機(jī)械加工刀具的未來發(fā)展結(jié)構(gòu)性創(chuàng)新研究

趙玉平 徐玉海 王愛平 馬慧斌 劉建林 王向上 邱新會 毛濤 王雪

摘 要：隨著制造業(yè)精密化、大型化、高速化發(fā)展，由“德國工業(yè)4.0”到“中國工業(yè)2025”，現(xiàn)代加工理念發(fā)生了巨大的變化，這些新形勢也同時對機(jī)床加工刀具的發(fā)展提出了更高的要求。該文以機(jī)械加工刀具的典型結(jié)構(gòu)性創(chuàng)新設(shè)計(jì)作為研究，通過對目前機(jī)械加工刀具市場出現(xiàn)的傳統(tǒng)刀具產(chǎn)能過剩、非標(biāo)準(zhǔn)刀具供不應(yīng)求的問題進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：只有尋求高效、多能、快換、經(jīng)濟(jì)的刀具結(jié)構(gòu)創(chuàng)新改革才能滿足機(jī)械加工刀具市場發(fā)展的需求，已經(jīng)顯得尤為重要。

關(guān)鍵詞：制造業(yè) ?刀具 ?產(chǎn)能過剩 ?結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TG71 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（c）-0107-02

1 國內(nèi)現(xiàn)狀

我國制造業(yè)的高速發(fā)展，為切削刀具的發(fā)展提供了巨大的市場潛力。我國刀具消費(fèi)總量已超過德、美、日等發(fā)達(dá)國家，近幾年的增長速度仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于發(fā)達(dá)國家的水平。與此同時，國內(nèi)刀具行業(yè)面臨著自身技術(shù)和工藝相對落后，國際刀具巨頭的強(qiáng)勢沖擊等挑戰(zhàn)。中國機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會工具分會發(fā)布了國內(nèi)刀具行業(yè)2010年經(jīng)濟(jì)發(fā)展數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示2010年我國國產(chǎn)刀具生產(chǎn)總量為290億元，其中出口刀具70億元，同年我國工具消費(fèi)達(dá)到330億元，居全球第一。這表明2010年我國國產(chǎn)刀具在國內(nèi)市場銷售額為220億元，國外刀具銷售額為110億元，占到我國刀具消費(fèi)的1/3。盡管國產(chǎn)刀具市場份額大，但是其中現(xiàn)代高效刀具為代表的高端國產(chǎn)刀具只有20億元，而進(jìn)口刀具全部是高端刀具。2011年開年以來，國內(nèi)企業(yè)已進(jìn)口多臺高精度的數(shù)控機(jī)床和檢測設(shè)備。如：臺灣遠(yuǎn)山CNC數(shù)控磨床、德國WALTER軸數(shù)控磨床、英國COBORN 數(shù)控磨床、德國卓勒對刀儀等;有了數(shù)控機(jī)床主件上的提升，還需要在機(jī)床刀具功能部件上的匹配才能發(fā)揮作用。刀具行業(yè)從業(yè)者應(yīng)該做些什么并且該如何做呢？在國際模具及五金塑膠產(chǎn)業(yè)供應(yīng)商協(xié)會負(fù)責(zé)人羅百輝看來，“十二五”期間，轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式將成為各個行業(yè)（包括刀具行業(yè)在內(nèi)）發(fā)展的首要任務(wù)。近年來，國內(nèi)的刀具行業(yè)總體上位于低水平的、千篇一律的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)，已經(jīng)成為刀具行業(yè)水平快速提高的一大阻力。隨著中國機(jī)床工業(yè)這八年的黃金發(fā)展期，刀具產(chǎn)業(yè)得到了空前的發(fā)展，許多企業(yè)的產(chǎn)量大幅提高，但這種提高并沒有太多地依靠技術(shù)的進(jìn)步，而是主要以我們國家的廉價勞動力為基礎(chǔ)。控制好制造成本和產(chǎn)品利潤，一個可選的方式就是提高制造能力，提高勞動生產(chǎn)率，使企業(yè)得到可持續(xù)的發(fā)展。

2 國外現(xiàn)狀

為了達(dá)到高效、多能、快換、經(jīng)濟(jì)的目的，在《提升先進(jìn)高效刀具機(jī)械加工成發(fā)展趨勢之一》（來源中國制造網(wǎng)）一文中闡述了國外數(shù)控加工刀具具有如下發(fā)展趨勢：對于刀具的發(fā)展有了清晰的闡述，刀片及刀柄高度的通用化、規(guī)格化、系列化;刀片或刀具的耐用度及經(jīng)濟(jì)壽命指標(biāo)的合理性;刀具或刀片幾何參數(shù)和切削參數(shù)的規(guī)范化、典型化;刀片或刀具材料及切削參數(shù)與被加工材料之間應(yīng)相匹配;刀具應(yīng)具有較高的精度，包括刀具的形狀精度、刀片及刀柄對機(jī)床主軸的相對位置;精度、刀片及刀柄的轉(zhuǎn)位及拆裝的重復(fù)精度;刀柄的強(qiáng)度要高、剛性及耐磨性要好;刀柄或工具系統(tǒng)的裝機(jī)重量有限度;刀片及刀柄切入的位置和方向有要求;刀片、刀柄的定位基準(zhǔn)及自動換刀系統(tǒng)要優(yōu)化。

