北京航空航天大学机械工程及自动化学院袁松梅教授

近年来，高速切削、硬切削、干切削等新的工艺快速发展，已经成为现代切削加工共性基础技术的重要发展方向，因此对刀具的材料选用、结构设计、监测管理等有了更高的要求，同时随着制造领域的不断拓展，针对具体领域的刀具高效解决方案已成为实际加工中用户最关心的方面之一。新型的刀具技术越来越成为高精度、高效率、高可靠性切削加工的关键。最近在刀具技术方面所取得的进展均属于材料科学，计算机与信息学科、微电子应用技术的最新成果。为了满足现代先进制造的经济性、环保性、高效性而出现的新型通用及专用、复合、智能的刀具，都有着先进的结构、优良的材料性能、高的加工效率和精度。

1、刀具的材料技术

近20年来，超细晶粒硬质合金和超硬刀具材料使用比重大幅增加。适用于高速切削的刀具包括涂层刀具、金属陶瓷刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼(CBN)、聚晶金刚石(PCD)超硬刀具等有了很大的发展，应用也越来越广泛，可以预见未来随着硬切削、干切削等工艺的增加，这些刀具在切削加工中占有比例会进一步提高。

山特维克可乐满公司在已有的材料技术基础上进一步拓展，采用同向结晶的Inveio技术，改变了涂层晶体生长方向的随机性，可控制刀片CVD氧化涂层中的晶体生长方向，使所有晶体朝着刀片顶部呈相同方向排列，这些紧密裹在一起的晶体可朝着切削区和切屑方向形成一道坚固的屏障，从而大大提高了刀具材料的耐磨性，能够保持长时间切削而不发生切削刃变形，并可提供更长且可预测的刀具寿命，确保安全的无人值守生产，同时保证高金属去除率。这种新型的新刀片材质可以进行高速和长时间切削，适合钢件车削与铸铁铣削加工。此外，随着纳米技术和涂镀技术的发展，纳米刀具涂层材料开始受到广大研究者的关注。由美国学者开发的纳米涂层和纳米复合涂层技术可采用多种材料的不同组合(如金属/金属组合、金属/陶瓷组合、陶瓷/陶瓷组合、固体润滑剂/金属组合等)，以满足不同的功能和性能要求。

图1 同向结晶的Inveio技术

2、刀具的结构设计

CIRP的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。在现有刀具材料的基础上，新颖、技术含量高的刀具结构设计，可以优化刀具切削部分的几何形状，改善切削状态，能充分发挥新型材料的作用。

在新型的刀具结构设计方面，比较有代表性的是伊斯卡公司推出的用于仿形铣的高效仿形风火轮球头铣刀BLP系列，可夹持三个可转位双面铣刀片，形成240°空间铣削角度，三个刀片切削刃采用了全效率，并且带有分屑槽，铣刀体带内冷却通孔，冷却液直达切削刃。BLP铣刀的大进给能力使得生产率非常高，同时降低了切削力，大幅提高了切削加工过程的稳定性，消耗功率更低，刀片寿命更长。这种新铣刀可提高不同工业领域复杂3D仿形铣时的性能，广泛应用于复杂曲面铣削，向上向下坡走铣，峭壁仿形铣及清根等工艺，特别在模具工业，涡轮叶片，整体叶轮叶盘及航空工业零部件的加工。

图2 伊斯卡BLP高效仿形风火轮球头铣刀

3、刀具的监测管理技术

刀具切削状态的实时监测与管理也是实现制造系统现代化、自动化、柔性化的基础。出现于90年代的智能刀具技术受到越来越多的关注，并在近20年来得到迅速发展。

精确地预报刀具在加工中，尤其是在制造成本极高的精密零件加工中的失效时间对提高零件的加工效率和质量、减少生产成本及研制周期具有重要意义。日本京瓷工业陶瓷公司提出一种装有磨损传感器的可转位刀片刀具寿命诊断系统。这种智能刀具系统采用Ceratip传感器，它在正方形的陶瓷刀片表面上，涂覆一层厚度为0.3µm的TiN，刀具在开始切削时，使装有传感器的刀片涂覆层通过电流，形成一微电子回路。当刀具在切削力的作用下磨损时，刀片表面上的TiN涂覆层首先被破坏，这时电流不能通过装有传感器的刀片涂覆层(断电)，用电表测量时，此处微电子回路的电阻变为无限大。这时装在刀片上的传感器，将立即向机床控制系统发出信号，由机床控制系统控制机床立刻停机并执行自动换刀程序。这种刀具寿命诊断系统能直接测量出刀尖的磨损情况并快速、准确地预报刀具的失效时间。

