制造業的發展與切削技術的進步
　　
　　從20世紀中期開始，由于微電子技術、信息技術、材料科學等科學技術所取得的豐碩成果及其工程化進度的加快，推動了制造業和制造技術的快速發展,到20世紀末，取得了顯著的進步，并為全球經濟的發展作出了重大的貢獻，被譽為全球經濟的發動機。
　　
　　總結這段歷史，回顧人類社會經濟和文明發展歷程，各國政府對制造業的重要性有了新的認識：即使在高科技及新興產業對經濟產生巨大促進作用的今天，制造業仍是國家經濟和綜合實力的基礎。重視和加快制造業的發展已成為世界各國尤其是像中國這樣發展中大國的強國之策，從而給制造業和制造技術的發展帶來了難得的機遇和新的挑戰。
　　
　　在此期間，作為制造技術基礎工藝的金屬切削技術也得到了迅速的發展，進入了以發展高速切削、開發新的切削工藝和加工方法、提供成套加工技術為特征的發展新階段。這是在制造技術全面進步和創新的基礎上，包括數控機床、控制系統、刀具材料、涂層技術、刀具結構等技術的全面進步，所產生的綜合效果，推動了切削加工技術的全面進步，使總體水平達到了一個新的高度。這一高度的主要特征和技術特點是高的切削速度(表1)，標志著切削加工技術進入了高速切削的新階段。

　　至今，高速切削已經成為先進制造技術的重要組成部分和顯著的標志之一，成為制造業中裝備制造工業、汽車工業、航空航天工業、模具工業等主要工業部門的關鍵技術。在工業發達國家，高速切削已是一項實用的新技術，積極開發應用高速切削新工藝成為企業提高加工效率和產品質量、降低制造成本、縮短交貨周期從而提高競爭實力的重要舉措，產生了顯著的技術經濟效益。因此，加快發展和應用以高速切削技術為代表的先進切削技術已成為各國制造業和制造技術各領域的共識。
　　
　　切削技術及刀具發展現狀
　　
　　第一，開創了高速切削等新工藝，全面提高了加工效率。
　　高速切削作為一種新的切削工藝顯示出獨特的優越性。首先，切削效率有顯著的提高，以轎車發動機的5大件加工為例，在近10年左右的時間里，生產效率提高了約1~2倍，如加工鋁合金缸蓋的PCD面銑刀，銑削速度已達4021m/min，進給速度5670mm/min，比我國90年代初引進的生產線又提高了一倍；又如精加工灰鑄鐵缸體的CBN面銑刀，銑削速度已達2000m/min，比傳統的硬質合金面銑刀提高了10倍。其次，高速切削還有利于提高產品質量、降低制造成本、縮短交貨周期。此外，在高速切削技術的基礎上，開發了干切削(準干切削、微量潤滑切削)、硬切削(以車代磨、以銑代磨)等新工藝，不僅提高了加工效率，改變了傳統不同切削加工的界限，而且開創了切削加工“綠色制造”的新時代。硬切削技術已成為汽車齒輪內孔精加工、淬硬模具加工實用的高效新工藝，圖1所示為加工65HRC的模具。
　　
　　與此同時，根據不同的加工要求還出現了高進給速度的高效加工工藝或高生產率加工工藝(HPM、HSM)，反映出高速切削技術的巨大發展潛力。
　　
　　第二，以硬質合金材料為主的各種刀具材料性能全面提高。
　　
　　硬質合金的性能不斷改進，應用面擴大，成為切削加工主要的刀具材料，對推動切削效率的提高起到了重要作用。首先是細顆粒、超細顆粒硬質合金材料的開發，顯著地提高了硬質合金材料的強度和韌性，用它制造的整體硬合金刀具，尤其是通用的量大面廣的中小規格的鉆頭、立銑刀、絲錐等刀具，用來代替傳統的高速鋼刀具，使切削速度和加工效率提高了數倍，把量大面廣的通用刀具帶入了高速切削的范圍，為切削加工全面進入高速切削階段打下了半壁江山。目前整體硬質合金刀具已成為國內外工具公司的常規產品，并將隨著整個切削加工水平的提高得到越來越廣泛的應用。