機械的發展與刀具材料現狀是怎么樣的？

     一 我國機械行業的歷史與發展
                
    我國在金屬切削方面有著悠久的歷史。古代加工石質、木質、骨質和其他非金屬器物是今天金屬加工的序曲。在舊石器時代就有石砍砸器，到了新石器時代，人們再與大自然的搏斗中生產工具得到了不斷的改進，如：石斧、石刀、石鐮等。并且以能在石器上鉆孔。甚至把堅硬的石刃鑲嵌或粘接在骨把上制成夾固式石刃骨刀。 

    人類從這時候起，在生產實踐中逐步認識了刀刃的作用。可以這樣說，一個原始的切削加工過程形成了。基本上具備了切削的基本條件：刀具（帶刃口的石器），被加工對象（生產和生活用品），切削運動。 

    我國的金屬切削加工工藝，從青銅器時代開始萌芽的，并逐漸形成和發展。從殷商到春秋時期已經有了相當發達的青銅冶鑄業出現了各種青銅工具，如：青銅刀、青銅銼、青銅鋸等等。同時有出土文物與甲骨文記錄表明，這個時期的生產的青銅工具和生活工具，在制造過程中大都要經過切削加工或研磨。我國的冶鑄技術比西歐早一千多年。滲碳、淬火、和煉鋼技術的發明，為制造堅硬鋒利的工具提供了便利的條件。鐵質工具的出現，表明金屬切削加工進入了一新的階段。有記載表明早在三千多年前的商代已經有了旋轉的琢玉工具，這也就是金屬切削機床的前身。70年代在河北滿城一號漢墓出土的五銖錢，其外圓上有經過車削的痕跡，刀花均勻，切削振動波紋清晰，橢圓度很小。有可能將五銖錢穿在方軸上然后裝夾在木質的車床上，用手拿著工具進行切削。 

    八世紀的時候我國就有了金屬切削車床。到了明代，手工業有了很大的發展，各種切削方法，有了較細的分工。如：車、銑、鉆、磨等等。從北京古天文臺上的天文儀器可以看出當時采用了與五、六十年代類似的加工方法。這也就說明當時就有較高精度的磨削、車削、銑削、鉆削等等。其動力是畜力和水力。 

    清末，由于政府腐敗和外國的侵略使我國的科學技術發展停滯不前，金屬加工也處于落后的狀態。 

    解放前，我國的工業已經十分落后，根本沒有自己的機床，工具制造業。就連高速鋼這樣的工具材料，麻花鉆這樣的普通工具都不能制造。 

    解放后，我國的機床也有了長足的發展。機床和工具制造業也從無到有，從小到大。


    七八十年代，工具材料進一步得到發展，硬質合金和高速鋼的規格和品種不斷增加。如：涂層硬質合金、立方碳化硼，陶瓷等等。 
                
    到了八十年代數控、數顯設備也開始發展起來了。由于受當時電子設備、微機、傳輸等影響，沒有太大的發展空間。隨著電子設備、微機、傳輸速率的快速發展，數控、數顯設備也快速發展起來了。 

    現今，我國機床制造也已基本上成熟了，特別是在普通機床上。準確來講機床是先進制造技術的載體，機械產品質量、更新速度、應變能力、效率在相當程度上取決于機床。我國現在對機床的需求將是中檔數控機床、加工中心和專用機床為主。其他機床相對要少得多了。而我國的尖端數控機床和自動化生產線的制造還不能與世界強手相比。 

    但是，我國在軍事，航空等方面還需要精密、復合、智能的設備。這也就要求我們奮發圖強趕上他們，在這樣的環境下也確定了我國數控機床的發展方向，向復合、高速、智能、精密、環保等方面的發展，完善我國自主知識產權的開放式數控系統平臺及技術規范，開發數控機床的智能化和網絡化技術；進一步研究并聯加工技術和集車、磨、銑、鉆、鉸、鏜等工序于一身的集成技術，減少加工中的裝夾次數；攻克高水平電主軸、直線電機、高速滾珠絲杠等功能部件制造技術，提高產品性能和技術水平；推廣機械加工中的無冷卻、無潤滑、無氣味等技術，減少機床使用中對環境的污染。 

