我國切削加工與刀具技術展望

    人類社會邁入21世紀的時候，從世界范圍看，我們正處于制造技術快速發展的時期。切削加工作為制造技術的主要基礎工藝，隨著制造技術的發展，在20世紀末也取得很大進步，進入了以發展高速切削、開發新的切削工藝和加工方法、提供成套技術為特征的發展新階段。它是制造業中重要工業部門，如汽車、航空航天、能源、軍事、模具、電子等的主要加工技術，也是這些工業部門迅速發展的重要因素。因此，在制造業發達的美、德、日等國家保持著快速發展的勢頭。金屬切削刀具作為數控機床必不可少的配套工藝裝備，在數控加工技術的帶動下，已進入“數控刀具”的發展階段，顯示出“三高一�！保�即高效率、高業度、高可靠性和專用化）的特點。  

    1.二十一世紀初切削加工技術發展的主要趨勢 

   （1）高速切削將成為切削加工的新工藝 

    當前，以高速切削為代表的干切削、硬切削等新型切削工藝已經顯示出很多的優點和強大的生命力，這是制造技術為提高加工效率和質量、降低成本、縮短開發周期對切削加工提出的要求。因此，發展高速切削等新型切削工藝，促進制造技術的發展是現代切削技術發展最顯著的特點。當代的高速切削不只是切削速度的提高，而是需要在制造技術全面進步和進一步創新上（包括數控機床、刀具材料、涂層、刀具結構等技術的重大進步），達到切削速度和進給速度的成倍提高，并帶動傳統切削工藝的變革和創新，使制造業整體切削加工效率有顯著的提高，表1是現階段切削加工的最新水平。 

表1 現階段高速切削的技術水平 

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銑 CBN銑削灰鑄鐵 1000~2000m/min 

削 PCD銑削鋁合金 4000~7000m/min 

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車　氮化硅陶瓷車削灰鑄鐵 500~700m/min 

　　CBN車削淬火鋼（60HRC） 100~200m/min 

削　CBN車削灰鑄鐵剎車盤 700~1000m/min 

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鉆　整體硬質合金鉆頭鉆灰鑄鐵 100m/min 

削 

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攻　鈷高速鋼絲錐加工可鍛鑄鐵 61m/min 

螺�。∕14×1.5） 

紋 

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滾　硬質合金滾刀加工16MnCr5 350m/min 

齒　金屬陶瓷滾刀加工16MnCr5 600m/min 

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    硬切削是高速切削技術的一個應用領域，即用單刃或多刃刀具加工淬硬零件，它與傳統的磨削加工相比，具有效率高、柔性好、工藝簡單、投資少等優點，已在一些應用領域產生較好的效果。在汽車行業，用CBN刀具加工20CrMo5淬硬齒輪（60RHC）內孔，代替磨削，已成為國內外汽車行業推廣的新工藝。在模具行業用CBN刀具高速精銑淬硬鋼模具，采取小的走刀步距，中間不接刀，完成型面的精加工，大大減少了拋光的工作量，顯著縮短了模具的開發周期，已成為模具制造業的一項新工藝。在機床行業用CBN旋風銑精加工滾珠絲杠（64CRH）代替螺紋磨削，用硬質合金滾刀加工淬硬齒輪等都顯現出很強的生命力。 