目前，國內湖南鉆石硬質合金工具有限公司、上海工具廠有限公司、四平興工刃具有限公司等企業也都能生產整體硬質合金立銑刀、絲錐、鉆頭等系列產品，不僅如此，整體硬質合金還在一些復雜成形刀具中得到應用。其次，硬質合金加壓燒結等新工藝的開發和使用，提高了硬質合金的內在質量；以及針對不同加工的需求開發專用牌號的做法，又進一步提高了硬質合金的使用性能。在作為化學涂層硬質合金刀片牌號的基體材料時，開發了具有良好抗塑性變形能力和韌性表層的梯度硬質合金，提高了涂層硬質合金刀片的切削性能和應用范圍。
　　
　　陶瓷和金屬陶瓷刀具材料品種增多，強度和韌性提高，擴大了應用領域和加工范圍，在鋼材、鑄鐵的精加工、半精加工中代替硬質合金，提高了加工效率和產品質量。目前，這類刀具材料不僅可用在單件、小批生產，而且已用于流水線的批量生產中，并且因為價格較低，可作為干切削、硬切削的首選刀具。
　　
　　PCD、CBN超硬刀具材料韌性和制造工藝的改進，使應用領域不斷擴大。用CBN制造的缸孔鏜刀已可用在自動生產線上以及鑄鐵和淬硬件的加工中，并從精加工領域擴大到半精加工領域，使切削加工的效率大幅提高。鋁合金是航空工業和汽車工業的重要材料，高效加工鋁合金是這兩個工業部門的一項關鍵技術，目前由于用PCD制造的各種高性能刀具的廣泛應用，切削效率顯著提高，最高的切削速度已達7000m/min。產品已從原來車刀、面銑刀擴大到立銑刀、鉆頭、鉸刀、成形刀具等；PCD還是加工石墨、合成材料等非金屬材料唯一的高效刀具。可以預見，隨著CBN、PCD刀具的推廣，刀具品種將進一步增多，應用領域進一步擴大，在切削加工朝著高速、高效加工方向發展中起到領先的作用。
　　
　　在刀具材料發展中仍要提到高速鋼材料的發展，盡管高速鋼刀具與硬質合金刀具相比在全世界的銷售額以每年約5%的數量在減少，但是高性能的鈷高速鋼和粉末冶金高速鋼的使用量在不斷增加。這兩種高性能高速鋼已有很長的歷史，它們比普通的高速鋼有更好的耐磨性、紅硬性和使用的可靠性，尤其是粉末冶金高速鋼的性能更好，但由于價格高，過去主要用在航空航天工業加工難加工材料。隨著人們對切削加工效率的追求和觀念的轉變，這些高性能高速鋼的刀具首先在自動線上大量采用，如鉆頭、立銑刀、絲錐等通用刀具和齒輪刀具、拉刀等精密復雜刀具，收到了提高切削速度和加工質量、使用可靠和延長刀具壽命的效果。近幾年，用高性能高速鋼制造的上述刀具已擴大應用到一般的加工中，成為國外高速鋼刀具的常規產品。
　　
　　綜上所述，在各種刀具材料的發展中，硬質合金起著主導的作用，但其他刀具材料的性能也得到了顯著的改善，擴大了各自的應用領域，形成了各種刀具材料既有獨特優勢和使用范圍又相互取代補充的整體格局。可以說正是刀具材料的全面的迅速的發展為當今高速、高效率的金屬切削加工奠定了基礎。
　　
　　第三，涂層成為提高刀具性能的關鍵技術。
　　
　　刀具的涂層技術在現代切削加工和刀具的發展中起著十分重要的作用，自從問世以來發展非常迅速，尤其是近幾年取得了重大的進展。化學涂層(CVD)仍然是可轉位刀片的主要涂層工藝，開發了中溫CVD、厚膜三氧化二鋁、過渡層等新工藝，在基體材料改善的基礎上，使CVD涂層的耐磨性和韌性都得到提高；CVD金剛石涂層也取得了進展，提高了涂層表面光潔度，進入了實用的階段。目前，國外硬質合金可轉位刀片的涂層比例已達70%以上。在此期間，物理涂層(PVD)的進展尤為引人注目，在爐子結構、工藝過程、自動控制等方面都取得了重大進展，不僅開發了適應高速切削、干切削、硬切削的耐熱性更好的涂層，如超級TiAlN，及綜合性能更好的TiAlCN 通用涂層和DLC、W/C減摩涂層，而且通過對涂層結構的創新，開發了納米、多層結構，大幅度提高了涂層硬度和韌性。表2為瑞士PLATIT公司推出的最新涂層。
