数控刀具和数字化精密量具量仪的发展

1数控刀具和数字化精密量具量仪的发展——数控切削技术发展的两个车轮——谢华锟1姜华21成都工具研究所2四川大学宁江机床集团有限公司1序言数控切削加工技术是先进制造技术、特别是先进切削加工制造技术中的一个主要发展领域。数控切削加工机床、数控系统、数控刀具、夹具和工件、以及测量系统，这五大要素构成了数控切削加工系统。（图）形象地比喻：数控刀具是数控机床的牙齿，精密测量仪器是数控机床的眼睛；抽象地比喻：他们是数控切削技术发展车的两个车轮。（图）数控加工技术尤其是数控切削加工技术和数控机床的发展，绝对不能脱离数控刀具和精密测量技术和仪器的发展！它们相互促进、息息相关。先进的切削加工技术和数控刀具以及先进的数字化测量技术和仪器，装备、服务、推动着数字化制造技术尤其是数字化切削加工技术的发展，装备、服务、推动着数控机床、数控制造装备的发展。2数控刀具的发展高速、高效复合、高精度、高可靠性及环保，是先进切削技术的发展趋势、也是对数控刀具提出的要求。数控刀具制造技术的发展主要集中在如下几个方面：（图）刀具材料制造技术，刀具涂层制造技术，刀具结构设计制造技术，连接数控刀具和数控机床的工具系统制造技术，以及切削数据库等相关软件技术。2．1数控刀具材料“对症下药”，重视超硬超细材料的开发切削刀具材料是决定刀具切削性能尤其是刀具切削效率和可靠性的基础。针对工件的特点（材料性能、加工余量、批量、要求等），开发匹配的特定刀具材质，“对症下药”，是当今的一个发展趋势。（图）钴高速钢、粉末冶金高速钢、硬质合金（包括超细颗粒硬质合金）、以及陶瓷、金属陶瓷等材料，在数控刀具上得到了迅速推广和广泛应用。尤其是数控刀具、可转位不重磨刀片用硬质合金牌号近年来有快速的发展，占有主要份额。亚微米级超稀颗粒硬质合金材料显著提高了刀具的切削机械性能（强度、硬度）。对于复杂成型数控齿轮刀具，钴高速钢和粉末高速钢则大有取代传统高速钢的趋势。随着有色金属材料、有机复合材料甚至木材等切削加工需求的增加，尤其是汽车（气缸体、气缸盖、活塞等）、航空航天、军工、家具制造业的发展，硅铝合金、铝镁合金、复合蜂窝材料零件以及淬硬工件的加工，推动了聚晶金刚石（PCD）、立方氮化硼(CBN)等超硬刀具材料制造技术的进步。环保要求的提倡，干切削技术和微量液冷却、低温气冷却技术应运而生，对切削刀具材料（及涂层）的抗高温性能提出了新要求——优良的高温红硬性、高温抗粘合性、高温摩擦性能等对实施干切削数控刀具的使用性能至关重要。2．2数控刀具涂层发展迅速，新涂层层出不穷切削刀具涂层是决定刀具切削性能尤其是刀具切削效率和可靠性的另一项关键技术，尤其符合节约型发展的要求：效果显著而节省资源，事半而功倍。近年来刀具涂层技术发展空前迅猛，新的涂层装备和涂层材料层出不穷。（图）在传统的TiN,TiC,TiCN,Al2O3涂层的基础上，发展了高温红硬性更好的TiAlN,TiBN,以及TiAlBN,CrN,CrC,SN2等新涂层，还有改善自润滑性能的软涂层MoS2。金刚石涂层、类金刚石涂层DCL以及CBN涂层等也得到了快速的发展。纳米涂层结构在同样涂层情况下，显著提高了涂层性能，备受重视（图）。目前在切削刀具涂层工艺中，主要采用的是化学涂层（CVD）和物理涂层（PVD）二大类涂层技术和装备。由于物理涂层工作温度低，对刀具基体强度影响小，使用较多。成都工具研究所的2热阴极离子镀（图）、英国技术、由西安理工大学和英国合作生产的闭合场非平衡磁控溅射离子镀（图），以及德国CemeCon公司的高电离溅射涂层技术和装备，（图）反映了当今涂层技术的一个发展方向——形成纳米量级的光滑涂层表面。在高速钢类齿轮刀具以及硬质合金数控刀具的应用上都得到不错的效果。上工贵工进口了新型涂层设备，哈一工和PVT、汉江工具和BALZERS成立联合涂层中心，促进了国产数控刀具涂层水平的进一步提高。材料学科的重要性在数控刀具的发展上得到充分的显现。刀具基体和涂层的优化匹配至关重要。