展望我国切削加工与刀具技术的发展趋势

摘 要： 介绍国内外先进制造技术与高速加工的发展趋势，认识刀具在切削加工中的重要性，刀具新材料、刀具新结构、与刀具相关新技术的应用，以及几点启示和建议。一、先进制造技术发展阶段与思考 1、当我们进入21世纪的时候，从世界范围观察，我们正处在先进制造技术空前快速发展的时期。由于数控机床（NC）的问世，发展一系列数控加工技术，如加工中心（MC）、柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS）、甚至出现了与传统机床完全不同的虚拟轴机床（又称六条腿机床），和与机床同时相辅相成发展起来的高速加工新技术、新刀具、新工艺的紧密结合，使机械加工中的劳动强度大大降低，辅助时间大大缩短，产品质量和生产效率大大提高，成为制造业乃至全球经济的发展起到巨大的推动作用。以美国为例，制造业在美国被誉为产出最多的经济部门，在90年代为美国国内生产总值（GDP）增长的贡献达到29%。 2、今天，大力发展数控加工技术及装备，已成为世界各国政府的战略决策，用数控装备武装现代工业和改造传统工业也成为世界各国制造业发展方向。在90年代后期如德、日、美、意四国的机床产值数控化率已达到51.75%以上。数控机床已成为当今制造技术的主要装备，数控加工技术成为先进制造技术的主流，开创着整个现代制造业的新时代。党的十六大明确指出：“大力振兴装备制造业”。新中国的装备制造业经过几代人的前仆后继，尤其是20多年的改革开放和现代化建设，已经建立起比较完整、独立的工业体系，具有了一定的物质技术基础，总体生产规模已居世界第四位。许多经济学家预测，中国将成为继英国、美国、日本后的又一个“世界工厂”和“制造大国”。 3．应当清醒地看到，我们虽然有了举世公认的飞速发展，但与日新月异的世界制造业发展相比，无论在市场竞争力，产品水平和发展后劲上仍存在较大差距。仅就我国目前切削加工整体水平与先进工业国家相比相差20年，相当一部分生产企业还较普遍采用焊接式刀具，或几十年一贯制的老工艺方法，这些都需要我们急待解决。为了促进生产力的发展，增强企业竞争力，我们只有抓住机遇，迎接挑战，更新观念，引进创新，大力推广和采用新技术、新工艺、新材料，才能与时俱进改变我们的落后面貌。 二、高速加工（高速切削）发展的必然趋势 1、首先回顾百年来切削发展史：1900年当时的刀具材料为碳素工具钢，如果加工一根直径φ100mm，长500mm的碳钢轴件，需要100分钟才能完成，而在2000年的今天，刀具材料为硬质合金涂层刀具和立方氮化硼刀具，加工上述同样一根轴，仅需要一分钟完成，切削效率提高100倍。充分说明机床和刀具技术发展到一个新的阶段。切削加工（含磨削）不仅现在而在整个21世纪仍是机械制造业的主导加工方法，绝大部分机械零件需机械加工完成。目前切削加工约占整个机械加工工作量的95％，据有关专家估计，21世纪的切削加工仍将占机械加工的90％以上，因此提高切削加工水平仍然是一个重要的研究课题。 2、提高切削效率首先要求机床不断更新换代，高速主轴采用陶瓷轴承，液体静压轴承、空气静压轴承、磁浮轴承后，其主轴转速可达10000－50000转／分；小型机床可达100000转／分。进给速度：滚珠丝杠可达40－60米／分，直线电机可达90－120米／分。可以看出辅助运动已达到了主运动的水平，为高速加工创造了最重要的保证条件。再加上刀具新材料、新工艺、新结构的不断研究创新，从而使切削加工进入了高速加工，即新一轮的高速与超高速切削发展新阶段，与50年前的高速切削水平有了一个质的飞跃。 3、目前国际上对高速加工尚无统一定义。