　　
　　PVD涂層技術的新進展，向我們展示了涂層技術對提高刀具性能的巨大潛力和獨特的優勢：可以通過對涂層工藝參數控制和靶材、反應氣體的調整不斷開發出新的涂層，以滿足加工多樣性的需要，是提高和改善刀具性能一項又快又好的技術，有著十分廣闊的應用前景。

　　第四，刀具結構的創新改變了傳統標準刀具千篇一律的面貌和單一的功能。
　　
　　隨著制造業的高速發展，汽車工業、航空航天工業以及模具行業等重點產業部門對切削加工不斷提出更高的要求，推動著可轉位刀具持續的發展。為汽車工業流水線開發的專用的成套的刀具，突破了傳統按需供刀、“閉門造刀”的做法，而成為革新加工工藝、提高加工效率、節省投資的重要工藝因素，發揮新的作用，下圖是WIDIA公司一把用于曲軸加工新工藝的高速銑刀。
　　
　　
　　模具工業的特點是高效、單件、小批生產、模具材料的硬度高加工難度大、形狀復雜、金屬切除量大、交貨周期短，成為推動可轉位刀具結構創新的強大動力，如多功能面銑刀、各種球頭銑刀、模塊式立銑刀系統、揷銑刀、大進給銑刀等等。回顧上世紀90年代以來切削加工的發展，模具工業還是今天高速切削、硬切削、干切削新工藝的發源地。
　　
　　為滿足航空航天工業高效加工大型鋁合金構件的需要，開發了結構新穎的鋁合金高速加工面銑刀等刀具，圖 4是Sandvik 公司的高速面銑刀，最高轉速可達24000r/min，切削速度為6000m/min。

　　與此同時，也出現了各種可轉位刀片的新結構，如用于車削的高效括光刀片、形狀復雜的帶前角的銑刀刀片、球頭立銑刀刀片、防甩飛的高速銑刀刀片等等。
　　
　　隨著五軸聯動數控工具磨床功能的完善及應用的普及，使立銑刀、鉆頭等標準通用刀具的幾何參數更加多樣化，改變了傳統標準刀具千篇一律的舊格局，可適應不同被加工材料和加工條件，切削性能相應提高。一些創新的結構還產生新的切削效果，如不等螺旋角立銑刀，它與標準立銑刀比較，不等螺旋角立銑刀可有效遏制刀具的振動，提高加工光潔度，可增加刀具的切削深度和進給速度。又如不同鉆尖形式、不同槽型的各種硬質合金鉆頭，下圖是上海工具廠有限公司推出的多種鉆頭及不同的鉆尖修磨形式，以適應加工不同的材料。
　　
　　硬質合金絲錐及硬質合金螺紋銑刀的開發，把螺紋加工的效率提高到高速切削的水平，尤其是硬質合金螺紋銑刀不僅加工效率高，而且通用性好，可節省刀具的費用。
　　
　　第五，快速發展的配套技術。
　　
　　切削加工的配套技術是隨著切削加工技術的進步而逐漸發展起來的，是現代切削技術不可缺少的組成部分，并與切削技術和刀具保持著快速同步的發展，包括刀柄與機床主軸之間的連接方式、刀具在刀柄里的夾緊方式、刀具系統平衡及刀具管理。
　　
　　雙面接觸的空心短錐刀柄(HSK)機床－刀具接口，由于可實現法蘭端面和錐柄的同時接觸，具有連接剛性好、定位精度高、且裝卸時間短等優點，隨著高速切削技術的推廣，得到了越來越廣泛的應用(如下圖)。

　　這種刀柄的結構形式現已成為正式的國際標準，并且也已被眾多的機床工具廠商所接受，紛紛推出帶HSK主軸接口的高速加工中心和帶HSK刀柄的工具系統或整體刀具，顯示出這種新型刀柄的強大生命力和很好的使用前景。與此同時，一些公司還開發了與HSK類似的刀柄結構，如Sandvik公司的Capto刀柄，Kennametal公司的KM刀柄。近年來，還出現了雙面接觸甚至三處接觸的7:24接口，以適應現有機床用于高速切削加工的需要。
　　