为此，株洲硬质合金厂及下属株洲钻石切削刀具公司近年投资数亿，进行技术引进改造，在硬质合金新材料牌号、涂层技术及设备、可转位数控刀片和整体硬质合金数控刀具的开发和生产线的建立上，取得明显成效。2．3数控刀具和工具系统，满足高速、复合切削的要求在数控刀具和可转位数控刀片的结构设计上，值得一提的是新型精密成型的断屑槽型的开发，它有效的改善了刀具的切削性能。近年复合刀具的出现更是数控刀具发展的一个典型。以齿轮刀具为例，（图）波状切削刃滚刀使粗滚切削变得更轻快，复合齿轮刀具，一次完成滚齿和去毛刺工序（图）。数控刀具结构和几何参数的创新优化设计，进一步提高了切削性能。为适应CNC复合车加工中心在工件一次安装中，完成平面、圆柱面、孔以及螺纹切削加工的要求，新型的、满足车铣自动换刀的数控刀柄得以开发（图）。株洲钻石投资引进技术、上工和SU的合作，将进一步提高我国数控刀具和齿轮刀具的设计制造水平。工具系统将数控刀具和数控机床主轴精密牢固连接，传递切削运动和动力。对于高速高效加工，传统的单面（锥面）约束夹紧的、带有7：24锥的工具系统已经不能满足要求，HSK工具系统（带有1：10的锥面）得到了推广应用（图）。它采用双面（锥面和端平面）约束夹紧的原理，接触刚度大大提高，传递扭矩大大提高，近年在国内推广实施有所进展，但是主要在进口机床上配套使用。关键在于机床主轴制造和工具系统制造中，基准的建立和传递、计量检测装备和手段的配备。日本大昭和精机开发了带有7：24锥的双面（锥面和端平面）约束夹紧工具系统，达到相似的效果，还能与传统7：24锥柄刀具互换（图）。近年哈尔滨量具刃具厂收购了德国KELCH公司，吸纳了先进的数控工具系统成套制造技术（设计、加工制造、检测、工作基准规等），将会推动并加快我国数控工具系统开发制造的进程。2．4数控刀具测量仪器和数控刀具闭环制造系统为确保高切削性能、高精度、形状和结构复杂的数控刀具的质量，数控刀具检测仪器得到重视。如德国Zoller公司的Saturn系列CCD数控刀具预调仪（图）、Schenck公司的TooldyneSV数控刀具动平衡检测仪（图），近年发展迅速,国外高端新产品不断进入市场。非接触式在机数控刀具检测仪（图），采用了喷气装置，能在数控机床加工过程中，在机床上快速检测刀具的长度、半径、径向跳动，也可监控刀具刃口形状误差和破损。将测量技术和装备，集成于数控刀具的机械加工制造过程中，推动了数控刀具制造技术的发展。德国WALTER公司的数控刀具闭环制造系统（图）和Klingelnberg公司的弧锥齿轮刀具闭环制造系统（图），是当代数控刀具先进制造技术的实例。系统通过计算机通讯，实现了从CAD设计,CAM加工,CAI检测,CAM再加工直至质量达到要求，实现数控刀具‘零废品’制造。数控刀具整个制造系统信息实现了集成和融合。数控刀具切削数据库集成于数控机床，也是数控切削技术发展的一个重要内容。我国也已起步。关键是数据的可行性和实用性。工具所已经在网上开通了金属切削数据库查询服务（图）。该数据库是集成了工具所从‘六五’以来的研究成果。随着切削技术的发展，尤其是高速高效切削技术的发展，数据库应适应发展，不断动态更新、补充提高。总之，从数控切削加工系统而言，数控刀具和工件构成了切削加工的主要矛盾。我们必须重视数控刀具制造技术的发展，重视切削机理、数控刀具的设计、材料、制造工艺、刃口强化技术、表面强化技术、数控刀具的检测技术、直至数控刀具切削数据库等数控刀具制造全过3程中的技术发展和质量管理（图）。采用先进信息技术，将数控刀具制造闭环系统中各个环节（包括应用）的信息进行集成、分析、诊断、反馈，以提高制造质量和水平，对于数控刀具制造技术的发展至关重要，对于数控切削加工技术的发展也是至关重要的。3数字化精密量具量仪器的发展数字化测量技术是数字化制造技术中的关键技术。高速高效、高精度、高可靠性、多功能先进数字化测量技术和仪器，装备、服务、推动着数字化制造技术和数控机床、装备的发展。