    而普通機床也不能少，在小規模的生產廠家普通機床是必不可少的，這些廠家主要以修配和小批量生產為主，一些民品的精度不是很高，普通機床完全可以滿足他們的需要。 

    二 刀具材料的發展及現狀
                
    在現代機械加工中，刀具材料以硬質合金和高速鋼用得最多，幾乎各占一半。高速鋼的發明和應用，已有整整一個世紀的歷史，硬質合金則已有半個世紀。但二者均研制出許多新品種，其性能不斷提高，在機械加工中發揮著重要作用。近年來，隨著數控加工技術的迅猛發展以及數控機床的普遍使用，要實現高效率、高穩定性、長壽命加工。超硬刀具的應用也日漸普及起來，同時引入了許多先進的切削加工概念，如高速切削、硬態加工、高穩定性加工、以車代磨、干式切削等。超硬刀具已成為現代切削加工中不可缺少的重要手段。 

   （一） 超硬刀具

    超硬刀具主要包括金剛石刀具和立方氮化硼刀具，其中以人造金剛石復合片(PCD)刀具及立方氮化硼復合(PCBN)刀具占主導地位 

    PCD金屬切削刀具 
                
    PCD金屬切削刀具可利用PCD材料的高硬度、高耐磨性、高導熱性及低摩擦系數實現有色金屬及耐磨非金屬材料的高精度、高效率、高穩定性和高表面光潔度加工。此類刀具從結構上主要可分為焊接式PCD刀具和可轉位式PCD刀片。近年來焊接式PCD刀具中發展較快的品種是帶標準刀柄的PCD刀具，如帶柄PCD銑刀、PCD鏜刀、PCD鉸刀等，刀柄型式主要為圓柱柄、錐柄和HSK柄。這種刀具（尤其是多齒刀具）的特點是切削刃對刀柄的跳動小（如刃長為30mm的HSK柄PCD銑刀的切削刃跳動僅為0.002mm），尤其適合于對各種有色金屬零件的成形面、孔、階梯孔等進行大批量高速加工。例如，采用鋁基體刀盤的PCD高速銑刀（六刃，直徑100mm），最高轉速可達20,000r/min,以上，切削速度可達7,000m/min 。
                
    可轉位式PCD刀片是在硬質合金可轉位刀片上鑲裝一塊PCD刀坯再經刃磨而成，可裝夾在各種數控機床的刀桿、刀夾或刀盤上，用于高可靠性的大批量加工。隨著數控機床、加工中心及自動生產線的日益普及，可轉位式PCD刀片的使用越來越多，其刀具耐用度較硬質合金刀具可提高幾十倍。 

    PCBN金屬切削刀具 

    PCBN金屬切削刀具也可分為焊接式PCBN刀具和可轉位式PCBN刀片兩類。 
                
    焊接式PCBN刀具是將PCBN刀坯焊接在鋼基體上經刃磨而成，主要有車刀、鏜刀、鉸刀等。PCBN刀具大多用于耐磨黑色金屬的加工，因此其刀尖角不能太小，刀具前角一般為-5°～5°，后角一般為3°～10°，斷續切削時一般采用負倒棱。 

    轉位結構的PCBN刀片（主要為車刀片和銑刀片）一般是在可轉位硬質合金刀片的一個角上鑲焊一塊PCBN刀坯，經刃磨而成。考慮到刀坯較貴及重磨等原因，一般只做成一個刀尖。隨著焊接工藝質量的提高，其剪切強度可達0.78kg/m2。隨著PCBN刀坯尺寸越做越小，不重磨PCBN刀片的價格也隨之降低。 

   （二）超硬刀具的典型應用 

    硬態加工，以車代磨 
                
    由于PCBN刀具具有極高的硬度及紅硬性，可使被加工的高硬度零件獲得良好的表面粗糙度，所以采用PCBN刀具車削淬硬鋼可實現“以車代磨”。應用實例如汽車、摩托車齒輪孔的加工，此類零件材料一般為20CrMnTi，滲碳淬火，表面硬度為60～62HRC，齒輪孔精度為IT6，表面粗糙度Ra≤0.8μm。傳統加工工藝為：機加工->熱處理->磨削。采用超硬刀具“以車代磨”的加工工藝為：粗加工->熱處理->精加工。新工藝可大幅度提高加工效率，降低加工成本，原采用磨削工藝一班僅能加工100個小齒輪，現采用PCBN刀具車削(切削參數V=60～120m/min，f≤0.12mm/r，ap≤0.1mm，一班能加工400個小齒輪，此外，分攤到每個齒輪的加工成本也有所下降。 

