一、先進制造技術發(fā)展階段與思考

    1、當我們進入21世紀的時候，從世界范圍觀察，我們正處在先進制造技術空前快速發(fā)展的時期。由于數(shù)控機床（NC）的問世，發(fā)展一系列數(shù)控加工技術，如加工中心（MC）、柔性制造單元（FMC）、柔性制造系統(tǒng)（FMS）、計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）、甚至出現(xiàn)了與傳統(tǒng)機床完全不同的虛擬軸機床（又稱六條腿機床），和與機床同時相輔相成發(fā)展起來的高速加工新技術、新刀具、新工藝的緊密結合，使機械加工中的勞動強度大大降低，輔助時間大大縮短，產品質量和生產效率大大提高，成為制造業(yè)乃至全球經濟的發(fā)展起到巨大的推動作用。以美國為例，制造業(yè)在美國被譽為產出最多的經濟部門，在90年代為美國國內生產總值（GDP）增長的貢獻達到29%。

    2、今天，大力發(fā)展數(shù)控加工技術及裝備，已成為世界各國政府的戰(zhàn)略決策，用數(shù)控裝備武裝現(xiàn)代工業(yè)和改造傳統(tǒng)工業(yè)也成為世界各國制造業(yè)發(fā)展方向。在90年代后期如德、日、美、意四國的機床產值數(shù)控化率已達到51.75%以上。數(shù)控機床已成為當今制造技術的主要裝備，數(shù)控加工技術成為先進制造技術的主流，開創(chuàng)著整個現(xiàn)代制造業(yè)的新時代。黨的十六大明確指出：“大力振興裝備制造業(yè)”。新中國的裝備制造業(yè)經過幾代人的前仆后繼，尤其是20多年的改革開放和現(xiàn)代化建設，已經建立起比較完整、獨立的工業(yè)體系，具有了一定的物質技術基礎，總體生產規(guī)模已居世界第四位。許多經濟學家預測，中國將成為繼英國、美國、日本后的又一個“世界工廠”和“制造大國”。

    3．應當清醒地看到，我們雖然有了舉世公認的飛速發(fā)展，但與日新月異的世界制造業(yè)發(fā)展相比，無論在市場競爭力，產品水平和發(fā)展后勁上仍存在較大差距。僅就我國目前切削加工整體水平與先進工業(yè)國家相比相差20年，相當一部分生產企業(yè)還較普遍采用焊接式刀具，或幾十年一貫制的老工藝方法，這些都需要我們急待解決。為了促進生產力的發(fā)展，增強企業(yè)競爭力，我們只有抓住機遇，迎接挑戰(zhàn)，更新觀念，引進創(chuàng)新，大力推廣和采用新技術、新工藝、新材料，才能與時俱進改變我們的落后面貌。

    二、高速加工（高速切削）發(fā)展的必然趨勢

    1、首先回顧百年來切削發(fā)展史：1900年當時的刀具材料為碳素工具鋼，如果加工一根直徑φ100mm，長500mm的碳鋼軸件，需要100分鐘才能完成，而在2000年的今天，刀具材料為硬質合金涂層刀具和立方氮化硼刀具，加工上述同樣一根軸，僅需要一分鐘完成，切削效率提高100倍。充分說明機床和刀具技術發(fā)展到一個新的階段。切削加工（含磨削）不僅現(xiàn)在而在整個21世紀仍是機械制造業(yè)的主導加工方法，絕大部分機械零件需機械加工完成。目前切削加工約占整個機械加工工作量的95％，據有關專家估計，21世紀的切削加工仍將占機械加工的90％以上，因此提高切削加工水平仍然是一個重要的研究課題。

    2、提高切削效率首先要求機床不斷更新?lián)Q代，高速主軸采用陶瓷軸承，液體靜壓軸承、空氣靜壓軸承、磁浮軸承后，其主軸轉速可達10000－50000轉／分；小型機床可達100000轉／分。進給速度：滾珠絲杠可達40－60米／分，直線電機可達90－120米／分�？梢钥闯鲚o助運動已達到了主運動的水平，為高速加工創(chuàng)造了最重要的保證條件。再加上刀具新材料、新工藝、新結構的不斷研究創(chuàng)新，從而使切削加工進入了高速加工，即新一輪的高速與超高速切削發(fā)展新階段，與50年前的高速切削水平有了一個質的飛躍。    

