroMill 345多刃面铣刀

高效加工刀具的结构与工艺

1. 可转位刀具结构

可转位刀具的研究已有几十年，但大面积应用则是近十几年的事，主要得益于定位精度的提高和夹紧机构的发展。Sandvik Coroment公司专为解决可转位玉米铣刀受轴向力导致刀片松动的问题而开发了iLock接口技术（如图1），改变了刀片与刀片槽底面的接触方式，有效消除了轴向力所带来的不利影响。CoroMill 345高性能多刃面铣刀（图2）采用了刀片与刀垫间独特的定位结构，使刀片与刀垫间的定位和支撑更加安全可靠，且降低切削噪音。Seco公司的飞流系列刀具（Jetstream Tooling）（图3）是一种将高压冷却液直接射向刀片切削区的高性能可转位刀具系列，这种高压的冷却液射流可把切屑抬离前刀面，并使切屑弯曲、折断或成为更小、更可控的碎片，高压冷却液在降低切削温度的同时，射流的压力场还有助于迅速地把切屑排出切削区，在加工钛合金Ti6Al4V时，Seco公司的飞流系列刀具（Jetstream Tooling）能使切削速度提高50％，加工节拍缩短50％，刀片消耗减少60％，具有极佳的切屑控制性能并改善加工表面粗糙度。

图3  Jetstream刀具

通过增加刀刃齿数来提高加工效率是可转位铣刀技术创新的一个重要方面。如美国Valenite 公司推出的三齿机夹球头铣刀V420（图4）在每齿进给量不变的情况下，将进给速度提高了50％，将加工效率提高了33％，此项创新是曲面铣削加工的一次技术突破。通过采用多边形刀片、增加单个刀片的刃口数，可降低可转位刀片的使用成本，如日本泰珂洛（Tungaloy）超硬工具公司则将可转位面铣刀的刀片刃数增加到了16个刀刃；以色列ISCAR公司则推出的双面八角形刀片，用于各种面铣刀（图5），刀片可提供2×8次转位，大大提高了刀片使用的经济性。

图4  三齿机夹球头铣刀V420

2. 整体硬质合金刀具

硬质合金的产生已经有80多年的历史，它使金属切削加工的效率提高了100倍以上，但在上个世纪80年代以前，复杂刀具基本上是高速钢的一统天下，上世纪80～90年代以来，超细硬质合金的出现、粉末冶金技术的进步、硬质合金可加工性的改善、数控磨削技术的发展，有力地促进了整体硬质合金刀具的研究、生产与应用。目前，从小型刀具看，已能制造直径1mm以下的硬质合金铣刀和钻头，φ1mm以上的钻头、M2以上的丝锥已大批量生产和使用；在大直径刀具方面，已能制造直径30～40mm的铣刀、齿轮刀具等复杂刀具。一些复杂结构、复杂曲面的整体硬质合金刀具（如汽轮机隼槽铣刀、齿轮滚刀等）的使用，大大提高了一些复杂零件的生产效率。ISCAR公司的FINISHRED 精加工波形刃立铣刀（图6）将粗铣刀和精铣刀综合到了一把刀上，它同时具有两个螺旋波形粗加工刃和两个螺旋光滑精加工刃，可用粗加工的切削参数，得到精加工的表面质量，一把铣刀代替了过去的粗、精两把铣刀。RF100 系列错齿不等分螺旋槽高性能整体硬质合金铣刀，其螺旋角被设计成35～38、且不等分分布，从而提高了刀具加工时的抗震性能。日本欧士机（OSG）公司推出了TRS 三刃整体硬质合金钻头（图7）、NEO 不等距导程整体硬质合金铣刀等一系列新型整体硬质合金高效加工刀具。有的整体硬质合金刀具采用独特的4刃槽型截面设计和具有防振功能的外刃设计，能降低加工中的振幅，适用于刚性较弱的薄板加工。

图5  16刃刀片的面铣刀

内冷却技术应用于整体硬质合金刀具是一项突破性工作。一些小直径麻花钻也采用和内冷却方式。ISCAR公司的CHAMDRILL-FF 大进给变色龙系列钻头，整体硬质合金的可换刀头均带有内冷却孔，使钻孔加工的冷却更佳，排屑更流畅，能承受更大的扭矩。BAYOT-REAM 卡口式铰刀，带内冷却水孔，接口为特殊的带槽反锥＋螺纹的联接结构，内冷却液可直接喷射到切削刃上，可使铰孔加工的精度和加工效率大大提高。