开发亚微米、纳米级高精度测量仪器，提高环境适应能力，增强鲁棒性，使精密测量装备从计量室进入生产现场，集成、融入于加工机床和制造系统，形成先进的数字化闭环制造系统，是当今精密测量技术的发展趋势。3．1数字化量具/传感器技术新发展——适应加工环境，实现纳米高精度测量1）IP67防水电子数显卡尺，能在冷却液直接喷淋工况下实施检测数显量具量大面广，尤其以数显卡尺应用普及。传统电子数显卡尺采用容栅位移传感器来实现测量，具有分辨力高、重复性好、耗电低等优点，但是介质状况对测量可靠性影响很大，在有切削液及油污的工况下难以正常工作，生产现场的使用受到了限制。日本三丰公司在世界上首先成功开发出防水型数显卡尺，它采用的原理基于电感位移传感器。瑞士TESA公司的防水数显卡尺基于磁阻式位移传感器，瑞士SYLVAC和德国MAHR公司则采用了感应同步器工作原理。上述防水型数显卡尺的防护等级都达到IP67规定，为当今最高水平。国内最大的数显卡尺生产出口企业桂林广陆数字测控公司和上海交通大学联合，于2004年底成功开发出一种基于电涡流栅位移传感器的新型防水数显卡尺，防护等级也达到IP67国际先进水平（图）。其核心技术具有自主知识产权和专利。卡尺尺框内安装的电涡流传感器线圈既是发射线圈同时也是接受线圈，卡尺尺身上带有规则排列的双码道金属反射体。传感器通过电涡流效应实现数显卡尺绝对位移和相对位移的测量。（图）据称该厂今年已经建成生产线，开始批量化生产。青海量具刃具厂开发出新颖的双面数显外径千分尺（图），适用于不同操作形式，便于测量，体现了人性化的设计理念，受到国内外同行的关注和市场的兴趣。为提高光栅传感器的抗污染、抗干扰能力，著名的长度/角度位移传感器制造厂商德国Heindenhain公司介绍了不同于传统‘四场成像式扫描’方法的‘单场扫描’技术（图）。在新型的单场扫描技术中，扫描光栅（掩膜）与标尺光栅的栅距略有不同，由此在扫描光栅长度范围内会产生明暗交替条纹，在相对移动时产生均匀的位移正弦信号。特制的栅状感光元件取代了传统的四个独立感光元件，用来生成四个相位差为90º的扫描信号。由于扫描面积大又具有特殊光学过滤功能，故新的单场扫描技术对污染干扰不敏感，可以提供质量更好的测量信号，提供更高的测量精度。该公司近年来推出的、能提供绝对位置信息的‘绝对式’光栅测量系统，可以提高数控机床的加工效率。2）新型纳米分辨力传感器和量具展现良好前景位移传感器的测量精度从微米量级向纳米量级提升是另一个发展趋势。Heindenhain、三丰及SONY等国外公司近年来都相继推出精度达到纳米级的光栅式长度计（图）。北京标普公司采用了有自主知识产权的纳米计量光栅制造成套技术，向市场推出百种规格品种轴向、侧向的微/纳米传感器和量具，包括量块检测仪、半导体晶片检测仪等。近期开发的SGG-01型0.1纳米测长仪,（图）分辨力达0.1nm，示值误差±（3+0.03L）nm。TalayHobson公司的接触式轮廓粗糙度检查仪PGI采用的传感器测量范围12.5mm，分辨力0.8nm。其非接触式表面粗糙度测量仪，采用激光相位干涉测量传感器，可检测高度从1nm至100µm，分辨力达到0.01nm。（图）3）坐标测量机和数控机床用测头使用性能更上一层楼著名的触发式测头制造商RENISHAW公司最新推出的OMP60光学测头，（图）采用了最先进的4调制光学传输方法，具有很强的抗光干扰能力，推出的RMP60无线电测头系统，采用了跳频技术（FHSS）。信号跳频传输系统能自动分配信号通道，无线发射和接收器通过匹配码识别进行信号传输，抗干扰能力大大提高，更好满足工业环境中使用的要求。德国WERTH公司开发的光纤探头WFP，称为世界上最细且准的探针，其半径为12.5µm。工作原理如图示，（图）测量时光纤探头球端和工件接触，球的位置则由坐标测量机的CCD光学视觉传感器检测出来。它适合测量超微小或超精密工件，如半导体、钟表齿轴及柴油喷嘴等。德国BLUM公司的LaserControlNT激光刀具测量