    3、目前國際上對高速加工尚無統(tǒng)一定義。有兩種提法：一種是以切削速度在1000米/分以上稱為高速加工。另一種從被加工材料和刀具材料兩個方面考慮，即切削速度與進給速度高于常規(guī)值的5――10倍的加工方法稱為高速加工。舉例如下：    

    銑削：CBN銑削鑄鐵、切削速度可達1000－2000米／分。    

    PCD銑削鋁合金、切削速度可達4000－7000米／分。    

    車削：氮化硅陶瓷車削灰鑄鐵、切削速度可達500－700米／分。   

    CBN車削淬火鋼（HRC60），切削速度可達100－200米／分。    

    CBN車削鑄鐵剎車盤，切削速度可達700－1000米／分。  

    鉆削：整體硬質合金鉆頭鉆灰鑄鐵，切削速度可達100米／分。  

    攻螺紋：鈷高速鋼絲錐（M14×1.5）加工可鍛鑄鐵，切削速度可達61米／分。   

    滾齒：硬質合金滾刀加工16MnCr5，切削速度可達350米／分。

    金屬陶瓷滾刀加工16MnCr5，切削速度可達600米／分。   

    4、高速加工的機理：早期有薩洛蒙“采用較高的切削速度”理論，在1931年曾獲德國專利，文中指出：“在一定的切削速度（比常規(guī)加工高5-10倍）下，在切削刃處的切屑去除溫度將會開始降低……”“這種高速加工將……提高生產率�！睂嶒炓妶D：對于鋼鐵這種溫度降低程度較小，對于鋁和其它非金屬材料這種溫度降低程度較高。實踐證明：高速加工與常規(guī)加工相比，有許多突出的優(yōu)點：①單位時間的材料切除率可增加3－6倍；②切削力可降低30％以上，尤其是徑向切削力的大幅度減少，特別有利于薄壁細筋件（如航空、航天）的高速精密加工；③95－98％的切削熱被切屑帶走，工件可基本保持冷態(tài)；④高速加工時機床的激振頻率特別高，遠離“機床－刀具－夾具－工件”工藝系統(tǒng)的固有頻率，切削平穩(wěn)振動小，能加工出非常光潔、精密的零件，例如高速銑削高速車削常可達到磨削水平；⑤由于切屑是在瞬間被切離工件，工件表面的殘余應力非常小，這對航空航天工業(yè)產品有特殊重要的意義。  

    5、高速加工是一個系統(tǒng)工程，不是一種簡單的高切削速度加工。高速加工新工藝，包括：軟切削、硬切削、干切削、大走刀切削等。其中硬切削（切淬硬鋼件），干切削（無冷卻液）為代表，國際上提出了綠色機械加工的新概念。傳統(tǒng)機械加工主要有三個缺陷：①資源利用率不高；②對環(huán)境污染大；③損害人體健康。70年代以來，隨著世界經濟的發(fā)展，地球環(huán)境日趨惡化、據統(tǒng)計造成環(huán)境污染物有70％以上來自制造業(yè)，由于人們對環(huán)境意識的加強、對清潔生產和綠色制造提出了新的要求。目前德國有8％的企業(yè)采用干切削，預計今后5年內將有20％的企業(yè)采用干切削。美國和歐洲一些公司加工閘輪和印刷機零件，采用干切削加工鑄件鋼件都非常成功�？偟陌l(fā)展趨勢很快，但孔加工的干切削還是個瓶頸，不少專家學者花力氣研究，采用空氣射流冷卻、液氮射流冷卻、噴霧冷卻等方法，初步取得了成效。