图6  精加工波形刃立铣刀

3. 切削部结构

刀具切削部分的结构对刀具切削性能具有至关重要的影响，也是刀具设计制造中最活跃、最能发挥创造性的地方，具有“微小之处见功夫”的特点。切削部结构的改进与创新，极大地推动了高效刀具的发展与应用。切削部结构的改进与创新主要表现在两个大的方面：一是利用现代造型技术、曲面加工技术和新型刀具材料的特点，改进、优化通用刀具的切削部分的构型和几何参数；二是根据被加工材料和加工条件的特点，设计制造专门化的刀具。

图7  TRS三刃钻头

刀片上带断屑槽和修光刃，能有效地折断切屑，防止长屑的形成，进一步提高了刀具的切削加工性能。有的超硬刀具具有不需重磨的一次性多角刀片，即在一片刀片的几个切削角(或上、下面)上都焊有CBN或PCD，可以像硬质合金可转位刀片一样，使用多个刀角。小径CBN超级球头铣刀（图8），其球头部位带月牙槽，导屑槽则为螺旋形，最小球头半径可达R0.2mm，实现了高硬度(约68HRC)模具的镜面加工。

图8  小径CBN超级球头铣刀

KRUZ硬质合金机夹钻（图9）采用了被称为“F顶角”的140中心刀尖角和170副刀尖角的双重特殊顶角，能有效定位并有效控制切屑流出，配以牢固的双重夹紧结构，大大提高了切削速度和每转进给量，特别适用于斜面孔、交叉孔等的高速钻削加工。带4个倒棱的整体硬质合金钻头(四倒棱钻头)，也是整体硬质合金钻头的一个创新点， Mapal公司（图10）设计的四导棱钻头在提高钻孔时钻头的稳定性、防止颤刀。KUB-Centron齿冠钻头（图11），其标准设计的长径比最大为9。刀杆上特殊设计的排屑槽保证了排屑畅通，并有足够的刚性，钻杆与可交换的齿冠采用一种新型的连接结构，可传递更大的扭矩并保证很好的定心，精确的定心使中心钻和刀片寿命大大提高。

图9  KRUZ机夹钻

新生产的刀具在第一次加工使用时会产生崩刃，经过倒钝处理过的刀具可以基本上避免上述问题，倒钝技术德国已被广泛使用，德国奔驰汽车公司一台加工中心，使用各种钻铣刀具80余把，原使用未经过倒钝处理刀具，加工100h后，需将全部刀具更新；使用经过倒钝处理过刀具后，加工工时延长到240h。

图10  四导棱钻头

针对行业所开发的专用高效刀具的结构变得越来越复杂，可实现的加工功能越来越多，一些刀具可实现的动作甚至代替了机床，使刀具变成了一台复杂的机械装置，从而成为革新加工工艺、提高加工效率、节省投资的重要工艺因素。Valenite 公司的气动控制自动补偿气缸孔镗刀（图12），实现了在加工中心上尺寸自动补偿，达到加工尺寸自动控制的目的。

图11  齿冠钻头

4. 复合多功能刀具

多功能复合刀具可以有效减少零件加工工序和机床换刀与空行程时间，是发展高效刀具的有效途径。DR多功能钻头（图13），一把刀具即可完成钻削、内孔车削、端面车削、外圆车削多种加工，缩短了生产周期，减少了刀具的采购数量。哈尔滨汽轮机厂生产国内首台60 万kW 超临界汽轮机组时，在高合金钢上加工大直径深孔，采用了肯纳金属公司的一种新型复合钻，使加工1 个孔的工时从6.7h缩短到0.5h。在高速加工中心上，现采用新的“圆周螺旋铣削”，实现了传统复合刀具难以完成的1 次钻铣螺孔、倒角和切槽，扩大了复合刀具的使用范围，大大提高了加工效率。

