21世纪初我国切削加工与刀具技术展望

121世纪初我国切削加工与刀具技术展望赵炳桢（成都工具研究所国家精密工具工程技术研究中心）摘要：制造技术已进入了先进制造技术的发展阶段，切削加工也进入了以发展高速切削、开发新的切削工艺和加工方法、提供成套技术为特征的发展新阶段。在21世纪初，切削加工作为制造技术的主要基础工艺的地位不会改变，但切削加工技术必须面对制造业发展和人类社会进步提出的双重挑战。我国工具界的专业技术人员在新世纪初必须挑起加快关键技术开发应用和观念更新的双重任务。在人类社会迈入21世纪的时候，从世界范围看，我们正处于制造技术快速发展的时期。切削加工作为制造技术的主要基础工艺，随着制造技术的发展，在20世纪末也取得了很大的进步，进入了以发展高速切削、开发新的切削工艺和加工方法、提供成套技术为特征的发展新阶段。是制造业中重要工业部门，如汽车工业、航空航天工业、能源工业、军事工业和新兴的模具工业、电子工业等部门，主要的加工技术，也是这些工业部门迅速发展的重要因素。因此，在制造业发达的美、德、日等国家保持着快速发展的势头。金属切削刀具作为数控机床必不可少的配套工艺装备，在数控加工技术的带动下，进入了“数控刀具”的发展阶段，显示出“三高一专”（即高效率、高精度、高可靠性和专用化）的特点。从当前制造业发展的趋势中可以看到，制造业发展和人类社会进步对切削加工提出的双重挑战，这也是21世纪初切削加工技术发展的主要趋势。第一，高速切削将成为切削加工的新工艺。当前以高速切削为代表的干切削、硬切削等新的切削工艺已经显示出很多的优点和强大的生命力，这是制造技术为提2高加工效率和质量、降低成本、缩短开发周期对切削加工的要求。因此，发展高速切削等新的切削工艺促进制造技术的发展是现代切削技术发展量显著的特点。当代的高速切削不是切削速度的少量提高，是需要在制造技术全面进步和进一步创新的基础上，包括数控机床、刀具材料、涂层、刀具结构等技术的重大进步，才能达到的切削速度和进给速度的成倍提高，并带动传统切削工艺的变革和创新，使制造业整体切削加工效率有显著的提高，表1是现阶段切削加工的最新水平。表1现阶段高速切削的技术水平铣削CBN铣削灰铸铁1000~2000m/minPCD铣削铝合金4000~7000m/min车削氮化硅陶瓷车削灰铸铁500~700m/minCBN车削淬火钢（HRC60）100~200m/minCBN车削灰铸铁刹车盘700~1000m/min钻削整体硬质合金钻头钻灰铸铁100m/min攻丝钴高速钢丝锥加工可锻铸铁（M14×1.5）61m/min滚齿硬质合金滚刀加工16MnCr5350m/min金属陶瓷滚刀加工16MnCr5600m/min硬切削是高速切削技术的一个应用领域，即用单刃或多刃刀具加工淬硬零件，它比传统的磨削加工有效率高、柔性好、工艺简单、投资少等优点，已在一些应用领域产生较好的效果。在汽车行业，用CBN刀具加工20CrMo5淬硬齿轮（60HRC）内孔，代替磨削，已成为国内外汽车行业推广的新工艺。在模具行业用CBN刀具高速精铣淬硬钢模具，可以采取小的走刀步距中间不接刀完成型面的精加工，大大减少抛光的工作量，显著缩短模具的开发周期，已成为模具制造业的一项新工艺。3在机床行业用CBN旋风精铣滚珠丝杠（64HRC），螺纹表面糙度Ra0.4μm，代替螺纹磨削；以及用硬质合金滚刀加工淬硬齿轮等，显现出很强的生命力。第二，实现难加工材料加工技术的重大突破。长期以来，难加工材料如奥氏体不锈钢、高锰钢、淬硬钢、复合材料、耐磨铸铁等一直是切削加工中的难题，切削效率低，刀具寿命短。随着制造业的发展，在21世纪这些材料的用量将迅速增加，加工的矛盾将更加突出。