切削技術與刀具工業(yè)的新時代

    1 引言
    在信息技術等高新技術的帶動下，機械加工技術進入了“高速、高效、智能、復合、環(huán)�！钡陌l(fā)展新階段，出現(xiàn)了高速(效)切削、近凈成形、柔性化加工、五軸加工、復合加工機床、網(wǎng)絡制造、綠色制造等新的制造技術及裝備，為制造業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品、提高加工效率和加工質(zhì)量、降低制造成本、縮短交貨周期、保護生態(tài)環(huán)境、降低能源和資源消耗發(fā)揮了重要的作用。在上述新加工工藝及裝備中，切削加工的新技術及刀具以其重要的基礎地位以及應用面廣、實用化程度高、見效快、成效顯著等特點，其進展尤為突出，成為當今先進制造技術中的亮點，對制造業(yè)的發(fā)展和制造技術的進步起到了十分重要的作用。 
    在高新技術的帶動和制造業(yè)發(fā)展的影響下，當代切削技術的進步和刀具工業(yè)的變化顯現(xiàn)出質(zhì)的飛躍。例如，作為現(xiàn)代切削技術顯著特征的高速切削，它的問世及實用化是制造技術在信息技術等高新技術的帶動下和數(shù)控加工技術全面進步的基礎上所達到的切削新水平，切削速度5～10倍的提高，以至于在用硬質(zhì)合金刀具加工某些材料時，可達到的切削速度已超過了切削機理變化的臨界點，切削溫度隨切削速度的提高而降低。因此，代表著一種新的切削工藝的誕生，標志著切削加工進入了一個新的階段。 
    在切削技術取得階段性發(fā)展的同時，也帶動著刀具工業(yè)的快速發(fā)展。為適應現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的需要，刀具工業(yè)的內(nèi)涵、作用、地位也發(fā)生了重大的變化。從單純的刀具產(chǎn)品生產(chǎn)、供應，擴大至新切削工藝的開發(fā)，及相應的配套技術和產(chǎn)品的開發(fā)，并從單純刀具供應商的地位上升至成為用戶企業(yè)提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、降低制造成本的重要合作伙伴，顯示出一個新型刀具工業(yè)的雛形。 
    從時代變遷的高度來了解和認識切削技術、刀具乃至刀具工業(yè)的發(fā)展和變化，對于正在建設制造強國的我國工業(yè)界具有重要的現(xiàn)實意義，將加強我們對發(fā)展我國切削技術的緊迫感和責任感。應當說，加快我國切削技術的發(fā)展和刀具工業(yè)的變革，還具有相當?shù)木o迫性。 
    2 切削刀具實現(xiàn)了向高科技產(chǎn)品的飛躍
    在傳統(tǒng)的機械加工企業(yè)里，刀具曾長期被列入低值易耗品的管理范圍。這一方面反映出對刀具重要性的忽視，另一方面也是對當時刀具產(chǎn)品技術含量低下的客觀反映。從上世紀70年代以來，隨著數(shù)控機床發(fā)展而發(fā)展起來的所謂“數(shù)控刀具”，*著切削刀具朝著三高一專(高效率、高精度、高可靠性和專用化)方向不斷發(fā)展，把傳統(tǒng)的刀具產(chǎn)品發(fā)展成為高附加值、高科技含量的產(chǎn)品。目前，在刀具材料、涂層技術、刀具結構等方面所取得的進展均屬于當代材料、信息學科、計算機、微電子應用技術的*新成果。 
    首先，是在刀具材料和涂層技術方面。刀具材料的現(xiàn)狀是：各種刀具材料的性能都有顯著提高，形成了每種刀具材料既有獨特的優(yōu)勢和使用范圍又相互取代補充的格局，使切削加工的各領域、各工序的效率和總體水平有顯著的提高。硬質(zhì)合金成為刀具的主要材料，出現(xiàn)了適用于做涂層基體的傾斜機能材料；適合做量大面廣的鉆頭、立銑刀、絲錐等通用刀具和IT產(chǎn)業(yè)微型刀具的細顆粒、超細顆粒硬質(zhì)合金材料；這類硬質(zhì)合金的強度超過3000N/mm2，甚至達到4000N/mm2以上，為普通硬質(zhì)合金材料的1倍，從而擴大了硬質(zhì)合金刀具的應用范圍。近年來，涂層技術取得了重大的進展，能針對刀具不同的加工對象及使用要求開發(fā)多種牌號，或復合多層、梯度結構、納米結構的涂層。*新的AlCrN涂層和TiN-Si3N4納米結構涂層， 其涂層的硬度分別達到HV3200和HV4000，耐氧化溫度達到1100℃，顯著地提高了刀具的切削性能，是材料科技領域里的*新研究成果。又如已實用化的金剛石涂層和正在開發(fā)的CBN涂層都屬于高新技術的范疇。刀具材料和涂層技術的進步，不僅提高了標準通用刀具的性能，而且也提高了齒輪滾刀、剃齒刀等精密復雜刀具的性能，為切削刀具性能的升級換代奠定了基礎。 