   （2）實現難加工材料加工技術的重大突破  

    長期以來，難加工材料如奧氏體不銹鋼、高錳鋼、淬硬鋼、復合材料、耐磨鑄鐵等一直是切削加工中的難題，不僅切削效率低，而且刀具壽命短。隨著制造業的發展，21世紀這些材料的用量將迅速增加，加工的矛盾將更加突出。與此同時，產品的材料構成將不斷優化，新的工程材料也不斷問世，而每一種新型材料的采用都對切削加工提出了新的要求。如在切削加工比較集中的汽車工業，其發動機、傳動器零件中硅鋁合金的比例在持續增加，并開始引入鎂合金和新的高強度鑄鐵以減輕汽車重量，節省能耗。又如在航空航天工業，、鈦合金、鎳基合金以及超耐熱合金、陶瓷等難加工材料的應用比例和加工難度也都將進一步增加，能否高效加工這些材料，直接關系到我國汽車、航空航天、能源等重要工業部門的發展速度和制造業整體水平，也是對切削技術的最大挑戰。我們必須從21世紀初開始探索從根本上解決難加工材料大量使用及其品種性能多樣化帶來的世紀性難題，創新加工技術，開發包括激光在內的新“刀刃”和加工方法。 

   （3）滿足制造業對切削加工新技術和新產品空前高漲的需求  

    進入21世紀以后，產品多樣化和個性化的趨勢將進一步加劇，制造業的產品更新速度也勢必大大加快。每一種新產品的開發都意味著零件功能、結構、材料的重大變更，也是對切削加工提出新的開發任務。如螺桿泵、等速萬向節、底徑定心花鍵、機床一刀具新型HSK接口、航空工業整體鋁合金構件、電子工業印制線路板等產品，無不反映著切削技術和刀具的成果。不僅如此，當前利用切削加工的柔性及現代切削加工和刀具技術的成果，革新零件加工方法，也顯示出投入少、產出大、見效快的特點。正如在20世紀90年代新建的轎車發電機、傳動器生產線上所集中展示的那樣：缸體孔系的整體硬質合金鉆削工藝、曲軸的“車一車拉”工藝、缸蓋的金剛石高速銑削工藝、同步器齒輪的筒式拉削工藝等新的加工工藝，不僅使新建生產線的生產節拍加快，產品質量提高，投資大量減少，充分顯示出切削加工的巨大潛力，而且給企業在21世紀投資新項目、革新現有加工方法、發揮切削加工特長、增加企業競爭實力方面作出了示范。這種背景下，制造業對切削加工新技術、新產品的需求在21世紀初將達到空前的高度，這既是對切削技術的挑戰，也是對我國制造行業傳統觀念的挑戰。  

   （4）迎接人類社會進步對切削加工的挑戰  

    高速切削派生的另一項新工藝是干切削。20世紀末，人類社會在環境保護、生態平衡等方面獲得了高速共識，并成為全球的共同行動綱領。當前，一個以降耗、節能、節材、減廢、有利于環境保護和人身健康的、實行清潔安全生產的“綠色工程”已在工業發達國家興起。實行“綠色工程”，開發“綠色制造技術”是新世紀切削加工發展的重要課題。切削加工中的切削液對環境的污染、對操作者健康的傷害，成為當前治理的重點，但是對切削液所造成危害的治理增加了制造的成本，導致干切削新技術的開發，并出現了微量潤滑切削、冷風切削等準干切削新工藝。當前倡導的干切削并不是簡單地把原有工藝中的切削液去掉，降低切削效率，而是進行傳統切削工藝的重大變革，為新世紀提供一種清潔、安全、高效的新工藝，這是對切削技術包括刀具材料、涂層、結構的全面挑戰。而節省刀具材料的貴重金屬資源消耗，開發刀具重磨、回收等新技術也成為切削加工對人類文明和社會進步應盡的責任。
   

2.加快關鍵技術的開發應用 

   （1）新型刀具材料的開發應用  

    刀具材料的發展是切削加工技術發展的首要因素。當前刀具材料的發展有兩個重要的趨勢：一是硬質合金刀具應用范圍繼續擴大，碳氮化鈦基硬質合金（金屬陶瓷）、超細顆粒硬質合金、梯度結構硬質合金及硬質合金與高速鋼兩種粉末復合的材料等將代替相當一部分高速鋼刀具，包括鉆頭、立銑刀、絲錐等簡單通用刀具和齒輪滾刀、拉刀等精密復雜刀具，使這一類刀具的切削速度有很大的提高。硬質合金將在刀具材料中占主導地位，覆蓋大部分常規的加工領域。二是超硬刀具材料的使用將明顯增加，隨著CBN韌性的進一步改善，它在切削刀具中的比例將有顯著的提高。PCD和單晶金剛石是高新精密加工有色金屬，陶瓷、玻璃、石墨等非金屬材料最佳的刀具。隨著汽車、航空航天、電子、軍工等部門對這些材料需求的增加，PCD的應用也將更加廣泛。 

