我國切削加工與刀具技術(shù)展望

    人類社會邁入21世紀(jì)的時候，從世界范圍看，我們正處于制造技術(shù)快速發(fā)展的時期。切削加工作為制造技術(shù)的主要基礎(chǔ)工藝，隨著制造技術(shù)的發(fā)展，在20世紀(jì)末也取得很大進(jìn)步，進(jìn)入了以發(fā)展高速切削、開發(fā)新的切削工藝和加工方法、提供成套技術(shù)為特征的發(fā)展新階段。它是制造業(yè)中重要工業(yè)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(shù)，也是這些工業(yè)部門迅速發(fā)展的重要因素。因此，在制造業(yè)發(fā)達(dá)的美、德、日等國家保持著快速發(fā)展的勢頭。金屬切削刀具作為數(shù)控機(jī)床必不可少的配套工藝裝備，在數(shù)控加工技術(shù)的帶動下，已進(jìn)入“數(shù)控刀具”的發(fā)展階段，顯示出“三高一�！保�即高效率、高業(yè)度、高可靠性和專用化）的特點(diǎn)。  

    1.二十一世紀(jì)初切削加工技術(shù)發(fā)展的主要趨勢 

   （1）高速切削將成為切削加工的新工藝 

    當(dāng)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(jīng)顯示出很多的優(yōu)點(diǎn)和強(qiáng)大的生命力，這是制造技術(shù)為提高加工效率和質(zhì)量、降低成本、縮短開發(fā)周期對切削加工提出的要求。因此，發(fā)展高速切削等新型切削工藝，促進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展是現(xiàn)代切削技術(shù)發(fā)展最顯著的特點(diǎn)。當(dāng)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(shù)全面進(jìn)步和進(jìn)一步創(chuàng)新上（包括數(shù)控機(jī)床、刀具材料、涂層、刀具結(jié)構(gòu)等技術(shù)的重大進(jìn)步），達(dá)到切削速度和進(jìn)給速度的成倍提高，并帶動傳統(tǒng)切削工藝的變革和創(chuàng)新，使制造業(yè)整體切削加工效率有顯著的提高，表1是現(xiàn)階段切削加工的最新水平。 

表1 現(xiàn)階段高速切削的技術(shù)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(zhì)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(zhì)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(shù)的一個應(yīng)用領(lǐng)域，即用單刃或多刃刀具加工淬硬零件，它與傳統(tǒng)的磨削加工相比，具有效率高、柔性好、工藝簡單、投資少等優(yōu)點(diǎn)，已在一些應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生較好的效果。在汽車行業(yè)，用CBN刀具加工20CrMo5淬硬齒輪（60RHC）內(nèi)孔，代替磨削，已成為國內(nèi)外汽車行業(yè)推廣的新工藝。在模具行業(yè)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(fā)周期，已成為模具制造業(yè)的一項新工藝。在機(jī)床行業(yè)用CBN旋風(fēng)銑精加工滾珠絲杠（64CRH）代替螺紋磨削，用硬質(zhì)合金滾刀加工淬硬齒輪等都顯現(xiàn)出很強(qiáng)的生命力。 

   （2）實現(xiàn)難加工材料加工技術(shù)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(fù)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(yè)的發(fā)展，21世紀(jì)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(chǎn)品的材料構(gòu)成將不斷優(yōu)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(yè)，其發(fā)動機(jī)、傳動器零件中硅鋁合金的比例在持續(xù)增加，并開始引入鎂合金和新的高強(qiáng)度鑄鐵以減輕汽車重量，節(jié)省能耗。又如在航空航天工業(yè)，、鈦合金、鎳基合金以及超耐熱合金、陶瓷等難加工材料的應(yīng)用比例和加工難度也都將進(jìn)一步增加，能否高效加工這些材料，直接關(guān)系到我國汽車、航空航天、能源等重要工業(yè)部門的發(fā)展速度和制造業(yè)整體水平，也是對切削技術(shù)的最大挑戰(zhàn)。我們必須從21世紀(jì)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(jì)性難題，創(chuàng)新加工技術(shù)，開發(fā)包括激光在內(nèi)的新“刀刃”和加工方法。 

