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2 1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
2、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。21 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
3、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
4、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。22 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
5、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
6、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。23 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
7、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
8、）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
9、数控工具系统开发制造的进程。24 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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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90的扫描信号。由于扫
15、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
16、, （图）分辨力达0.1nm，示值误差（3+0.03L）nm。Talay Hobson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100m，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
17、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12.5m。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LaserControl NT激光刀具测量仪（图）可用于刀具的在机精密、自动检测和设置。当刀具装夹在机床上回转时，仪器可测量刀具的长度、半径和径向跳动，也可快速检测、监控刀具刃口的形状误差、刀具的破损等。此外还能测量并补偿因温度变化造成的刀具相对位置误差，提高了机床
18、的加工精度。其密封可靠并采用喷气机构，该激光刀具测量装置可以在数控机床加工过程中正常使用。32 数字化精密测量仪器的新动向进入生产现场，非接触扫描测量倍受重视三坐标测量机作为精密测量仪器的基本型主导产品，继续在机械制造业中得到重视和发展。以三坐标测量几位代表的精密测量仪器进入车间、服务于生产现场是发展的一个重要趋势。与光学/激光非接触式扫描测量技术的结合，实现多功能、多种传感器的集成和融合，使坐标测量技术的应用更加丰富和实用。1） 汽车大型覆盖件的非接触扫描测量精确快速配备有光学/激光式非接触扫描传感器的水平臂三坐标测量机实现了对大型覆盖件的快速精密检测。德国ZEISS公司和瑞典HEXAGON
19、集团等世界著名三坐标制造厂在该领域进行了开发。HEXAGON公司所属DEA的PRIMA C1系列水平臂测量机（图），在其CW43L型连续伺服关节测座上，可配备触发式测头、连续扫描测头、光学或激光扫描测头等多种测头，以适应不同测量环境和任务的要求。图示为采用激光测头对车门进行快速非接触测量。德国ZEISS公司的PROR Premium坐标机，（图）配备有EagleEye 导航系统和可控测座，能够在汽车车身大型覆盖件、尤其是车身分总成质量的过程控制中，对工件的几何参数、表面和边缘的特征点、间隙和贴合性等实施高速精密测量。国内最大的三坐标水平臂测量划线机制造企业，四川中测量仪公司近年也成功开发出可对
20、大型覆盖件非接触测量的测量机，（图）采用的是北京博维恒信科技公司出产的CF系列的光学三维扫描系统。北京南航立科公也有类似产品。2）带激光扫描测量系统的便携式柔性关节臂测量机测量功能增强HEXAGON计量集团成员之一的CIMCORE公司推出了配备有先进激光扫描测量系统的关节臂测量机。（图）仪器采用碳纤维材料，轻而刚性好，INFINITE系列的还具有无线通讯系统。采用PC-DMIS软件，测量功能强。配上管件测量系统附件，还可实现管件的长度、弯曲度、管件回弹等多种数据的测量和比较。测量范围1.2m仪器的点测重复精度0.010mm，空间精度0.015mm。用于反求工程，测量速度快，尤其是测量过程的实时
21、显示和补漏测量数据的无缝拼接，使用友好。仪器可完成三坐标测量、三维造型、产品测绘、逆向工程、现场测量以及模具设计制造等涉及到设计、制造、过程检测、在线检测以及产品最终检测等测量工作。美国FARO技术公司的仪器-FAROARM系列便携式三坐标测量臂，具备有类似的技术指标和性能。我国西安爱德华公司今年也公开展示了自主开发的柔性关节臂测量机样机。3） 轴类零件光电非接触测量仪器发展迅速汽车制造工业的需求，也大大推进了轴类精密零件非接触测量技术的发展。瑞士TESA公司的TESA Scan系列轴类零件快速扫描测量仪（图），采用2个线阵CCD组件，通过工件的回转和轴向移动对工件进行投影扫描，实现轴类零件位