图12  自动补偿气缸孔镗刀

数控工具系统

切削加工的数控工具系统是现代切削技术不可缺少的组成部分，对切削技术的进步起着重要的作用，已成为现代工具产品的一部分。目前，HSK刀柄的应用更加普及，各类带HSK刀柄的工具在我国的汽车工业、航空航天工业、模具制造业、气轮机制造业等行业得到了广泛的应用。日研公司和大昭和公司分别开发了三处接触(3LOCKSYSTEM)和双面接触(BIGPLUS)两种7:24连接刀柄，与现有的7:24刀柄比较，它们有更高的连接刚性和精度，可用于高速、高效切削，并且还能与现有的7:24刀柄或机床兼容，减少了新增的工具费用。日研工作所结合该公司三处接触刀柄技术发展了内置振动吸收装置的超级减振刀柄——MAJORDREAMHOLDER，通过内部安装的特殊振动吸收装置，吸收机床主轴的微量跳动和振动，达到有效降低高速旋转时的振动和噪声的效果，从而获得高的金属切除率及很好的表面质量，可提高刀具寿命1～4倍。

图13  DR多功能钻头

在夹紧部位方面，各种各样的高效、高性能工具夹头得到广泛应用。一些刀具公司研制开发了液压夹头、热装夹头、压入式夹头等各种刀具夹紧系统。如日本日研工作所开发的PF压入式系列刀柄，也实现了端面接触，卸刀时采用专门装置把刀具顶出；Sandvik Coroment公司开发了CoroGrip液压驱动夹头；Biltz、Zoller等数家公司开发了热装夹头及加热装置，新推出的加热夹头装置（图14）都加快了冷却的速度，有的还增加了轴向可调的机构，并与对刀仪结合在一体，提高了加热夹头装刀的轴向精度。德国Schunk公司开发的高精度细长型及高阻尼粗壮型液压夹头、力变夹头、应力锁紧式夹头。哈量集团收购的德国Kelch公司开发了“i-tec-Slott”热装夹头。与普通热装夹头要求刀柄公差为h6相比，新的“i-tec-Slott”夹头可把刀柄公差放宽到h9，而且不论是结构钢的刀柄还是高速钢或硬质合金刀柄，刀具均可被一个收缩套牢固地把持，此夹头可明显地提高传递的扭矩和夹紧的刚性，而且有很好的装夹精度，提高了刀具的寿命，降低了加工的成本。德国雄克（Schunk）公司推出的Lss超细长指状刀具夹头，适用于难加工的部位如型腔的深部加工，其夹持部位的长度达到200mm，端跳在6μm以内，具有良好的阻尼减振特性，适用于钻、铰和铣削加工，其动平衡指标达到G6.3/15000rad。SINO-R减振型强力刀具夹头是基于创新的膨胀夹持技术，使用固态的弹性体作为压力介质，用“C”形扳手使夹紧套沿轴向压紧，与此同时弹性体压迫膨胀壁，从而起到夹紧作用。该刀具夹头可承受高达850Nm的扭矩，采用减径套可夹持不同直径的刀具，并具有轴向长度调节功能，刀具动平衡也满足G6.3/15000转的指标，夹持孔同心度≤0.005mm。

图14 热夹紧装置

刀具的动平衡是高速铣削刀具的重要指标，为此，德国的HAIMER和意大利的CEMB等公司，根据对刀具动平衡的要求开发了专用的动平衡仪（图15），可实现全自动的刀具动平衡测量，并可根据需要作一个平面或两个平面的不平衡测量，设定平面的位置，还可通过更换主轴接头测量不同刀柄的刀具。目前，安全性技术已被世界上着名的工具制造厂家所采用某些精加工高速铣刀的不平衡质量已达到G2.5级，平衡性比G40高很多，而美国平衡技术公司推出的刀具动平衡机甚至可平衡到G1.0级。

图15  刀具专用动平衡仪

现代高效刀具的核心价值所在，是帮助制造业提高质量和效率，从而提升竞争能力。我国现在正在从制造大国走向制造强国，国内制造业拥有的高速高效数控机床和加工中心正在迅速增加，需要大量的先进高效加工刀具。个性化的高效加工刀具今后将逐步成为市场的重要组成部分。

目前我国生产中需要的现代高效刀具的绝大部分来自进口刀具和外资刀具企业。国内工具制造企业应改变理念、重视积累，夯实基础、强化服务，重视生产高效专用刀具和为生产服务，满足现代制造业提出的“高精度、高效率、高可靠性和专用化”的刀具技术和产品需求。