    其次，以可轉位刀具為代表的通用的車、銑和孔加工刀具及專用的、復合的、智能的刀具，其創(chuàng)新的結構、優(yōu)良的性能、復合的功能、高的加工效率和精度也充分說明了刀具是現(xiàn)代科技的結晶。應用在大批量流水生產(chǎn)線上的專用刀具其功能已遠遠超出普通刀具的概念， 它不僅能把多道工步組合在一道工序里，提高加工效率和精度，而且能和專用機床一起共同開發(fā)新的加工方法，還起到節(jié)省投資的效果。隨著復合加工數(shù)控機床的興起，出現(xiàn)了一刀多用的復合刀具或多功能刀具，減少換刀的次數(shù)，為發(fā)揮復合加工機床的優(yōu)勢起到了重要的作用。帶有光電傳感、測量和伺服補償機構的智能刀具，可根據(jù)測量的結果自動調(diào)節(jié)刀具的尺寸，分辨率達到0.002mm；一種在刀具里集成著3個加速度傳感器的銑刀，可實時采集切削過程的信息，經(jīng)數(shù)控系統(tǒng)處理后，使機床始終保持在*佳狀態(tài)。 
    此外，眾所周知的HSK工具柄———機床與工具接口，是一項重大的技術創(chuàng)新。與傳統(tǒng)的7:24刀柄比較，不僅提高了刀具與機床連接的精度和剛性，而且作為一項錐柄裝夾定位的共性技術，其原理已被應用到砂輪法蘭與主軸的連接及工具系統(tǒng)的連接中，對制造技術產(chǎn)生廣泛的影響。 
    如果把“數(shù)控刀具” 的概念理解為高科技含量、高性能刀具的話，那么，可以說，切削刀具已全面進入了“數(shù)控刀具”的時代，使切削加工總體效率成倍提高。 
    3 切削技術向創(chuàng)新制造工藝的飛躍
    在制造業(yè)的發(fā)展中除了看到高性能刀具所產(chǎn)生的直接切削效果外，還可看到切削技術在創(chuàng)新工藝方面所產(chǎn)生的更大效果，這是當今切削技術發(fā)展的重要特點， 也是切削技術進入新時代的顯著特征。近幾年，不斷開發(fā)的新的切削技術，已成為推動制造業(yè)中裝備、模具制造業(yè)和汽車、航空航天等產(chǎn)業(yè)部門快速發(fā)展的關鍵技術。 
    在大批量生產(chǎn)的汽車工業(yè)里，汽車發(fā)動機主要零件的生產(chǎn)效率的提高尤為突出。這與汽車工業(yè)大量采用新切削加工方法分不開，如用整體硬質(zhì)合金鉆頭加工缸體孔系新工藝、用Si3N4陶瓷刀具或CBN刀具精鏜缸孔新工藝、金剛石銑刀高速銑削鋁合金缸蓋新工藝；又如曲軸的銑削工藝或車F車拉工藝和變速箱淬硬齒輪內(nèi)孔硬鏜削工藝。這些新工藝不僅提高加工效率而且提高加工質(zhì)量，表1是上世紀從七八十年代至九十年代汽車工業(yè)加工精度提高的數(shù)字。
    表1           20世紀70～80年代   20世紀90年代  
    尺寸精度      IT7～IT8級         IT5～IT6級  
    圓度(mm)      0.015～0.020       0.005～0.010  
    同軸度(mm)    0.020～0.030       0.015～0.020  
    孔距精度(mm)  0.030～0.050       0,010～0.015  
    車銑加工表面粗糙度Ra(µm)  1.6～3.2  0.8～1.2 

    現(xiàn)代航空工業(yè)中用整體鋁合金的框架結構作為飛機的構件，加工時要從整塊鋁件上切除90%以上的材料，采用高速切削新工藝，切削速度可達到4000～7000m/min，進給速度60～100m/min， 金屬切除率達6000cm3/min以上。 
    模具工業(yè)中用于加工敞開空間的模腔的高效切削成形新工藝及淬硬模具硬切削工藝，已取代了傳統(tǒng)的電火花成形工藝，大大地提高了加工效率，表面粗糙度可優(yōu)于Ra0.6µm，甚至達到鏡面的效果，大幅度地減少了模具拋光的工作量，縮短了模具的開發(fā)周期。圍繞著模具加工開發(fā)的多功能刀具、模腔粗加工插銑刀具和大進給刀具等高效切削刀具及加工工藝，成為當前模具工業(yè)快速發(fā)展的關鍵技術。 