　　使用高速旋轉的刀具，還對刀具的裝夾提出了新的要求。要求裝夾精度高、徑向跳動<0.003mm、夾持剛性好、結構緊湊、并操作簡單。對用于裝模具銑刀的夾頭還要求懸伸長而外形尺寸小，便于刀具加工模腔內部。目前較常見的三種新型夾頭是：液壓夾頭、熱裝夾頭和力縮夾頭。液壓夾頭靠液壓腔的薄壁內套變形夾緊刀柄，與后兩種夾頭比較，套的變形量較大允許刀柄的直徑可略有變動，且油腔有消振的阻尼作用，使用方便，但薄壁套的夾持剛性較低且結構不對稱。熱裝夾頭是利用熱脹冷縮的原理在夾頭冷卻時將刀柄夾緊，這種夾緊方式由于夾緊可靠、結構緊湊對稱、外形尺寸小、懸伸長可適應模腔加工，目前應用較為廣泛。力縮夾頭是靠機械彈性變形產生夾緊力，省掉了熱縮夾頭加熱冷卻的時間和能源，使用方便并且軸向定位精度可控，操作簡單，但外形尺寸較大。
　　
　　此外，對高速旋轉的刀具還有平衡與安全的要求，刀具或工具系統由于結構的不對稱或制造、組裝的誤差帶來的偏心，相對于回轉中心會存在不平衡量，在高速旋轉時會產生周期性的徑向力，作用在主軸的軸承系統，甚至傳遞至機床的其它部位，影響加工質量、刀具壽命和機床的性能。為此，對高速旋轉刀具的許用不平衡量及最高使用轉速作出了規定；刀具制造商開發了各種可調平衡的刀具，或對用于高速切削的旋轉刀具、工具系統在裝入主軸前在動平衡機上先進行平衡，把不平衡量限制在一定的范圍里。為了減少刀具裝入主軸后產生的不平衡量(偏心量)，新推出的在線自動平衡技術，可在工作轉速下對主軸、刀柄和刀具作為一個轉子系統整體進行平衡。
　　
　　在高速切削時，刀具的轉速在10000~20000r/min以上甚至更高，此時，刀體、刀片、及刀片的夾緊零件受到很大離心力的作用，當轉速達到某一臨界值時，足以使刀片甩出，或者夾緊螺釘斷裂、甚至整個刀體破裂。一旦出現這些情況會造成設備或人身傷害事故，因此是應用高速切削技術必須加以防范的事情。為此，德國制定了高速旋轉刀具的安全規范，對刀具的設計、檢測、使用、平衡質量都作了嚴格的規定，這項規范已先后成為歐洲標準和國際標準。
　　
　　有資料表明，刀具的直接成本只占制造成本的2%~4%，而刀具使用、管理的簡接費用要占12%以上，科學的刀具管理能為用戶節省可觀的刀具費用，降低制造成本，因此開發刀具管理技術和相關的軟件、硬件已成為刀具制造商的業務范圍，可為用戶提供多種形式的刀具管理服務，從簡單的刀具物流管理到全部刀具業務的一攬子承包，后者包括刀具采購、鑒定、保管、現場服務、刀具重磨、工藝改進、項目開發等等。用戶企業可充分利用這種專業化的社會服務優勢，保持切削加工的高水平，并將主要精力用于企業核心技術的開發，取得了經濟技術的雙豐收。
　　
　　第六，工具行業新的經營模式。
　　
　　隨著切削技術的發展，工具行業正在經歷著經營機制的變革。面對著日益更新的生產模式和新的工件材料，“刀具”已不再是簡單的商品，一售了之，而是優化一個工序或一條生產線加工技術的重要工藝因素，刀具制造商必須能為用戶提供成套的加工技術，幫助用戶實現提高加工效率和產品質量、降低制造成本的目標，這已成為國外刀具制造商業務發展的方向和經營的宗旨。目前，刀具制造商通過各種形式的“為用戶服務”、“提供解決方案”等經營模式，把工具行業帶入了一個更高的發展階段。事實已經證明，國外刀具制造商的這種做法有利于制造業的發展，為用戶帶來更多的效益，受到用戶的歡迎。
　　
　　應用先進切削技術加快我國制造業的發展
　　