与此同时，产品的材料构成将不断优化，新的工程材料也不断问世，而每一种新型材料的采用都对切削加工提出了新的要求。如在切削加工比较集中的汽车工业，其发动机、传动器零件中的硅铝合金的比例在持续增加，并开始引入镁合金和新的高强度铸铁，以减轻汽车的重量和节省能耗。又如在航空航天工业，钛合金、镍基合金以及超耐热合金、陶瓷等难加工材料的应用比例和加工难度也都将进一步增加。能否高效加工这些材料，直接关系到我国汽车、航空航天、能源等重要工业部门的发展速度和制造业的整体水平，是对切削技术的最大挑战。我们必须从21世纪初开始探索从根本上解决难加工材料大量使用及其品种性能多样化带来的世纪性难题，创新加工技术，开发包括激光在内的新的“刀刃”和加工方法。第三，满足制造业对切削加工新技术和新产品空前高涨的需求。进入21世纪以后，产品多样化和个性化的趋势将进一步加剧，制造业的产品更新速度会大大加快。每一种新产品的开发都意味着零件功能、结构、材料的重大变更，也是对切削加工提出的开发任务，就像大家熟知的如螺杆泵、等速万向节、底径定心的花键、机床—刀具新型HSK接口、以及航空工业整体铝合金构件、电子工业印刷线路板等产品，无不反映着切削技术和刀具的成果。今后随着产品更新速度的加快，将构成对切削加工新的挑战。不仅如此，当前利用切削加工的柔性及现代切削加工和刀具技术的成果，革新零件加工方法，显示出投入少、产出大、见效快的特点。正如在九十年代新建的轿车发动机、传动器生产线上所集中展示的那样：缸体孔系的整体硬质合金钻削工艺、曲轴的“车--车拉”工艺、缸盖的金刚石高速铣削工艺、同4步器齿轮的筒式拉削工艺等新的加工工艺，使新建生产线的生产节拍时间缩短、产品质量提高，投资大量减少，充分显示出切削加工的巨大潜力。给企业在21世纪投资新项目、革新现有加工方法、增加企业竞争实力方面，如何发挥切削加工的特长作出了示范。在这种背景下，制造业对切削加工新技术、新产品的需求在21世纪初将达到空前的高度，这既是对切削技术的挑战，也是对我国制造行业阵旧观念的挑战。第四，迎接人类社会进步对切削加工的挑战。高速切削派生的另一项新工艺是高速切削。20世纪末叶，人类社会在地球环境保护、生态平衡等方面获得了高度共识，成为全球的共同行动纲领。当前，在制造业中一个以降耗、节能、节材、减废、有利于环境保护和人身健康的、实行清洁、安全生产的“绿色工程”已在工业发达国家兴起。实行“绿色工程”，开发“绿色制造技术”是新世纪切削加工发展的重要课题。首先，切削加工中的冷却润滑液对环境的污染和对操作者健康的伤害，成为当前治理的重点，但是对切削液所造成的危害的治理增加了制造的成本导致干切削新技术的开发，并出现了微量润滑切削、冷风切削等准干切削新工艺。当前倡导的干切削并不是简单地把原有工艺中的切削液去掉，降低切削效率，而是对传统切削工艺的重大变革，是为新世纪提供的一种清洁、安全、高效的新工艺，这是对切削技术包括刀具材料、涂层、结构的全面挑战。与此同时，节省刀具材料的贵重金属资源消耗，开发刀具重磨、回收等新技术也成为切削加工对人类文明和社会进步应尽的责任。面对制造业发展的要求和人类社会进步提出的双重挑战，要求我国从事切削加工的各类专业人员和企业领导在新世纪初必须挑起加快关键技术开发应用和观念更新的双重任务。第一是新型刀具材料的开发应用。刀具材料的发展是切削加工技术发展的首要因素。当前刀具材料的发展有两个重要的趋势：一是硬质合金刀具应用范围继续扩大，碳氮化钛基硬质合金（金属陶瓷）、超细颗粒硬质合金、梯度结构硬质合金及硬质合金与高速钢两种粉末复合的材料等将代替相当一部分高速钢刀具，包括钻头、立铣刀、丝锥等简单通用刀具和齿轮滚刀、拉刀等精密复杂刀具，使这一类刀具的切削速度有很大的提高。硬质合金将在刀具材料中占主导地位，覆盖大部分常规的5加工领域。