    就在切削技術與工藝開發(fā)密切結合的過程中，創(chuàng)新的切削工藝帶動著刀具新產(chǎn)品的開發(fā)，創(chuàng)新的刀具又開拓著新的切削工藝，兩者緊密結合，相互促進，把切削工藝帶入了一個良性發(fā)展的軌道和更高的層次。 
    4 刀具工業(yè)經(jīng)營理念的飛躍
    在切削技術快速發(fā)展的同時，刀具工業(yè)本身也發(fā)生了重大的變化，整個行業(yè)的功能不只是簡單地供應“三高一�！钡牡毒弋a(chǎn)品和技術，而是作為制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈中社會資源保障的一個子系統(tǒng)，直接承擔起推進制造業(yè)切削技術進步的重大任務和專業(yè)職責，也為切削技術和刀具的發(fā)展打開了更加廣闊的空間。在傳統(tǒng)的機械制造企業(yè)里，企業(yè)要投入大量的人力、物力，成立專門的機構，負責切削加工工藝，照料生產(chǎn)所需的刀具。但隨著制造業(yè)的發(fā)展， 針對具體的工件材料和加工工序，選擇一把適用的刀具(包括刀具材料、幾何參數(shù)、涂層的優(yōu)化搭配)和合理的切削參數(shù)的工作變得越來越復雜，是一項十分專業(yè)的工作，僅靠企業(yè)的“自我保障”能力已滿足不了企業(yè)提高切削加工水平的需要。為此，越來越多的企業(yè)開始把提高切削加工工藝、照料生產(chǎn)線上刀具的工作交給專業(yè)的工具制造商來做，通過專業(yè)化的刀具制造商，面向全球的資源，以更高的專業(yè)視野和優(yōu)化的配置，幫助企業(yè)提高切削加工的水平，從而產(chǎn)生更好的效果。針對用戶企業(yè)的這種需求，刀具制造商紛紛提出了為用戶“提供解決問題方案”的經(jīng)營理念。把為用戶“提高加工效率、降低制造成本”作為企業(yè)全部活動的宗旨，并在擴大企業(yè)綜合實力或提高專業(yè)化程度方面做了大量的工作，從而把切削技術和刀具新品的開發(fā)既面向制造業(yè)主要工業(yè)部門的發(fā)展又針對個別用戶的需求， 緊密地與切削加工的一線實踐相結合，使刀具工業(yè)深深地扎根于制造業(yè)的沃土之中，成為刀具工業(yè)發(fā)展和創(chuàng)新切削技術取之不盡的源泉。在這種背景下，刀具制造商推出新產(chǎn)品和新技術的速度明顯加快，產(chǎn)品更新或補充的速度每年可達10%～20%，每推出一種新牌號通�？商岣咔邢餍�率50%。國外某刀具公司稱：在該公司的總銷售額中60%為開發(fā)不到5年的產(chǎn)品，開發(fā)不到3年的產(chǎn)品占35%，說明在實踐中建立起來的科學的經(jīng)營理念和企業(yè)宗旨，抓住了切削技術的實質(zhì)，符合刀具工業(yè)自身發(fā)展的規(guī)律。 
    在這個過程中，刀具工業(yè)完成了對自身價值在認識上和實踐上的飛躍，刀具制造商不只是刀具實物的生產(chǎn)者和銷售商，意識到在新的形勢下，必須自覺成為推動制造業(yè)發(fā)展和制造技術進步的重要的專業(yè)化社會資源。觀念的變化產(chǎn)生了巨大的物質(zhì)力量，推動刀具工業(yè)更快的發(fā)展，正在塑造出一個全新的刀具工業(yè)。 
    5 結語
    今天，從世界范圍看，刀具、切削技術和刀具工業(yè)都取得了很大的進展，實現(xiàn)了各自的飛躍，顯示出傳統(tǒng)的刀具工業(yè)正在消亡，新型的刀具工業(yè)以其強大的生命力已出現(xiàn)在制造業(yè)的各個領域，正在推動著制造業(yè)中裝備制造、汽車、航空航天、模具等工業(yè)部門的發(fā)展。我國要走完新型工業(yè)化的歷史階段，必須發(fā)展制造業(yè)，并優(yōu)先發(fā)展裝備制造業(yè)，就必須對制造技術中的切削技術有足夠的重視。一方面，我國的制造業(yè)要充分利用國內(nèi)外切削技術現(xiàn)有的成果，利用后發(fā)優(yōu)勢，實現(xiàn)跨越式發(fā)展；另一方面，國家要大力扶植我國民族的刀具工業(yè)的發(fā)展，迅速縮小與工業(yè)發(fā)達國家刀具工業(yè)的差距，承擔起建設制造強國的歷史重任。