有两种提法：一种是以切削速度在1000米/分以上称为高速加工。另一种从被加工材料和刀具材料两个方面考虑，即切削速度与进给速度高于常规值的5――10倍的加工方法称为高速加工。举例如下： 铣削：CBN铣削铸铁、切削速度可达1000－2000米／分。 PCD铣削铝合金、切削速度可达4000－7000米／分。　车削：氮化硅陶瓷车削灰铸铁、切削速度可达500－700米／分。 CBN车削淬火钢（HRC60），切削速度可达100－200米／分。 CBN车削铸铁刹车盘，切削速度可达700－1000米／分。 钻削：整体硬质合金钻头钻灰铸铁，切削速度可达100米／分。 攻螺纹：钴高速钢丝锥（M14×1.5）加工可锻铸铁，切削速度可达61米／分。 滚齿：硬质合金滚刀加工16MnCr5，切削速度可达350米／分。 金属陶瓷滚刀加工16MnCr5，切削速度可达600米／分。 4、高速加工的机理：早期有萨洛蒙“采用较高的切削速度”理论，在1931年曾获德国专利，文中指出：“在一定的切削速度（比常规加工高5-10倍）下，在切削刃处的切屑去除温度将会开始降低……”“这种高速加工将……提高生产率。”实验见图：对于钢铁这种温度降低程度较小，对于铝和其它非金属材料这种温度降低程度较高。实践证明：高速加工与常规加工相比，有许多突出的优点：①单位时间的材料切除率可增加3－6倍；②切削力可降低30％以上，尤其是径向切削力的大幅度减少，特别有利于薄壁细筋件（如航空、航天）的高速精密加工；③95－98％的切削热被切屑带走，工件可基本保持冷态；④高速加工时机床的激振频率特别高，远离“机床－刀具－夹具－工件”工艺系统的固有频率，切削平稳振动小，能加工出非常光洁、精密的零件，例如高速铣削高速车削常可达到磨削水平；⑤由于切屑是在瞬间被切离工件，工件表面的残余应力非常小，这对航空航天工业产品有特殊重要的意义。 5、高速加工是一个系统工程，不是一种简单的高切削速度加工。高速加工新工艺，包括：软切削、硬切削、干切削、大走刀切削等。其中硬切削（切淬硬钢件），干切削（无冷却液）为代表，国际上提出了绿色机械加工的新概念。传统机械加工主要有三个缺陷：①资源利用率不高；②对环境污染大；③损害人体健康。70年代以来，随着世界经济的发展，地球环境日趋恶化、据统计造成环境污染物有70％以上来自制造业，由于人们对环境意识的加强、对清洁生产和绿色制造提出了新的要求。目前德国有8％的企业采用干切削，预计今后5年内将有20％的企业采用干切削。美国和欧洲一些公司加工闸轮和印刷机零件，采用干切削加工铸件钢件都非常成功。总的发展趋势很快，但孔加工的干切削还是个瓶颈，不少专家学者花力气研究，采用空气射流冷却、液氮射流冷却、喷雾冷却等方法，初步取得了成效。 6、20世纪80年代以来，我国相继从德、美、法、日等国引进多条较先进的轿车数控生产自动线，使我国的轿车工业得到空前发展。较典型的是来自德国的一汽――大众捷达轿车和上海大众桑塔纳轿车自动生产线，处于国际20世纪90年代中期水平。其中应用了较实用的高速加工技术，其刀具材料的选用以超硬材料为主的高性能刀具材料，使铣削速度达2200米/分，钻与铰削速度达80-240米/分，车削速度达200米/分以上，拉削速度达10-25米/分，剃齿速度达170米/分。孔加工采用多刃复合刀具，并以铰挤削替代磨削和精密镗削，在一次往复走刀中完成外元、端面、内孔的精加工，刀具转速达3000转/分，走刀速度达1.5-3米/分，精度可达5-7级，表面粗糙度值达Ra 0.7μm。从中可部分了解到世界高速加工技术的概貌和发展趋势。