二是超硬刀具材料的使用将明显增加。随着CBN韧性的进一步改善，它在切削刀具中的比例将有很大的提高。PCD和单晶金刚石是高效精密加工有色金属、陶瓷、玻璃、石墨等非金属材料最佳的刀具。随着汽车、航空航天、电子、军工等部门对这些材料需求的增加，PCD的应用也将更加广泛。第二是涂层技术的开发应用。刀具涂层技术自从问世以来，对刀具性能的改善和加工技术的进步起着非常重要的作用，涂层刀具已经成为现代刀具的标志，在刀具中的比例已超过50%。在21世纪初，涂层刀具的比例将进一步增加，有望在技术上突破CBN涂层技术，并且实用化，使CBN的优良性能在更多的刀具和切削加工中得到应用，甚至精密复杂刀具和成形刀具，这将全面提高加工黑色金属的切削水平。此外，纳米级超薄超多层涂层和氮化碳新型涂层材料的开发应用的速度将加快，涂层将成为改善刀具性能的主要途径。第三是多功能及专用刀具的开发应用。为了发挥以车削加工中心和镗铣类加工中心为代表的数控加工技术的优势，提高加工效率，对复杂零件的加工要求在一次装夹中进行多工序的集中加工，并淡化传统的车、铣、镗、螺纹加工等不同切削工艺的界限，是当前提高数控机床效率、加快产品开发的有效途径。为此，也对刀具提出了多功能的新要求，要求一种刀具能完成零件不同工序的加工，减少换刀次数，节省换刀时间，还可减少刀具的数量和库存量，有利于管理和降低制造成本。较常见有多功能车刀、铣刀，还有镗铣刀、钻铣刀、钻—铣螺纹—倒角等各种多功能刀具。与此同时，在批量生产线上，针对工艺需要开发的专用刀具或智能刀具，可以提高加工效率和精度，减少投资。有的专用刀具可将零件的加工时间降至原来的1/10以下，效果十分显著。第四是工具制造业要加快观念更新，把为用户提供成套切削加工技术、革新加6工方法作为发展方向和服务的内容。随着切削加工技术的进步，工具制造企业对参与并影响切削加工的因素有了更加科学的认识，并用于新产品、新技术开发，规格品种多达数万个。这对于一般用户来说，面对日新月异的刀具材料、涂层牌号、结构等的新产品和新技术，以及不断涌现的各种加工难题，很难正确地选择和应用工具行业的新成果，以达到最佳的效果。为此，工具企业要从现在以“卖刀具”为主走上为用户“提供成套切削技术，解决具体加工问题”的经营轨道，并根据自己产品的专业化方向，精通相应的切削工艺，不断创新开发新产品。另一方面，切削刀具的用户行业也要更新观念，在加快采用数控机床的同时要加大对刀具的投入，充分挖掘切削加工和刀具的潜力，提高产品的开发能力，利用工具行业这个专业力量及其成果为企业的发展和提高市场竞争力服务。此外，切削技术的发展要走机床、工具及产学研用紧密结合的发展路子，这是工业发达国家制造业，也是工具行业，正在走的发展道路，这些国家的做法反映了21世纪制造技术及切削加工发展的特点。目前，我国切削加工与刀具技术的水平与工业发达国家比较落后约20年，缩小这个差距，光有工具行业的努力是不够的，还必须有用户行业增加对刀具的投入，充分利用刀具在提高效率、降低成本、缩短交货期、加快新产品开发中的作用。国外有数据表明，刀具占制造成本为2.5~4%，但它却直接影响占制造成本20%的机床费用和38%的人工费用，因此，进给速度和切削速度每提高15~20%可降低制造成本10~15%。说明即使使用好的刀具会增加刀具的成本，但由于效率提高使机床费用和人工费用有很大的降低，这正是工业发达国家制造业所采取的经营策略之一。目前，我国由于普通机床及服役超期的机床占多数，加上人工费用较低，刀具对制造成本的影响到不了这个程度，但它投入少、见效快的特点很适合我国企业的现状，同样可以收到很好的效果。希望经过我国机床工具行业和制造业在21世纪初的共同努力，推动制造业的快速发展。