切削技術(shù)與刀具工業(yè)的新時(shí)代

    1 引言
    在信息技術(shù)等高新技術(shù)的帶動(dòng)下，機(jī)械加工技術(shù)進(jìn)入了“高速、高效、智能、復(fù)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(fù)合加工機(jī)床、網(wǎng)絡(luò)制造、綠色制造等新的制造技術(shù)及裝備，為制造業(yè)開(kāi)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(hù)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(shù)及刀具以其重要的基礎(chǔ)地位以及應(yīng)用面廣、實(shí)用化程度高、見(jiàn)效快、成效顯著等特點(diǎn)，其進(jìn)展尤為突出，成為當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)中的亮點(diǎn)，對(duì)制造業(yè)的發(fā)展和制造技術(shù)的進(jìn)步起到了十分重要的作用。 
    在高新技術(shù)的帶動(dòng)和制造業(yè)發(fā)展的影響下，當(dāng)代切削技術(shù)的進(jìn)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(shù)顯著特征的高速切削，它的問(wèn)世及實(shí)用化是制造技術(shù)在信息技術(shù)等高新技術(shù)的帶動(dòng)下和數(shù)控加工技術(shù)全面進(jìn)步的基礎(chǔ)上所達(dá)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(shí)，可達(dá)到的切削速度已超過(guò)了切削機(jī)理變化的臨界點(diǎn)，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(biāo)志著切削加工進(jìn)入了一個(gè)新的階段。 
    在切削技術(shù)取得階段性發(fā)展的同時(shí)，也帶動(dòng)著刀具工業(yè)的快速發(fā)展。為適應(yīng)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(yīng)，擴(kuò)大至新切削工藝的開(kāi)發(fā)，及相應(yīng)的配套技術(shù)和產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，并從單純刀具供應(yīng)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(gè)新型刀具工業(yè)的雛形。 
    從時(shí)代變遷的高度來(lái)了解和認(rèn)識(shí)切削技術(shù)、刀具乃至刀具工業(yè)的發(fā)展和變化，對(duì)于正在建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)的我國(guó)工業(yè)界具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，將加強(qiáng)我們對(duì)發(fā)展我國(guó)切削技術(shù)的緊迫感和責(zé)任感。應(yīng)當(dāng)說(shuō)，加快我國(guó)切削技術(shù)的發(fā)展和刀具工業(yè)的變革，還具有相當(dāng)?shù)木o迫性。 
    2 切削刀具實(shí)現(xiàn)了向高科技產(chǎn)品的飛躍
    在傳統(tǒng)的機(jī)械加工企業(yè)里，刀具曾長(zhǎng)期被列入低值易耗品的管理范圍。這一方面反映出對(duì)刀具重要性的忽視，另一方面也是對(duì)當(dāng)時(shí)刀具產(chǎn)品技術(shù)含量低下的客觀反映。從上世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著數(shù)控機(jī)床發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的所謂“數(shù)控刀具”，*著切削刀具朝著三高一專(zhuān)(高效率、高精度、高可靠性和專(zhuān)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(shù)、刀具結(jié)構(gòu)等方面所取得的進(jìn)展均屬于當(dāng)代材料、信息學(xué)科、計(jì)算機(jī)、微電子應(yīng)用技術(shù)的*新成果。 
    首先，是在刀具材料和涂層技術(shù)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)和使用范圍又相互取代補(bǔ)充的格局，使切削加工的各領(lǐng)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(jī)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(xì)顆粒、超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金材料；這類(lèi)硬質(zhì)合金的強(qiáng)度超過(guò)3000N/mm2，甚至達(dá)到4000N/mm2以上，為普通硬質(zhì)合金材料的1倍，從而擴(kuò)大了硬質(zhì)合金刀具的應(yīng)用范圍。近年來(lái)，涂層技術(shù)取得了重大的進(jìn)展，能針對(duì)刀具不同的加工對(duì)象及使用要求開(kāi)發(fā)多種牌號(hào)，或復(fù)合多層、梯度結(jié)構(gòu)、納米結(jié)構(gòu)的涂層。*新的AlCrN涂層和TiN-Si3N4納米結(jié)構(gòu)涂層， 其涂層的硬度分別達(dá)到HV3200和HV4000，耐氧化溫度達(dá)到1100℃，顯著地提高了刀具的切削性能，是材料科技領(lǐng)域里的*新研究成果。又如已實(shí)用化的金剛石涂層和正在開(kāi)發(fā)的CBN涂層都屬于高新技術(shù)的范疇。刀具材料和涂層技術(shù)的進(jìn)步，不僅提高了標(biāo)準(zhǔn)通用刀具的性能，而且也提高了齒輪滾刀、剃齒刀等精密復(fù)雜刀具的性能，為切削刀具性能的升級(jí)換代奠定了基礎(chǔ)。 