三、充分认识刀具在切削加工中的重要性 1、在机械加工中，金属切削机床和刀具作为切削加工的基础工艺装备，刀具被称为机床的“牙齿”和“孪生兄弟”，无论是什么样的金属切削机床，都必须依靠这个“牙齿”才能发挥作用，离开这个“孪生兄弟”则一事无成。刀具性能和质量直接影响到数百万台机床生产效率的高低和加工质量的好坏，直接影响到整个机械制造工业的生产技术水平和经济效益。所以说：“企业的红利在刀刃上”，这是国外企业家的切身体会。古人云：“工欲善其事，必先利其器”，现代人说：“磨刀不误砍柴功”，“把劲使在刀刃上”，这些都是我国劳动人民在长期的生产实践活动中的经验总结。 2、现实生产说明“刀具虽小、潜力无穷”。如粗加工一根20万千瓦发电机转子轴，净重30吨，锻件毛坯60－70吨，废切屑占了毛重50％以上，如果没有一把高效刀具是不行的。又如精加工一个重型精密大齿轮，没有一把80万元的高性能高精度的滚刀也是不行的。国际上一位切削与机床方面的权威他对切削刀具的作用作了如下论说：“改进刀具对降低切削成本比其它任何单一过程的改变更具有潜力。合理地选择和应用现代切削刀具是降低生产成本，获得主要经济效益的关键。”又一位美国专家N.兹拉丁说：“一台价值25万元美元的NC机床，其效率的发挥在很大程度上取决于一把价值30美元立铣刀的性能”。所以常听西方企业家说：“刀刃下生利”。 3、现代科技水平的提高，设备更新换代速度越来越加快，10至15年换一代，在这样短期内赚回设备投资并创造出利润，就要投资研究改进依靠刀具挖潜。据有关资料表明：刀具费用占制造成本2.4－4％，但它却直接影响占制造成本里边20％的机床费用和38％的人工费用。还有一种算法：机床与刀具投入比为9∶1到7∶3。只要刀具投资到位，切削速度和进给速度每提高15-20%可降低制造成本10-15%。所以买机床的同时，一定考虑配置好的刀具，才能高效运转。还有，要做到三个耐用度（即最大生产率，最低成本和最大利润率）要知道会把握，真正把钱花在刀刃上，生产上才能解渴。问题是人们的观念跟不上，认为机床是固定资产、刀具是消耗品。造成“驴不死，不下磨”，“舍得花钱买先进设备低效率运转，舍不得花钱买先进刀具高效挖潜”的怪现象。这是阻碍生产力发展的“绊脚石”和“拦路虎”。 4、我国数控机床使用率低的原因：国外数控机床在两班制工作下开动率达到60－70％，但国内许多用户往往只能达到20－30％，其原因：①用户盲目选购数控机床，致使“货不对路”；②数控机床有关技术人员综合素质低；③编程效率低；④维修时间长、维修工作跟不上；⑤数控机床的工作环境差距（电压波动大、环境温度、湿度变化及强电磁干扰等）；⑥数控机床管理水平低，生产技术准备工作滞后；⑦特别强调指出的是机床与刀具技术含量不匹配，“先进的机床、落后的刀具”，不懂得“门当户对”，“好马配好鞍”，“大材小用”使用不合理，设备潜力没有充分发挥出来，也是造成巨大浪费的重要原因。四、刀具新材料的应用 1、目前各类切削刀具材料应用的构成比，据有关统计资料，今天大部分切屑是用涂层或末涂层硬质合金刀具切除的；即高速钢刀具大约占全部刀具费用的65％，所切除的切屑仅占总切屑量的28％。而涂层或末涂层硬质合金刀具大约占全部刀具费用的33％，所切除的切屑却占总切屑量的68％。而超硬刀具（立方氮化硼、金刚石）所占全部刀具使用面比例则很少，仅占1－3％，今后随着高速加工的发展趋势，硬切削、干切削的增加，这个比例将会大幅度提高。下面重点介绍的适用于高速切削的刀具材料主要有涂层刀具、金属陶瓷（TiCN基硬质合金）刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼（CBN）和聚晶金刚石（PCD）超硬刀具等。 2、涂层刀具材料：有物理涂层（PVD）和化学涂层（CVD）两种，就是在刀具基体上涂覆金属化合物薄膜，以获得远高于基体的表面硬度和优良的切削性能。