    （2）涂層技術的開發應用  

    刀具涂層技術自從問世以來，對刀具性能的改善和加工技術的進步起著非常重要的作用，涂層刀具已經成為現代刀具的標志，在刀具中的比例已超過50%。在21世紀初，涂層刀具的比例將進一步增加，有望在技術上突破CBN涂層技術，并且實用化，使CBN的優良性能在更多的刀具和切削加工中得到應用，甚至精密復雜刀具和成形刀具，這將全面提高加工黑色金屬的切削水平。此外，納米級超薄、超多層涂層和氮化碳等新型涂層材料的開發應用速度將加快，涂層將成為改善刀具性能的主要途徑。 

   （3）多功能及專用刀具的開發應用  

    為了發揮以車削加工中心和鏜銑類加工 中心為代表的數控加工技術的優勢，提高加工效率，對復雜零件的加工要求在一次裝夾中進行多工序的集中加工，并淡化傳統的車、銑、鏜、螺紋加工等不同切削工藝的界限，是當前提高數控機床效率、加快產品開發的有效途徑。為此，這也對刀具提出了多功能的新要求，要求一種刀具能完成零件不同工序的加工，減少換刀次數，節省換刀時間，以減少刀具的數量和庫存量，有利于管理和降低制造成本。較潰兇的有多功能車刀、銑刀、鏜銑刀、鉆銑刀、鉆一銑螺紋一倒角等刀具。與此同時，在批量生產線上，使用針對工藝需要開發的專用刀具或智能刀具，可以提高加工效率和精度，減少投資。 有的專用刀具可將零件的加工時間降至原來的1/10以下，效果十分顯著。  

    3.加快觀念更新，攜手發展 

   （1）工具制造業要把為用戶提供成套切削加工技術、革新加工 方法作為發展方向和服務內容。隨著切削加工技術的進步，工具制造企業對參與并影響切削加工的因素有了更加科學的認識，并用于新產品、新技術開發，規格品種多達數萬個。面對日新月異的刀具材料、涂層牌號、結構等的新產品和新技術，以及不斷涌現的各種加工難題，一般用戶很難正確地選擇和應用工具行業的新成果，以達到最佳的效果。為此，工具企業要從現在以“賣刀具”為主走上為用戶“提供成套切削技術，解決具體加工問題”的經營軌道，并根據自己產品的專業化方向，精通相應的切削工藝，不斷創新，開發新產品。 

   （2）切削刀具的用戶行業也要更新觀念，在加快采用數控機床的同時要加大對刀具的投入，充分利用刀具在提高效率、降低成本、縮短交貨期、加快新產品開發中的作用。國外有數據表明，刀具費用占制度成本2.5%~4%，但它卻直接影響占制造成本20%的機床費用和38%的人工費用，因此，進給速度和切削速度每提高15%~20%可降低制造成本10%~15%。這說明使用好刀具會增加成本，但效率提高則會使機床費用和人工費用有很大的降低，這正是工業發達國家制造業所采取的經營策略之一。讓工具行業這個專業力量及其成果如何更好地為企業發展和提高市場競爭力服務，是各廠家積極思考的問題。 

   （3）切削技術的發展要走機床、工具及產學研用緊密結合的發展出有路子，這是工業發達國家制造業，也是工具行業正在走的發展道路，這些國家的做法反映了21世紀制造技術及切削加工發展的特點。 

    希望經過我國機床工具行業和制造業在21世紀初的共同努力，為推動中國制造業的快速發展作出應有的貢獻。