3 問題的提出

上述研究成果的闡述指名了當(dāng)前刀具的發(fā)展方向，為該項(xiàng)目的研究提供了理論基礎(chǔ)，確定了項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案的基本思路，又結(jié)合寧夏地區(qū)制造業(yè)企業(yè)的實(shí)際發(fā)展的調(diào)研情況，提出了該項(xiàng)目的研究。

4 刀具制造的方法

目前，刀具的制造方法有：（1）傳統(tǒng)整體固定法;（2）釬焊法;（3）機(jī)械夾固式。每種刀具的制造方法都有其利弊。快速定位換刀法，機(jī)夾可轉(zhuǎn)位。可轉(zhuǎn)位刀具夾固機(jī)構(gòu)應(yīng)滿足夾緊可靠、裝卸方便、定位精確等要求。

5 刀具制造的材料選擇

刀具切削性能的好壞是由刀具材料、切削部分幾何形狀、刀具的結(jié)構(gòu)決定的，因此刀具材料如何選擇對于刀具壽命、加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率方面是至關(guān)重要的。

5.1 刀具材料的性能

刀具在切削過程中要承受高溫、高壓、摩擦、沖擊的作用，因此對于刀具切削部分所使用的材料必須要滿足一定的性能，它們分別是：硬度和耐磨性;強(qiáng)度和韌性;導(dǎo)熱性和高溫耐熱性;耐沖擊性和良好的工藝性。

5.2 常用的刀具材料

常用的刀具材料有高速鋼、硬質(zhì)合金、工具鋼、陶瓷、立方氮化硼和金剛石等，在生產(chǎn)中主要使用的是高速鋼、硬質(zhì)合金兩大類，碳素工具鋼、合金工具鋼因耐熱性差，而局限在手工或切削速度較低的場合下使用。

鑒于上訴原因，本設(shè)計(jì)的刀具材料選擇了高速鋼和硬質(zhì)合金作為刀具材料。

6 刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了達(dá)到高效、多能、快換、經(jīng)濟(jì)的目的，本設(shè)計(jì)選擇了機(jī)械夾固式組合刀具。（見圖1）其特點(diǎn)是刀片、刀頭、刀柄通過螺釘（栓）壓緊組合在一起，哪個部分損壞就更換哪個部分，使用時不浪費(fèi)材料。我們知道，刀具在使用時最容易損壞的是刀片，其次是刀頭，再次是刀柄，很多刀具就是因?yàn)榈镀⒌额^損壞而不能繼續(xù)使用，扔掉造成浪費(fèi)。因此這3個部分分開制造，組合在一起使用。經(jīng)過首先在車床生產(chǎn)實(shí)踐的運(yùn)用，其效果達(dá)到了預(yù)設(shè)要求。于是我們將此成果推行到系列化產(chǎn)品當(dāng)中，使該種刀具形成了系列化的產(chǎn)品，這項(xiàng)研究目前已作為省級課題立項(xiàng)。

7 結(jié)論

（1）機(jī)械夾固式組合刀具的創(chuàng)新研究符合刀具的系列化發(fā)展方向和生產(chǎn)需求。

（2）機(jī)械加工刀具的未來發(fā)展結(jié)構(gòu)性創(chuàng)新設(shè)計(jì)方向應(yīng)是以高效、多能、快換、經(jīng)濟(jì)為目標(biāo)。

（3）機(jī)械夾固式組合刀具是根據(jù)刀具的不同部位損壞情況予以更換，降低成本，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，能夠避免材料浪費(fèi)，具有廣闊的市場需求前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 張潤晨.機(jī)械加工刀具發(fā)展現(xiàn)狀與對策[EB/OL].（2014-05-05）http：//wenku.baidu.com/view/477f59140b4e767f5acfce30.html.

[2] 未知.提升先進(jìn)高效刀具機(jī)械加工成發(fā)展趨勢之一[EB/OL].（2014-05-05）http：//wenku.baidu.com/view/477f59140b4e767f5acfce30.html.

[3] 趙威，王盛璋，何寧，等.航空鈦合金結(jié)構(gòu)件銑削刀具性能模糊綜合評判[J].中國機(jī)械工程，2015，26（6）：711-715.