刀具工业——新时代切削技术

    在信息技术等高新技术的带动下，机械加工技术进入了“高速、高效、智能、复合、环保”的发展新阶段，出现了高速(效)切削、近净成形、柔性化加工、五轴加工、复合加工机床、网络制造、绿色制造等新的制造技术及装备，为制造业开发新产品、提高加工效率和加工质量、降低制造成本、缩短交货周期、保护生态环境、降低能源和资源消耗发挥了重要的作用。在上述新加工工艺及装备中，切削加工的新技术及刀具以其重要的基础地位以及应用面广、实用化程度高、见效快、成效显著等特点，其进展尤为突出，成为当今先进制造技术中的亮点，对制造业的发展和制造技术的进步起到了十分重要的作用。

    在高新技术的带动和制造业发展的影响下，当代切削技术的进步和刀具工业的变化显现出质的飞跃。例如，作为现代切削技术显著特征的高速切削，它的问世及实用化是制造技术在信息技术等高新技术的带动下和数控加工技术全面进步的基础上所达到的切削新水平，切削速度5～10倍的提高，以至于在用硬质合金刀具加工某些材料时，可达到的切削速度已超过了切削机理变化的临界点，切削温度随切削速度的提高而降低。因此，代表着一种新的切削工艺的诞生，标志着切削加工进入了一个新的阶段。

    在切削技术取得阶段性发展的同时，也带动着刀具工业的快速发展。为适应现代制造业发展的需要，刀具工业的内涵、作用、地位也发生了重大的变化。从单纯的刀具产品生产、供应，扩大至新切削工艺的开发，及相应的配套技术和产品的开发，并从单纯刀具供应商的地位上升至成为用户企业提高生产效率和产品质量、降低制造成本的重要合作伙伴，显示出一个新型刀具工业的雏形。

    从时代变迁的高度来了解和认识切削技术、刀具乃至刀具工业的发展和变化，对于正在建设制造强国的我国工业界具有重要的现实意义，将加强我们对发展我国切削技术的紧迫感和责任感。应当说，加快我国切削技术的发展和刀具工业的变革，还具有相当的紧迫性。

    切削刀具实现了向高科技产品的飞跃

    在传统的机械加工企业里，刀具曾长期被列入低值易耗品的管理范围。这一方面反映出对刀具重要性的忽视，另一方面也是对当时刀具产品技术含量低下的客观反映。从上世纪70年代以来，随着数控机床发展而发展起来的所谓“数控刀具”，引领着切削刀具朝着三高一专(高效率、高精度、高可靠性和专用化)方向不断发展，把传统的刀具产品发展成为高附加值、高科技含量的产品。目前，在刀具材料、涂层技术、刀具结构等方面所取得的进展均属于当代材料、信息学科、计算机、微电子应用技术的最新成果。

    首先，是在刀具材料和涂层技术方面。刀具材料的现状是：各种刀具材料的性能都有显著提高，形成了每种刀具材料既有独特的优势和使用范围又相互取代补充的格局，使切削加工的各领域、各工序的效率和总体水平有显著的提高。硬质合金成为刀具的主要材料，出现了适用于做涂层基体的倾斜机能材料；适合做量大面广的钻头、立铣刀、丝锥等通用刀具和IT产业微型刀具的细颗粒、超细颗粒硬质合金材料；这类硬质合金的强度超过3000N/mm2，甚至达到4000N/mm2以上，为普通硬质合金材料的1倍，从而扩大了硬质合金刀具的应用范围。近年来，涂层技术取得了重大的进展，能针对刀具不同的加工对象及使用要求开发多种牌号，或复合多层、梯度结构、纳米结构的涂层。最新的AlCrN涂层和TiN-Si3N4纳米结构涂层， 其涂层的硬度分别达到HV3200和HV4000，耐氧化温度达到1100℃，显著地提高了刀具的切削性能，是材料科技领域里的最新研究成果。又如已实用化的金刚石涂层和正在开发的CBN涂层都属于高新技术的范畴。刀具材料和涂层技术的进步，不仅提高了标准通用刀具的性能，而且也提高了齿轮滚刀、剃齿刀等精密复杂刀具的性能，为切削刀具性能的升级换代奠定了基础。

    其次，以可转位刀具为代表的通用的车、铣和孔加工刀具及专用的、复合的、智能的刀具，其创新的结构、优良的性能、复合的功能、高的加工效率和精度也充分说明了刀具是现代科技的结晶。应用在大批量流水生产线上的专用刀具其功能已远远超出普通刀具的概念， 它不仅能把多道工步组合在一道工序里，提高加工效率和精度，而且能和专用机床一起共同开发新的加工方法，还起到节省投资的效果。随着复合加工数控机床的兴起，出现了一刀多用的复合刀具或多功能刀具，减少换刀的次数，为发挥复合加工机床的优势起到了重要的作用。带有光电传感、测量和伺服补偿机构的智能刀具，可根据测量的结果自动调节刀具的尺寸，分辨率达到0.002mm；一种在刀具里集成着3个加速度传感器的铣刀，可实时采集切削过程的信息，经数控系统处理后，使机床始终保持在最佳状态。

    此外，众所周知的HSK工具柄———机床与工具接口，是一项重大的技术创新。与传统的7:24刀柄比较，不仅提高了刀具与机床连接的精度和刚性，而且作为一项锥柄装夹定位的共性技术，其原理已被应用到砂轮法兰与主轴的连接及工具系统的连接中，对制造技术产生广泛的影响。