可在高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、金刚石等材料上单涂层或多涂层，也可以由几种材料复合涂层。涂层厚度为7-10μm，一般1-3层，德国瓦特公司涂200层。涂层材料主要有氮化钛（TiN）、碳氮化钛（TiCN）氮化铝钛（TiAIN），碳氮化铝钛（TiAICN）等，其中TiAIN在高速切削中性能优异，其最高工作温度可达800OC。近年来相继开发的一些新型PVD硬涂层材料，如CBN、氮化碳（CNx）、Al2 O 3氮化物（TiN/NbN、TiN／VN）等，在高温下具有良好的热稳定性，十分适合于高速切削。金刚石涂层刀具主要适用于加工有色金属。此外，最新开发的纳米涂层刀具材料，在高速切削中也具有广阔的应用前景，如日本住友公司已开发出纳米TiN/AIN复合涂层铣刀片，涂层共达2000层，每层涂层厚度为2.5μm。通常涂层刀具的寿命可比未涂层刀具提高2-5倍。 3、金属陶瓷刀具材料；金属陶瓷具有较高的室温硬度，高温硬度及良好的耐磨性。金属陶瓷材料主要包括高耐磨性TiC基硬质合金（TiC+Ni或Mo），高韧性TiC基硬质合金（Tic+TaC+WC）,强韧TiN基硬质合金（TiCN+NbC）等。金属陶瓷刀具可在300－500米／分的切削速度范围内高速精车钢和铸铁。其加工表面粗糙度低切削效率和刀具耐用度高。有资料表明；金属陶瓷刀具可以刃磨出大前角（γ0=20°-25°）的银白屑车刀铣刀，说明它的韧性和强度比陶瓷材料有很大的提高。 4、陶瓷刀具材料：具有更高的硬度，红硬性和耐磨性，其缺点是脆性大，受冲击载荷能力差，这也是几十年来人们不断对其改进的重点。陶瓷刀具材料主要有氧化铝基和氮化硅基两大类，是通过在氧化铝和氮化硅基中分别加入碳化物、氮化物、硼化物、氧化物等得到的，此外还有多相陶瓷材料。目前国外开发的氧化铝基陶瓷刀具约有20余个品种，约占陶瓷刀具总量2／3；氮化硅基陶瓷刀具约有10余个品种，约占陶瓷刀具总量的1／3。陶瓷刀具可在200－1000米／分的切削速度范围内高速切削软钢材（如A3钢）、淬火钢、铸铁及其合金钢等，其刀具耐用度为硬质合金刀具的10倍以上。 5、立方氮化硼（CBN）刀具材料：CBN刀具具有极高的硬度及红硬性，是高速精加工或半精加工淬火钢、冷硬铸铁、高温合金等的理想刀具材料。由于CBN刀具加工高硬度零件时可获得良好的加工表面粗糙度，因此采用CBN刀具切削淬火钢可实现“以切代磨”。由于CBN刀坯价格较高又考虑重磨等因素，一般是在可转位硬质合金刀片的一个角上镶焊上一块CBN刀坯，刃磨出一个刀尖。研究证明，采用纯CBN材料制成的刀具在许多情况下并不能获得最佳加工效果，为此，国外已开发出各种成分配比的CBN刀片及CBN＋金属陶瓷复合刀片，根据不同的加工用途，刀片中的CBN含量也相应变化。如：50％CBN含量的刀片，适于加工连续切削淬硬钢（45－65HRC），80－90％CBN含量的刀片，适于高速切削铸铁（V＝500－1000米／分）或连续重载切削淬火钢（45－65HRC）。用聚晶方法得到的聚晶立方氮化硼（PCBN）刀片的硬度高达3500-4500HV，可耐1300-1500℃高温，已成为高速切削淬硬钢的首选刀具。 6、聚晶金刚石（PCD）刀具材料；PCD材料具有高硬度、高耐磨性、高导热性及低磨擦系数等特点，PCD刀具可实现有色金属及耐磨非金属材料的高速、高精度、高稳定性加工。如采用铝基体刀盘φ100、六齿高速铣刀的最高切削速度可达7000米／分。