    高速切削，高穩定性加工 
                
  　在汽車發動機生產線上，灰鑄鐵缸體的缸孔精加工是關鍵工序之一，要求缸孔加工尺寸精度高、表面粗糙度值小、穩定性好；由于生產線加工節拍快，要求切削速度高(通常V≥500m/min)，刀具壽命長(加工孔數≥1000)，且倒角、止口、粗精鏜等多個工位的刀片壽命均應滿足耐用度要求。采用PCBN刀具即可實現發動機缸孔的高速切削及高穩定性加工，其典型切削參數為：V=500m/min，f=0.2～0.4mm/r，ap=0.2～0.7mm；加工表面粗糙度Ra≤1.6μm ，刀具壽命>1,000件。 

    有色金屬的高速、高穩定性、低粗糙度加工及鏡面加工 
                
    采用PCD刀具加工有色金屬時，由于金剛石硬度高，表面與金屬親合力小，且刀具一般拋光成鏡面，不易產生積屑瘤，因此加工尺寸穩定性及表面質量都很好，刀具壽命也較長。 

    例如，采用PCD刀具加工電機整流子的紫銅換向器，典型切削參數為：V=300m/min，f=0.08mm/r，ap≤0.15mm，加工表面粗糙度Ra0.1～0.2µm，刀具壽命>5,000件，而采用硬質合金刀具則只能加工幾件。 

    采用PCD刀具加工各種硅鋁合金零件，表面粗糙度Ra≤0.1µm，刀具壽命可達幾千～幾萬件，尤其適合汽車、摩托車零件的大規模生產。 

    采用單晶金剛石刀具，在超精密車床上可實現鏡面球形加工。機床采用超精密氣體靜壓主軸及回轉工作臺，跳動量≤0.3µm，工件采用高精度氣動卡盤，可實現快速高精度定位。加工無氧銅材料時，表面粗糙度Ra≤0.025µm，圓度≤0.3µm；加工鋁件時，表面粗糙度Ra≤0.025µm。 

    干式切削，清潔化加工 
                
    采用PCBN刀具加工含硼鑄鐵缸套，切削參數：V=200m/min，f=0.1mm/r，ap=0.2～1mm，加工表面粗糙度Ra≤1.6µm，精度IT6，兩次刃磨間刀具壽命>100件，可實現“以車代磨”。由于采用干式切削，避免了切(磨)削液及砂輪灰對環境的污染，切屑也可回收再利用，符合清潔化生產要求。 

    以上所說的刀具價格比較貴一些小型生產廠家由于成本的問題不會去大量購買。 

   （三）我國的新型刀具
                
    這種添加稀土元素的硬質合金是刀具材料新品種之一。稀土元素是指化學元素周期表中原子序數57～71（從La到Lu），再加上21和39（Sc和Y），共17個元素。將某些稀土元素，以一定方式，微量添加到傳統的硬質合金牌號中，即可有效地提高它們的機械性能與切削性能。我國稀土元素資源豐富，對稀土硬質合金的研究開發，領先于其他國家。已研制出下列牌號的刀具用稀土硬質合金：YG8R（相當于ISOK30級別）、YG6R（K20）、YW1R（M10）、YW2R（M20）、YT5R、YT14R（P20）、YT15R（P10）、YS25R（P25）。還有礦山、地質工具牌號YG11CR。 

    在YG8、YT14、YW1硬質合金中添加了Ce、Y等稀土元素后，形成了稀土硬質合金YG8R、YT14R、YW1R。YG8R主要用于鑄鐵和有色金屬的粗加工；YT14R主要用鋼材的半精加工；YW1R則為通用牌號，可用于各種工件材料的半精加工。 

    經過測試，添加稀土元素后硬質合金的組織比較致密；室溫硬度和高溫硬度有所改善；斷裂韌性和抗彎強度顯著提高，分別提高20%和10%以上。 

    稀土元素在自然界蘊藏豐富，價格不高，添加在硬質合金中可以明顯地提高機械、物理性能和使用性能，故有廣闊的應用前景。