22、置误差和形状误差的精确检测，对截面形状和轮廓度进行评估比较，以及统计质量分析。还能对零件的局部（如过渡曲线、微小沟槽等）进行放大测量。由于工件立柱可以倾斜，因而能对螺纹、蜗杆、丝杆等进行全参数精度的精确测量，是该仪器PLUS系列的一大特色。仪器在直径方向上的分辨力为0.0003mm，精度2+（0.01D）m，重复性0.001mm。德国SCHNEIDER的WMM系列的轴类及工具测量仪（图），操作简单、测量速度高，特别是用于车间检查站适用。仪器采用高分辨力的Matrix摄像头，可以快速获得测量数据。仪器数显分辨力为0.0001mm，长度测量不确定度为E2=（2.0+L/200）m；L为mm。4）中
23、小尺寸平面类精密零件的二维、三维非接触测量仪器应用广泛带CCD数字摄像头、激光测头及触发测头的多传感测头的光学坐标测量仪器得到快速的发展。德国MAHR公司的MARVISION系列三维光学坐标测量机（图）、瑞士TESA公司的三坐标成像测量系统TESA VISIO（图）、德国SCHNEIDER公司的SKM系列3D多测头坐标测量机、美国的OGP公司等国外著名厂商都有相应产品展示。日本三丰公司CNC视像测量系统系列产品中的SV350-pro型测量机（图），采用了公司自制的超高精度、高分辨力、低膨胀玻璃光栅基准尺，仪器分辨力0.01m，测量精度XY轴（0.3+L/1000）m，Z轴（1+2L/1000）
24、m。它的Hyper MF型测量显微镜，其XY轴的测量精度超过日本标准规定的0级。仪器在XY轴上的测量精度为(0.9+3L/1000) m，仪器分辨力0.01m，是用于精密模具、精密切削刀具以及超小半导体电子元件如芯片和集成电路等检测的最好选择。国内西安爱德华、东莞万濠、苏州怡信、深圳鑫磊以及北京天地宇等公司也有类似产品。贵阳新天光电公司近年注重新品开发，去年(04年)成功推出了JX13C图像处理万能工具显微镜（图），采用金属光栅和高分辨力的CCD摄像头，仪器测量精度达到（1.0+L/100）m。半导体激光导向快速确定测量位置。JX15A/B型视频测量显微镜，同样采用了CCD数字成像技术，将采集
25、到的被测件图像送入计算机进行处理，进行相应几何精度检测，产品技术指标和水平上了一个档次。深圳智泰公司VMT系列的3D影像量测仪，（图）在CCD视觉测量系统上，也配备上了高精度触发式测头，实现测量多功能。33 数控机床精度检测用激光测量技术有了新的进展为确保数控切削加工的质量，除了在加工过程中和加工完成后对数控切削加工系统（包括工件在内）进行可行的监控检测外，在加工前对数控机床的精度和性能进行检测，以便确切了解掌握机床质量现状，进而进行必要的调整补偿，使其达到最佳运行性能，是一项非常重要的质量控制措施。众所周知，国外著名厂商Renishaw、API及HP等公司生产的激光干涉仪测量系统和球杆仪等在
26、数控机床的几何精度和运动精度的检测和监控中，无在机床制造厂还是机床使用厂，都得到了广泛的应用。Renishaw公司的金牌M10激光干涉测量系统（图），配备高精度高灵敏度的温度、气压、湿度传感器及EC10环境补偿装置，在工作环境下测量精度得到进一步提高；API公司的Rmtea六维激光测量系统（图），可同时测量6个数控机床精度项目的误差，缩短了检测时间，为生产现场数控机床的检测和诊断，提供了更为快速高效的精密测量手段。成都工具研究所的MJS系列双频激光干涉仪，分辨力0.01m，测量软件覆盖了我国和世界主要工业国的数控机床精度标准评定方法和指标，动态采样功能可用于自动补偿。美国光动（Optodyne
27、）公司近年推出的基于体对角线的激光矢量测量技术，（图）是快速测量和补偿数控机床、加工中心三维空间位置误差的一个新途径。该技术由美国光动公司发明并获得专利，它遵循了ASME B5.54(1)和ISO0230-6(2)机床测量标准中对体对角线误差测量的要求。由于对于构成(XYZ)直角坐标系的三轴机床的21项几何误差，采用传统激光干涉仪等来进行检测相当费时。基于分步体对角线矢量测量原理，光动公司采用专利的激光多普勒位移测量仪，借助大平面反射镜完成四条对角线空间位置误差的测量，获得12组数据。（图）通过计算确定机床12项基本误差（3项位移误差，6项直线度误差和3项垂直度误差），最终得到数控机床三维空间
28、位置（定位）误差。该公司介绍的在加工中心上进行实际测量和补偿的应用实例，（图）借此表明该测量新技术在数控加工机床的精度检测和精度补偿上的可行性。该项测量技术在今后推广应用的实际效果和前景值得行业关注。4 结语数字化制造技术是先进制造技术的基础。在数字化制造技术的基础上，通过计算机技术、通讯技术将数控机床、数控系统、数控刀具、数控测量仪器和加工对象工件以及相应的信息，集成融合在一起，构成了的一个数字化闭环切削制造系统。（图）这应该是CIMS理念中的一种具体实施形式。CIMS应该具有多样性，不同水平不同层次。我国的CIMS研发工作，以往是否指标定的过高，对象选得过大，投入不少收效有限。从近年数控刀
29、具闭环制造系统和锥齿轮制造闭环系统的发展，可以得到以下启示：结合实际，从大处着眼，小处着手。（产品）专项数字化闭环制造系统也许是当前CIMS领域的一个切实可行的发展途径。要提高我国机床工具行业的技术水平，增强竞争力的根本途径就是提高自主创新能力，发展具有自主知识产权的产品和技术。从近几届举办的国际机床展览会来看，我国精密工具行业的创新意识不断加强，创新能力不断提高，创新技术成果和产品不断出现。但是我国精密工具制造行业的发展相比于我国机床制造行业数控机床的发展，无论在规模上还是技术先进程度上差距较大，远远不能满足和适应先进机械制造行业如轿车制造业、航空航天制造业、微电子制造业等等的需求。工具行业
30、有待于紧跟机床制造行业，加强合作加快发展。期待并确信我们工具行业将沿着这方向继续努力，取得更大的成就。要提高我国工具行业的国内外竞争力,自主创新是必由之路。路漫漫而修长兮，吾等将锲而不舍。我们共勉！感谢机床工具协会工具分会的支持！参考资料： 1，第一届现代切削与测量工程(国际)研讨会文集 工具技术 2004/09-122, 第九届中国国际机床展览会刀具展品评述 赵炳桢 工具技术 2005/073, 第九届中国国际机床展览会量具量仪展品评述 谢华锟 工具技术 2005/074, 第八届中国国际机床展览会刀具展品评述 赵炳桢 工具技术 2003/075, 第八届中国国际机床展览会量具量仪展品评述 谢华锟 工具技术 2003/076, CIMT2001切削技术发展及刀具展品评述 赵炳桢 工具技术 2001/077, 第七届中国国际机床展览会（CIMT2001）量仪展品技术评述 谢华锟 工具技术 2005/07