随着制造领域自动化程度不断提高，刀具信息管理成为亟待解决的问题。山特维克可乐满公司开发了名为Adveon的软件，这是一款数字化刀具数据库，可模拟高质量的刀具组装。在工艺规划和CAM编程中，这款软件可真实地模拟干涉实验，为金属切削行业提供了一个可自由发挥创造力的平台，并有望大幅节省成本。山特维克可乐满公司进一步提出了“智能加工”的概念，即刀具“知道”在加工过程中如何运转，并与机床直接沟通。如果出现故障，刀具会发出警报或自动优化工艺。CAD/CAM软件专业厂商Edgecam成为已将Adveon刀具库集成到Edgecam的软件中，将帮助客户进一步提高加工的生产效率和安全性，并缩短机床的安装时间。

图3 Adveon数字化刀具数据库

4、刀具的高效解决方案

随着制造领域对加工要求的越来越高，各大刀具制造厂商开始从单纯的刀具生产、供应，转向针对具体应用领域的加工要求，为用户开发相配套的高效刀具系统及工艺解决方案，从而提高生产效率和产品质量、降低制造成本。

在航空航天领域零件的制造精度高，且大量采用高温合金、钛合金、复合材料等重量轻、耐蚀性和耐高温性好的材料，以满足其产品性能，但这些高粘性、高塑性和高强度的难加工材料，对刀具的质量及性能提出了很高的要求。山特维克可乐满公司针对航空发动机压气机中的整体叶盘，对高温合金粗加工开槽采用50度螺旋角，带避空的整体硬质合金圆角立铣刀，应用摆线铣削技术，控制铣刀与工件的接触弧长，由于切削力较小，可以采用较大的铣削深度，实现刀具平稳地逐渐切入和逐渐切出工件;对叶片的精加工采用锥度球头立铣刀进行大铣削深度的侧铣加工。

图4 整体叶盘粗加工开槽图                                 5 整体叶盘精加工侧铣

复合材料在航空航天领域大量应用，但由于其各向异性、非均质性、高硬度、高强度等特性，使得其在切削加工中的对刀具的要求也越来越高。传统刀具在切削加工复合材料时，表现出了过快的磨损以及涂层剥落现象。同时，针对复合材料研发的传统刀具，多采用CVT金刚石涂层或者PCD金刚石镶嵌刀具，使得刀具成本急剧提升，加工经济性变差。北京航空航天大学袁松梅教授课题组针对复合材料的材料属性及加工表面质量、效率等的要求，设计了专用于复合材料超声振动加工的金刚石磨粒刀具，与自主研制的超声振动加工装备相匹配，并开发了复合材料切削力仿真及切削参数优化软件，形成从复合材料切削加工专用刀具和装备系统的设计研制、材料去除机理研究、振动加工系统参数匹配、切削参数优化、表面质量检测评价及控制的复合材料切削加工整体解决方案，取得了良好的效果。

图6 复合材料超声振动加工整体解决方案

随着新型难加工材料的大量涌现及应用领域的不断拓展，硬切削、干式切削和高速切削等工艺的应用，切削加工领域对刀具的材料、结构、监测管理及整体解决方案的要求也越来越高。刀具材料从高速钢—硬质合金—陶瓷到超硬材料发展，涂层刀具技术得到深入研究和广泛应用。在高性能刀具材料基础上，开发创新型结构的刀具，针对具体应用领域提出刀具的高效解决方案，实现从标准刀具到高精度、高效率、高可靠性专用刀具的发展，是当前和未来研究的重点。同时智能制造成为加工领域的研究热点，智能刀具监测管理技术出现向系统化和模块化发展的趋势，并将与现代通信技术相结合，进一步融合到物联网中，从而推动制造业装备的高度现代化、自动化和智能化。