   （3）滿足制造業(yè)對切削加工新技術(shù)和新產(chǎn)品空前高漲的需求  

    進(jìn)入21世紀(jì)以后，產(chǎn)品多樣化和個性化的趨勢將進(jìn)一步加劇，制造業(yè)的產(chǎn)品更新速度也勢必大大加快。每一種新產(chǎn)品的開發(fā)都意味著零件功能、結(jié)構(gòu)、材料的重大變更，也是對切削加工提出新的開發(fā)任務(wù)。如螺桿泵、等速萬向節(jié)、底徑定心花鍵、機(jī)床一刀具新型HSK接口、航空工業(yè)整體鋁合金構(gòu)件、電子工業(yè)印制線路板等產(chǎn)品，無不反映著切削技術(shù)和刀具的成果。不僅如此，當(dāng)前利用切削加工的柔性及現(xiàn)代切削加工和刀具技術(shù)的成果，革新零件加工方法，也顯示出投入少、產(chǎn)出大、見效快的特點(diǎn)。正如在20世紀(jì)90年代新建的轎車發(fā)電機(jī)、傳動器生產(chǎn)線上所集中展示的那樣：缸體孔系的整體硬質(zhì)合金鉆削工藝、曲軸的“車一車?yán)�”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(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍加快，產(chǎn)品質(zhì)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(yè)在21世紀(jì)投資新項目、革新現(xiàn)有加工方法、發(fā)揮切削加工特長、增加企業(yè)競爭實力方面作出了示范。這種背景下，制造業(yè)對切削加工新技術(shù)、新產(chǎn)品的需求在21世紀(jì)初將達(dá)到空前的高度，這既是對切削技術(shù)的挑戰(zhàn)，也是對我國制造行業(yè)傳統(tǒng)觀念的挑戰(zhàn)。  

   （4）迎接人類社會進(jìn)步對切削加工的挑戰(zhàn)  

    高速切削派生的另一項新工藝是干切削。20世紀(jì)末，人類社會在環(huán)境保護(hù)、生態(tài)平衡等方面獲得了高速共識，并成為全球的共同行動綱領(lǐng)。當(dāng)前，一個以降耗、節(jié)能、節(jié)材、減廢、有利于環(huán)境保護(hù)和人身健康的、實行清潔安全生產(chǎn)的“綠色工程”已在工業(yè)發(fā)達(dá)國家興起。實行“綠色工程”，開發(fā)“綠色制造技術(shù)”是新世紀(jì)切削加工發(fā)展的重要課題。切削加工中的切削液對環(huán)境的污染、對操作者健康的傷害，成為當(dāng)前治理的重點(diǎn)，但是對切削液所造成危害的治理增加了制造的成本，導(dǎo)致干切削新技術(shù)的開發(fā)，并出現(xiàn)了微量潤滑切削、冷風(fēng)切削等準(zhǔn)干切削新工藝。當(dāng)前倡導(dǎo)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(jìn)行傳統(tǒng)切削工藝的重大變革，為新世紀(jì)提供一種清潔、安全、高效的新工藝，這是對切削技術(shù)包括刀具材料、涂層、結(jié)構(gòu)的全面挑戰(zhàn)。而節(jié)省刀具材料的貴重金屬資源消耗，開發(fā)刀具重磨、回收等新技術(shù)也成為切削加工對人類文明和社會進(jìn)步應(yīng)盡的責(zé)任。
   

2.加快關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用 

   （1）新型刀具材料的開發(fā)應(yīng)用  

    刀具材料的發(fā)展是切削加工技術(shù)發(fā)展的首要因素。當(dāng)前刀具材料的發(fā)展有兩個重要的趨勢：一是硬質(zhì)合金刀具應(yīng)用范圍繼續(xù)擴(kuò)大，碳氮化鈦基硬質(zhì)合金（金屬陶瓷）、超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金、梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金及硬質(zhì)合金與高速鋼兩種粉末復(fù)合的材料等將代替相當(dāng)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(fù)雜刀具，使這一類刀具的切削速度有很大的提高。硬質(zhì)合金將在刀具材料中占主導(dǎo)地位，覆蓋大部分常規(guī)的加工領(lǐng)域。二是超硬刀具材料的使用將明顯增加，隨著CBN韌性的進(jìn)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(yīng)用也將更加廣泛。 

