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日本切削技术和刀具材料的发展热量表

2022年09月29日

日本切削技术和刀具材料的发展

日本的生产技术虽然在世界上处于领先地位，但面对经济全球化、技术的快速发展以及激烈的市场竞争，为了保持其优势地位，日本的机械制造业和工具行业正在制订新的企业发展战略，大力发展先进的生产技术和新型机床及工具系统。目前，正重点发展CNC多功能复合切削加工、高速铣削加工、超精密/微细切削加工等先进技术以及与此相适应的机床和工具系统。

1．可简化工序提高效率的CNC多功能复合切削技术

CNC多功能复合切削用机床由加工中心和刀具主轴可作旋转运动的转塔式刀架构成，具有刀具旋转、分度和自动换刀等多种功能。因此，当进行车削加工时，由于机床具有刀具旋转和多轴控制功能，能在一道工序完成多种形状的加工，从而可简化加工工序，实现工序的集约化。在切削加工模具零件时，可在一道工序中完成过去需数道工序才能完成的金属模具各种孔、沟槽和三维形状型腔及阳模的加工，不仅简化了工序，还能减少多次装夹工件产生的误差，实现高精度高效率加工，减少生产场地面积。多种CNC多功能复合刀具及专用设备工具系统在市场已有销售。近年来正积极开展工具系统的标准化工作，如可与加工中心通用的、以HSK刀柄为基础的工具系统已纳入ISO标准化研究工作中。这些工具系统能够适应可充分发挥多轴控制功能的多种形状加工，也能实现工具种类的集约化。与过去的工具系统功能不同的新型工具系统正在不断面市。

但是，CNC多功能复合切削加工还是一门较新的技术，仍有许多课题需要研究，如完善多轴控制CNC程序，工具系统的开发，适用的加工形状，加工精度的提高，刀具的选择方法和使用技术等。例如，需要研究开发利用刀具的三维形状数据来模拟判定机械干涉的功能，通过复杂动作多轴控制切削预测，能够防止刀具与夹具等发生干涉。此外，需要构建最佳刀具的选择、开发以及刀具轨迹和切削条件等数据库，形成高新加工技术。

2．高速铣削加工技术

高速铣削加工是一种在小切深、高转速、快进给条件下进行铣削的加工方法。由于切削刃所承受的切削力小，因此是易产生加工变形的薄壁零件及高硬钢件等的最佳切削方式。高速铣削是突破了对常规切削中刀具选择和切削条件的认识而开创的一种新的切削领域。在合理设定切深量的高速铣削中，切削速度的提高降低了刀具切削刃与工件切削点的热影响，有利于延长刀具使用寿命，显著改善已加工面表面粗糙度，提高零件加工精度。

试验证明，在小切深、快进给条件下用涂层硬质合金立铣刀高速铣削高硬钢时，刀具切削刃的切削轨迹能真实复映在已加工表面上，从而可获得接近理论粗糙度的优质表面。因此，在加工高硬度钢件时，高速铣削条件与最佳刀具切削轨迹的合理组合是实现以铣代磨的关键。

在推广应用高速铣削加工的同时，切削加工技术也不断朝着更高的水平发展，通过进一步优化CAD/CAM，生成更高水准的NC数据，可开发出更先进的切削刀具和工具系统。

3．超精密/微细切削加工技术

用于电子设备、医疗器械等领域的高附加值产品的生产倍受关注，加工这些产品需要应用超精密/微细切削加工技术。根据上述需求开发的CNC超高速加工中心在3根主轴上各装有2台线性电机，分别作相对运动（控制加速度）以抑制驱动时的振动。

主轴上装有φ0.1mm以下的微型刀具，其转速达到120000～200000r/min，主轴采用空气静压轴承，在高速旋转时能将推力方向的热位移控制在亚微米范围内，以确保微型刀具实现稳定的高精度切削。微型刀具自动装卸系统在刀夹入口处的夹持精度可保持在1μm以下，此外还配置有刀具自动检测系统，能够实现长时间稳定的连续切削加工。为了充分发挥CNC超高速加工中心的功能，立铣刀等刀具的微型化及长寿命的切削性能至关重要。目前的发展现状是：涂层硬质合金立铣刀和CBN立铣刀的最小直径已达到φ0.1mm。由于微细切削加工零件很难进行修正，因此要求所用刀具应具有较长工作寿命，可以预见，具有长寿命特性的CBN立铣刀的应用今后将不断扩大。

4．新型刀具涂层材料

上世纪90年代中期开发成功的（Ti，Al）N涂层硬质合金刀具对高速切削加工和高硬材料加工作出了重要贡献，但这些涂层在抗高温扩散性能、润滑性能等方面还不够理想。最近，研发成功了号称跨世纪水平的CrSiN、TiSiN、TiBON等新型刀具涂层材料。

日本的岛顺彦等开发了添加B、O元素的TiBON系列涂层材料，与（Ti，Al）N涂层相比，其涂层刀具的前刀面在高温下铁元素扩散极少，显示出优良的润滑性能，切屑不粘刀；在富氧氛围中使用TiBON涂层硬质合金刀具时，涂层的润滑效果更为显著，延长了刀具使用寿命，这是因为在富氧氛围中生成的氧化物具有良好润滑性能的结果。这种利用富氧氛围生成氧化物以消除或减少粘刀，延长刀具寿命和提高加工质量的方法适用于钛合金及718镍铬铁耐热合金的切削加工。在富氧氛围和不加冷却液条件下，用TiBON涂层硬质合金立铣刀加工718镍铬铁耐热合金时，取得了改善粘刀和减少刀具磨损的良好效果。