    如果把“数控刀具” 的概念理解为高科技含量、高性能刀具的话，那么，可以说，切削刀具已全面进入了“数控刀具”的时代，使切削加工总体效率成倍提高。

    切削技术向创新制造工艺的飞跃

    在制造业的发展中除了看到高性能刀具所产生的直接切削效果外，还可看到切削技术在创新工艺方面所产生的更大效果，这是当今切削技术发展的重要特点， 也是切削技术进入新时代的显著特征。近几年，不断开发的新的切削技术，已成为推动制造业中装备、模具制造业和汽车、航空航天等产业部门快速发展的关键技术。

    在大批量生产的汽车工业里，汽车发动机主要零件的生产效率的提高尤为突出。这与汽车工业大量采用新切削加工方法分不开，如用整体硬质合金钻头加工缸体孔系新工艺、用Si3N4陶瓷刀具或CBN刀具精镗缸孔新工艺、金刚石铣刀高速铣削铝合金缸盖新工艺；又如曲轴的铣削工艺或车F车拉工艺和变速箱淬硬齿轮内孔硬镗削工艺。这些新工艺不仅提高加工效率而且提高加工质量，表1是上世纪从七八十年代至九十年代汽车工业加工精度提高的数字。

    表1     

                 20世纪70～80年代   20世纪90年代 
    尺寸精度      IT7～IT8级         IT5～IT6级 
    圆度(mm)      0.015～0.020       0.005～0.010 
    同轴度(mm)    0.020～0.030       0.015～0.020 
    孔距精度(mm)  0.030～0.050       0,010～0.015 
    车铣加工表面粗糙度Ra(µm)  1.6～3.2  0.8～1.2

    现代航空工业中用整体铝合金的框架结构作为飞机的构件，加工时要从整块铝件上切除90%以上的材料，采用高速切削新工艺，切削速度可达到4000～7000m/min，进给速度60～100m/min， 金属切除率达6000cm3/min以上。

    模具工业中用于加工敞开空间的模腔的高效切削成形新工艺及淬硬模具硬切削工艺，已取代了传统的电火花成形工艺，大大地提高了加工效率，表面粗糙度可优于Ra0.6µm，甚至达到镜面的效果，大幅度地减少了模具抛光的工作量，缩短了模具的开发周期。围绕着模具加工开发的多功能刀具、模腔粗加工插铣刀具和大进给刀具等高效切削刀具及加工工艺，成为当前模具工业快速发展的关键技术。

    就在切削技术与工艺开发密切结合的过程中，创新的切削工艺带动着刀具新产品的开发，创新的刀具又开拓着新的切削工艺，两者紧密结合，相互促进，把切削工艺带入了一个良性发展的轨道和更高的层次。

    刀具工业经营理念的飞跃

    在切削技术快速发展的同时，刀具工业本身也发生了重大的变化，整个行业的功能不只是简单地供应“三高一专”的刀具产品和技术，而是作为制造业产业链中社会资源保障的一个子系统，直接承担起推进制造业切削技术进步的重大任务和专业职责，也为切削技术和刀具的发展打开了更加广阔的空间。在传统的机械制造企业里，企业要投入大量的人力、物力，成立专门的机构，负责切削加工工艺，照料生产所需的刀具。但随着制造业的发展， 针对具体的工件材料和加工工序，选择一把适用的刀具(包括刀具材料、几何参数、涂层的优化搭配)和合理的切削参数的工作变得越来越复杂，是一项十分专业的工作，仅靠企业的“自我保障”能力已满足不了企业提高切削加工水平的需要。为此，越来越多的企业开始把提高切削加工工艺、照料生产线上刀具的工作交给专业的工具制造商来做，通过专业化的刀具制造商，面向全球的资源，以更高的专业视野和优化的配置，帮助企业提高切削加工的水平，从而产生更好的效果。针对用户企业的这种需求，刀具制造商纷纷提出了为用户“提供解决问题方案”的经营理念。把为用户“提高加工效率、降低制造成本”作为企业全部活动的宗旨，并在扩大企业综合实力或提高专业化程度方面做了大量的工作，从而把切削技术和刀具新品的开发既面向制造业主要工业部门的发展又针对个别用户的需求， 紧密地与切削加工的一线实践相结合，使刀具工业深深地扎根于制造业的沃土之中，成为刀具工业发展和创新切削技术取之不尽的源泉。在这种背景下，刀具制造商推出新产品和新技术的速度明显加快，产品更新或补充的速度每年可达10%～20%，每推出一种新牌号通常可提高切削效率50%。国外某刀具公司称：在该公司的总销售额中60%为开发不到5年的产品，开发不到3年的产品占35%，说明在实践中建立起来的科学的经营理念和企业宗旨，抓住了切削技术的实质，符合刀具工业自身发展的规律。

    在这个过程中，刀具工业完成了对自身价值在认识上和实践上的飞跃，刀具制造商不只是刀具实物的生产者和销售商，意识到在新的形势下，必须自觉成为推动制造业发展和制造技术进步的重要的专业化社会资源。观念的变化产生了巨大的物质力量，推动刀具工业更快的发展，正在塑造出一个全新的刀具工业。
   
    从世界范围看，刀具、切削技术和刀具工业都取得了很大的进展，实现了各自的飞跃，显示出传统的刀具工业正在消亡，新型的刀具工业以其强大的生命力已出现在制造业的各个领域，正在推动着制造业中装备制造、汽车、航空航天、模具等工业部门的发展。我国要走完新型工业化的历史阶段，必须发展制造业，并优先发展装备制造业，就必须对制造技术中的切削技术有足够的重视。一方面，我国的制造业要充分利用国内外切削技术现有的成果，利用后发优势，实现跨越式发展；另一方面，国家要大力扶植我国民族的刀具工业的发展，迅速缩小与工业发达国家刀具工业的差距，承担起建设制造强国的历史重任。

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