PCD颗粒的大小对刀具影响较大，如：PCD粒径为10－25μm的PCD刀具适于切削加工Si含量≥12％的铝合金（切削速度V＝300－1500米／分）及硬质合金；PCD粒径为8－9μm的PCD刀具适于切削加工Si含量≤12％的铝合金（切削速度V＝500－3500米／分）及通用非金属材料；PCD颗粒径为4－5μm的PCD刀具适于切削加工FRP、木材或纯铝等材料。 此外，高性能高速钢、粉末冶金高速钢、整体硬质合金等已成为制造滚刀、剃齿刀、插齿刀等齿轮刀具的主流刀具材料、可用于齿轮的高速切削，其切削速度可达150－180米／分，如再对其进行TiAIN涂层处理，则可应用于高速切削。五、刀具新结构的应用 1、可转位刀具技术是刀具发展史上的一个重要创新，它具有不经焊接，无裂纹等缺陷，充分发挥原有刀片的切削性能，并减少机床停机磨刀、装卸刀具的辅助时间等优点。国外分析资料表明；使用可转位刀具比焊接刀具提高切削效率37.5%，并可降低单件生产成本30－49％。他们的结论是：应用可转位刀具是生产发展的必由之路。因此西方工业化国家用了5－10年就全面普及应用，又用了10年使可转位刀具进入成熟期，其品种不断增加，结构优化，几何参数更趋合理，不仅在车削、铣削、钻削有新的突破，而且扩大到拉削、齿轮加工等涉及高速钢刀具领域的加工，目前美国、德国、日本可转位刀具使用面达到90％左右，使可转位刀具这颗机床的“牙齿”更加锋利和坚硬，真正成为现代切削加工这个舞台上的主角。 2、近几年可转位铣刀结构最突出的进展是带前角、螺旋形刀刃及分屑槽刀片的开发，甚至加工铸铁的面铣刀其刀片也是带前角的曲线刀刃，不再是千篇一律的平前倾面，而有了更合理的几何参数、径向前角或轴向前角由负变正、由小变大，因此切削非常轻快平稳（降低切削力30％）。近年来国外几个厂家同时推出一种正八方带前角的刀片、这种正八方的刀片两面用，变成了16个切削刃，大大提高了刀片材料利用率，同时也大大降低了刀片费用。铣刀结构发展另一个方向就是密齿及特密齿，尤其是双负角的陶瓷铣刀，为了增加齿含量，使切削加工更趋于平稳，加快走刀量提高生产效率和表面质量，是一个值得重视的发展趋势。 3、重型刀具结构设计更为新颖，如德国瓦德利希科堡（英格索尔公司），生产世界上最大曲轴铣机床和配套铣刀的厂家。可加工大型船用柴油机曲轴，曲轴的一个拐25吨重。铣刀直径为5.5米，厚140mm，刀齿的粗齿44×5＝220齿、精齿4个共224齿。刀盘重30吨，机床功率200千瓦，每小时切屑重5.7吨。加工工艺：铣曲轴两侧面及轴颈，然后在刀盘上换装一个数控车削装置，车削曲轴轴颈和两园根。该铣刀一个非常重要的关键技术：刀盘上均布有8个大孔，孔内安装了减振装置（专利），解决铣削过程切削振动的问题。刀具结构新颖、奇特、技术含量很高。 4、刀具监控系统：刀具的监测技术对于高速切削加工的安全性十分重要。刀具监测技术主要包括通过监测切削力以控制刀具磨损；通过监测机床功率以间接获得刀具磨损信息；监测刀具断裂（破损）等。对于切削过程进行监控是先进制造技术走向更高程度的自动化甚至无人化，提高数控机床利用率，保证加工质量，防止意外事故的重要手段。引入现代的微电子传感器、计算机和信息技术对切削过程进行可靠的监控是现代金属切削技术发展的又一特征。 5、刀具管理系统：刀具的管理系统是柔性制造系统（FMS）中必不可少的重要组成部分，已在各国特别是工业发达国家中得到了广泛的应用。刀具管理处于一个动态变化过程，其主要包括以下几方面的内容：（1）刀具的贮存，运输和交换；（2）刀具的分配与调度；（3）刀具的监控；（4）刀具的信息管理。刀具是加工中心进行金属切削的主要工具，它的使用是否最佳，调度是否合理，管理是否完善，控制是否有效，对整个柔性制造系统（FMS）的利用率，生产效率和生产质量都将产生很大影响。 