    其次，以可轉(zhuǎn)位刀具為代表的通用的車(chē)、銑和孔加工刀具及專(zhuān)用的、復(fù)合的、智能的刀具，其創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的性能、復(fù)合的功能、高的加工效率和精度也充分說(shuō)明了刀具是現(xiàn)代科技的結(jié)晶。應(yīng)用在大批量流水生產(chǎn)線上的專(zhuān)用刀具其功能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(zhuān)用機(jī)床一起共同開(kāi)發(fā)新的加工方法，還起到節(jié)省投資的效果。隨著復(fù)合加工數(shù)控機(jī)床的興起，出現(xiàn)了一刀多用的復(fù)合刀具或多功能刀具，減少換刀的次數(shù)，為發(fā)揮復(fù)合加工機(jī)床的優(yōu)勢(shì)起到了重要的作用。帶有光電傳感、測(cè)量和伺服補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的智能刀具，可根據(jù)測(cè)量的結(jié)果自動(dòng)調(diào)節(jié)刀具的尺寸，分辨率達(dá)到0.002mm；一種在刀具里集成著3個(gè)加速度傳感器的銑刀，可實(shí)時(shí)采集切削過(guò)程的信息，經(jīng)數(shù)控系統(tǒng)處理后，使機(jī)床始終保持在*佳狀態(tài)。 
    此外，眾所周知的HSK工具柄———機(jī)床與工具接口，是一項(xiàng)重大的技術(shù)創(chuàng)新。與傳統(tǒng)的7:24刀柄比較，不僅提高了刀具與機(jī)床連接的精度和剛性，而且作為一項(xiàng)錐柄裝夾定位的共性技術(shù)，其原理已被應(yīng)用到砂輪法蘭與主軸的連接及工具系統(tǒng)的連接中，對(duì)制造技術(shù)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(shuō)，切削刀具已全面進(jìn)入了“數(shù)控刀具”的時(shí)代，使切削加工總體效率成倍提高。 
    3 切削技術(shù)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(shù)在創(chuàng)新工藝方面所產(chǎn)生的更大效果，這是當(dāng)今切削技術(shù)發(fā)展的重要特點(diǎn)， 也是切削技術(shù)進(jìn)入新時(shí)代的顯著特征。近幾年，不斷開(kāi)發(fā)的新的切削技術(shù)，已成為推動(dòng)制造業(yè)中裝備、模具制造業(yè)和汽車(chē)、航空航天等產(chǎn)業(yè)部門(mén)快速發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。 
    在大批量生產(chǎn)的汽車(chē)工業(yè)里，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)主要零件的生產(chǎn)效率的提高尤為突出。這與汽車(chē)工業(yè)大量采用新切削加工方法分不開(kāi)，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(chē)F車(chē)?yán)�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(jì)從七八十年代至九十年代汽車(chē)工業(yè)加工精度提高的數(shù)字。
    表1           20世紀(jì)70～80年代   20世紀(jì)90年代  
    尺寸精度      IT7～I(xiàn)T8級(jí)         IT5～I(xiàn)T6級(jí)  
    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(chē)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(jié)構(gòu)作為飛機(jī)的構(gòu)件，加工時(shí)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(dá)到4000～7000m/min，進(jìn)給速度60～100m/min， 金屬切除率達(dá)6000cm3/min以上。 
    模具工業(yè)中用于加工敞開(kāi)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(dá)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(kāi)發(fā)周期。圍繞著模具加工開(kāi)發(fā)的多功能刀具、模腔粗加工插銑刀具和大進(jìn)給刀具等高效切削刀具及加工工藝，成為當(dāng)前模具工業(yè)快速發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。 