    （2）涂層技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用  

    刀具涂層技術(shù)自從問世以來，對刀具性能的改善和加工技術(shù)的進(jìn)步起著非常重要的作用，涂層刀具已經(jīng)成為現(xiàn)代刀具的標(biāo)志，在刀具中的比例已超過50%。在21世紀(jì)初，涂層刀具的比例將進(jìn)一步增加，有望在技術(shù)上突破CBN涂層技術(shù)，并且實用化，使CBN的優(yōu)良性能在更多的刀具和切削加工中得到應(yīng)用，甚至精密復(fù)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(fā)應(yīng)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(fā)應(yīng)用  

    為了發(fā)揮以車削加工中心和鏜銑類加工 中心為代表的數(shù)控加工技術(shù)的優(yōu)勢，提高加工效率，對復(fù)雜零件的加工要求在一次裝夾中進(jìn)行多工序的集中加工，并淡化傳統(tǒng)的車、銑、鏜、螺紋加工等不同切削工藝的界限，是當(dāng)前提高數(shù)控機(jī)床效率、加快產(chǎn)品開發(fā)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(shù)，節(jié)省換刀時間，以減少刀具的數(shù)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(chǎn)線上，使用針對工藝需要開發(fā)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(fā)展 

   （1）工具制造業(yè)要把為用戶提供成套切削加工技術(shù)、革新加工 方法作為發(fā)展方向和服務(wù)內(nèi)容。隨著切削加工技術(shù)的進(jìn)步，工具制造企業(yè)對參與并影響切削加工的因素有了更加科學(xué)的認(rèn)識，并用于新產(chǎn)品、新技術(shù)開發(fā)，規(guī)格品種多達(dá)數(shù)萬個。面對日新月異的刀具材料、涂層牌號、結(jié)構(gòu)等的新產(chǎn)品和新技術(shù)，以及不斷涌現(xiàn)的各種加工難題，一般用戶很難正確地選擇和應(yīng)用工具行業(yè)的新成果，以達(dá)到最佳的效果。為此，工具企業(yè)要從現(xiàn)在以“賣刀具”為主走上為用戶“提供成套切削技術(shù)，解決具體加工問題”的經(jīng)營軌道，并根據(jù)自己產(chǎn)品的專業(yè)化方向，精通相應(yīng)的切削工藝，不斷創(chuàng)新，開發(fā)新產(chǎn)品。 

   （2）切削刀具的用戶行業(yè)也要更新觀念，在加快采用數(shù)控機(jī)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(chǎn)品開發(fā)中的作用。國外有數(shù)據(jù)表明，刀具費(fèi)用占制度成本2.5%~4%，但它卻直接影響占制造成本20%的機(jī)床費(fèi)用和38%的人工費(fèi)用，因此，進(jìn)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(jī)床費(fèi)用和人工費(fèi)用有很大的降低，這正是工業(yè)發(fā)達(dá)國家制造業(yè)所采取的經(jīng)營策略之一。讓工具行業(yè)這個專業(yè)力量及其成果如何更好地為企業(yè)發(fā)展和提高市場競爭力服務(wù)，是各廠家積極思考的問題。 

   （3）切削技術(shù)的發(fā)展要走機(jī)床、工具及產(chǎn)學(xué)研用緊密結(jié)合的發(fā)展出有路子，這是工業(yè)發(fā)達(dá)國家制造業(yè)，也是工具行業(yè)正在走的發(fā)展道路，這些國家的做法反映了21世紀(jì)制造技術(shù)及切削加工發(fā)展的特點(diǎn)。 

    希望經(jīng)過我國機(jī)床工具行業(yè)和制造業(yè)在21世紀(jì)初的共同努力，為推動中國制造業(yè)的快速發(fā)展作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。