6、刀具刃口钝化问题应引起重视：目前我国绝大部分可转位刀片刃口未经钝化处理，刀具耐用度低，刀具消耗费用大。而从国外引进的刀片生产线都带有刀片刃口钝化机，经钝化后的刀片刃口微观缺口彻底消除，有效的增加了刃口强度，其刀具耐用度一般提高20%以上至1倍。目前已研制成功一种能普及应用的小型可转位刀片刃口钝化机，机型轮廓尺寸：400×400×600（毫米），其特点是：采用齿轮减速电子调速电机传动的行星机构，使刀片自转并公转，由高速旋转的含磨料尼龙盘刷钝化刀片刃口，采用时间继电器控制钝化时间和袖珍显微镜检测刀片刃口钝化参数，该小型可转位刀片刃口纯化机结构设计紧凑合理、灵巧可靠、操作方便，适于刀片制造部门和机械加工车间应用推广。七、几点启示和建议 我国正处于制造技术快速发展的时期，数控机床的普及、先进制造技术的发展、制造业现代化步伐的加快对刀具行业提出了新的挑战。面对机械产业的升级和结构的重大调整，对工具市场的需求迅速增长，对刀具行业提供了巨大的机遇和发展空间。 建国以来，刀具行业为机械制造业的发展做了大量工作，取得了很大成绩，但随着切削加工速度的提高，难切削加工材料的大量使用，数控设备的普及，对切削加工刀具的要求越来越高，国内的刀具已经满足不了制造业发展的需求。改革开放，加入WTO，国外刀具企业大量涌入，刀具市场的竞争更加激烈。面对越来越严峻的市场，国内刀具企业应转变观念，提高市场意识、品牌意识，抓住机遇，加快自身的技术创新、技术改造力度，加大研发力度，提高产品质量，以优质的产品、优良的服务赢得客户的信任。只有这样，国内刀具厂商才能在激烈的市场竞争中确定自己的优势，赢得更多的市场份额。 国外刀具企业进入国内市场，带来了先进刀具和经营理念，促进了刀具技术的发展，提高了机械制造业的切削加工水平，得到了广大客户的认可。特别是在国内设厂的外国刀具企业，如山特维克可乐满、肯纳飞硕、瓦尔特、钴领都取得了很好的业绩，从这次调查的数据中可以看出，这些企业都有突出的表现。 刀具技术发展很快，先进的切削刀具、新型的切削刀具材料、涂层技术不断涌现，满足了机械制造业的需求。先进的刀具如何被客户所接受，有一个推广和培训的问题，调查中用户对刀具的培训有强烈的要求。服务已成为产品的一部分，刀具企业应加强服务意识，深入用户，了解用户的生产和工艺，为用户推荐、选用刀具，帮助用户培训、用好刀具。这样一定会收到双赢的效果。 采用先进刀具，适当的增加刀具费用的投入，是制造业提高劳动生产率和企业竞争力的有效手段，这已逐渐成为业内人士的共识。市场竞争要求制造业不断提高质量，降低生产成本。制造业企业只有转变传统观念，正确理解成本降低的概念，克服片面控制工具费用消耗的做法。应该看到，合理的刀具投入，可以成倍地提高生产率和产品质量，不仅增加企业的竞争力，而且促进刀具行业的发展。 为了使我国切削技术尽快赶上世界先进水平，2003年9月在南京举行的中国刀协二次会员代表大会暨第一届先进切削技术高层论坛上确立了“发展切削技术、建设制造强国”的宏伟目标。2004年9月于太原举行的中国刀协二届二次理事扩大会议从目前国内机械制造企业的实际出发，决定从2005年起在团体会员单位开展“中国刀协会20工程”活动。要求各企事业团体会员单位通过切削应用技术的培训和先进刀具的推广，用2年左右的时间率先实现提高切削效率20%的目标，已得到广大会员单位和职工的积极响应，并取得了丰硕成果。 展望未来，在以胡锦涛同志为首的党中央领导下，以科学发展观和全面建设小康社会精神鼓舞下，我们的祖国更加繁荣富强，我们的制造业与时俱进开拓创新、彻底甩掉“切削水平落后”的帽子，将成为现代制造业强国而奋斗。