　　黨的十六大提出了全面建設小康社會和實現新型工業化的任務，吹響了我國由制造大國向制造強國進軍的號角。切削加工作為制造技術的基礎工藝，刀具作為基礎工藝裝備，在這歷史性的大進軍中處于第一線的位置，先進的切削技術和刀具是我國發展汽車工業、航空航天工業、能源工業和配套的模具工業必備的前提條件。在這樣的大好機遇面前，我們要充分利用先進的切削技術和刀具，為發展我國的制造業服務。
　　
　　為此，我國的工具工業正在加快與世界工具工業的接軌，通過技術改造引進先進的工藝裝備和技術，開發生產一流的刀具產品。我國工具行業的兩個排頭兵－株洲硬質合金集團和上海工具廠有限公司率先進行了高起點、大投入的技術改造，使我國制造可轉位刀片(具)和整體硬質合金刀具的技術接近世界先進水平。與此同時，國外工具公司面對我國制造業快速發展的大好形勢和廣濶前景，加快了在中國實現本地化生產或服務的步伐，以降低制造成本、提高服務能力、縮短交貨周期，應該說，外國刀具公司進軍中國市場為我們應用先進刀具改造傳統制造業提供了十分有利的條件。我們要抓住這個有利時機，積極采用先進刀具，為提高企業的加工技術和競爭實力服務，迎接經濟全球化的挑戰。
　　在企業加快應用先進切削技術時，各企業的情況不同，具體做法也不一樣，但以下幾點可作為共同的思路：
　　
　　采用高性能刀具材料制作的刀具，包括整體硬質合金刀具、氮化硅陶瓷刀具、CBN和PCD刀具、高性能高速鋼刀具等，針對生產的具體情況一種一種引入，一步一步往前推，定會收到很好的效果；目前國內的刀具制造廠也可部分供應這些刀具產品。
　　
　　大力采用涂層刀具。我國涂層刀具的使用比例很低，有著很大的推廣使用空間。應根據加工的條件和需要選用合適的涂層牌號，以取得理想的效果。
　　
　　大力采用可轉位刀具。可轉位刀具在我國推廣已多年，但由于種種原因進展還不夠快，發展也不平衡。然而在此期間可轉位刀具的技術已有了新的進展，品種迅速增多，并朝著更加高效、更加適用的方向發展，開發了曲線刃銑刀刀片、帶修光刃的車削刀片和通用性好的圓刀片、八角刀片等產品，應用的潛力很大，積極推廣可轉位刀具應成為企業技術改造的重要項目。下圖是湖南鉆石切削刀具股份有限公司開發的曲線刃刀片銑刀。

　　對于大批量流水生產線的企業，要借鑒國外的經驗，走開發新工藝和專用刀具的路子，提高效率降低成本，或者開發組合刀具集中工序提高效率減少投資。這樣的工作要與機床制造商、刀具制造商結合起來搞才能收到成效，這是工業發達國家成熟的做法。
　　
　　對于單件小批生產模式的企業，要采用高效的新型刀具，如內冷卻鉆頭、前刀面波形立銑刀等。其次可采用多功能通用刀具，一刀多用，減少換刀時間。還要打破傳統的鉆、銑、磨等工藝界限，通過以銑代鉆、以鉆代銑、以銑代攻(螺紋)、以車代磨等工藝轉換取得新的加工效果。此外，加強刀具管理，減少庫存，降低刀具費用。
　　
　　在采用先進刀具新技術時，企業要走社會化的路子，要依靠工具制造商、經銷商的技術力量。在當前新的工件材料、刀具材料、涂層牌號層出不窮的情況下，刀具品種成千上萬，只有借助他們的專業人員的幫助才能選擇正確的刀具，達到預期的目標，這也是目前國外工具制造商積極提倡的“系統供應”、“提供解決方案”的經營理念要達到的目的。其次，要打破對刀具費用的不正確觀念－－認為好刀具“太貴”花不來，正是這種觀點長期影響著我國切削技術的進步和民族工具工業的發展。刀具再“貴”也只占制造成本的2%~4%(在我國多數企業還不到2%)，只有用了“貴”的好刀，提高了效率才能大大降低單件的成本，增加企業的效益，最終取得投入少產出多的效果。通過具體的加工實例可以證明，刀具的費用分攤到每個產品上不是多了反而是少了。
　　
　　最后，希望通過大家的努力把本單位的切削技術搞上去，共同為推動我國制造業和制造技術的進步作出貢獻。