    就在切削技術(shù)與工藝開(kāi)發(fā)密切結(jié)合的過(guò)程中，創(chuàng)新的切削工藝帶動(dòng)著刀具新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，創(chuàng)新的刀具又開(kāi)拓著新的切削工藝，兩者緊密結(jié)合，相互促進(jìn)，把切削工藝帶入了一個(gè)良性發(fā)展的軌道和更高的層次。 
    4 刀具工業(yè)經(jīng)營(yíng)理念的飛躍
    在切削技術(shù)快速發(fā)展的同時(shí)，刀具工業(yè)本身也發(fā)生了重大的變化，整個(gè)行業(yè)的功能不只是簡(jiǎn)單地供應(yīng)“三高一專(zhuān)”的刀具產(chǎn)品和技術(shù)，而是作為制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈中社會(huì)資源保障的一個(gè)子系統(tǒng)，直接承擔(dān)起推進(jìn)制造業(yè)切削技術(shù)進(jìn)步的重大任務(wù)和專(zhuān)業(yè)職責(zé)，也為切削技術(shù)和刀具的發(fā)展打開(kāi)了更加廣闊的空間。在傳統(tǒng)的機(jī)械制造企業(yè)里，企業(yè)要投入大量的人力、物力，成立專(zhuān)門(mén)的機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)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(duì)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(lái)越復(fù)雜，是一項(xiàng)十分專(zhuān)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(lái)越多的企業(yè)開(kāi)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(zhuān)業(yè)的工具制造商來(lái)做，通過(guò)專(zhuān)業(yè)化的刀具制造商，面向全球的資源，以更高的專(zhuān)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(duì)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(wèn)題方案”的經(jīng)營(yíng)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(dòng)的宗旨，并在擴(kuò)大企業(yè)綜合實(shí)力或提高專(zhuān)業(yè)化程度方面做了大量的工作，從而把切削技術(shù)和刀具新品的開(kāi)發(fā)既面向制造業(yè)主要工業(yè)部門(mén)的發(fā)展又針對(duì)個(gè)別用戶的需求， 緊密地與切削加工的一線實(shí)踐相結(jié)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(shù)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(shù)的速度明顯加快，產(chǎn)品更新或補(bǔ)充的速度每年可達(dá)10%～20%，每推出一種新牌號(hào)通�？商岣咔邢餍�率50%。國(guó)外某刀具公司稱(chēng)：在該公司的總銷(xiāo)售額中60%為開(kāi)發(fā)不到5年的產(chǎn)品，開(kāi)發(fā)不到3年的產(chǎn)品占35%，說(shuō)明在實(shí)踐中建立起來(lái)的科學(xué)的經(jīng)營(yíng)理念和企業(yè)宗旨，抓住了切削技術(shù)的實(shí)質(zhì)，符合刀具工業(yè)自身發(fā)展的規(guī)律。 
    在這個(gè)過(guò)程中，刀具工業(yè)完成了對(duì)自身價(jià)值在認(rèn)識(shí)上和實(shí)踐上的飛躍，刀具制造商不只是刀具實(shí)物的生產(chǎn)者和銷(xiāo)售商，意識(shí)到在新的形勢(shì)下，必須自覺(jué)成為推動(dòng)制造業(yè)發(fā)展和制造技術(shù)進(jìn)步的重要的專(zhuān)業(yè)化社會(huì)資源。觀念的變化產(chǎn)生了巨大的物質(zhì)力量，推動(dòng)刀具工業(yè)更快的發(fā)展，正在塑造出一個(gè)全新的刀具工業(yè)。 
    5 結(jié)語(yǔ)
    今天，從世界范圍看，刀具、切削技術(shù)和刀具工業(yè)都取得了很大的進(jìn)展，實(shí)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(qiáng)大的生命力已出現(xiàn)在制造業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，正在推動(dòng)著制造業(yè)中裝備制造、汽車(chē)、航空航天、模具等工業(yè)部門(mén)的發(fā)展。我國(guó)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(duì)制造技術(shù)中的切削技術(shù)有足夠的重視。一方面，我國(guó)的制造業(yè)要充分利用國(guó)內(nèi)外切削技術(shù)現(xiàn)有的成果，利用后發(fā)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展；另一方面，國(guó)家要大力扶植我國(guó)民族的刀具工業(yè)的發(fā)展，迅速縮小與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家刀具工業(yè)的差距，承擔(dān)起建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)的歷史重任。