    6、20世紀80年代以來，我國相繼從德、美、法、日等國引進多條較先進的轎車數(shù)控生產自動線，使我國的轎車工業(yè)得到空前發(fā)展。較典型的是來自德國的一汽――大眾捷達轎車和上海大眾桑塔納轎車自動生產線，處于國際20世紀90年代中期水平。其中應用了較實用的高速加工技術，其刀具材料的選用以超硬材料為主的高性能刀具材料，使銑削速度達2200米/分，鉆與鉸削速度達80-240米/分，車削速度達200米/分以上，拉削速度達10-25米/分，剃齒速度達170米/分�？准庸げ捎枚嗳袕秃系毒�，并以鉸擠削替代磨削和精密鏜削，在一次往復走刀中完成外元、端面、內孔的精加工，刀具轉速達3000轉/分，走刀速度達1.5-3米/分，精度可達5-7級，表面粗糙度值達Ra0.7μm。從中可部分了解到世界高速加工技術的概貌和發(fā)展趨勢。

    三、充分認識刀具在切削加工中的重要性

    1、在機械加工中，金屬切削機床和刀具作為切削加工的基礎工藝裝備，刀具被稱為機床的“牙齒”和“孿生兄弟”，無論是什么樣的金屬切削機床，都必須依靠這個“牙齒”才能發(fā)揮作用，離開這個“孿生兄弟”則一事無成。刀具性能和質量直接影響到數(shù)百萬臺機床生產效率的高低和加工質量的好壞，直接影響到整個機械制造工業(yè)的生產技術水平和經濟效益。所以說：“企業(yè)的紅利在刀刃上”，這是國外企業(yè)家的切身體會。古人云：“工欲善其事，必先利其器”，現(xiàn)代人說：“磨刀不誤砍柴功”，“把勁使在刀刃上”，這些都是我國勞動人民在長期的生產實踐活動中的經驗總結。

    2、現(xiàn)實生產說明“刀具雖小、潛力無窮”。如粗加工一根20萬千瓦發(fā)電機轉子軸，凈重30噸，鍛件毛坯60－70噸，廢切屑占了毛重50％以上，如果沒有一把高效刀具是不行的。又如精加工一個重型精密大齒輪，沒有一把80萬元的高性能高精度的滾刀也是不行的。國際上一位切削與機床方面的權威他對切削刀具的作用作了如下論說：“改進刀具對降低切削成本比其它任何單一過程的改變更具有潛力。合理地選擇和應用現(xiàn)代切削刀具是降低生產成本，獲得主要經濟效益的關鍵�！庇忠晃幻绹鴮＜襈.茲拉丁說：“一臺價值25萬元美元的NC機床，其效率的發(fā)揮在很大程度上取決于一把價值30美元立銑刀的性能”。所以常聽西方企業(yè)家說：“刀刃下生利”。

    3、現(xiàn)代科技水平的提高，設備更新?lián)Q代速度越來越加快，10至15年換一代，在這樣短期內賺回設備投資并創(chuàng)造出利潤，就要投資研究改進依靠刀具挖潛。據有關資料表明：刀具費用占制造成本2.4－4％，但它卻直接影響占制造成本里邊20％的機床費用和38％的人工費用。還有一種算法：機床與刀具投入比為9∶1到7∶3。只要刀具投資到位，切削速度和進給速度每提高15-20%可降低制造成本10-15%。所以買機床的同時，一定考慮配置好的刀具，才能高效運轉。還有，要做到三個耐用度（即最大生產率，最低成本和最大利潤率）要知道會把握，真正把錢花在刀刃上，生產上才能解渴。問題是人們的觀念跟不上，認為機床是固定資產、刀具是消耗品。造成“驢不死，不下磨”，“舍得花錢買先進設備低效率運轉，舍不得花錢買先進刀具高效挖潛”的怪現(xiàn)象。這是阻礙生產力發(fā)展的“絆腳石”和“攔路虎”。

    4、我國數(shù)控機床使用率低的原因：國外數(shù)控機床在兩班制工作下開動率達到60－70％，但國內許多用戶往往只能達到20－30％，其原因：①用戶盲目選購數(shù)控機床，致使“貨不對路”；②數(shù)控機床有關技術人員綜合素質低；③編程效率低；④維修時間長、維修工作跟不上；⑤數(shù)控機床的工作環(huán)境差距（電壓波動大、環(huán)境溫度、濕度變化及強電磁干擾等）；⑥數(shù)控機床管理水平低，生產技術準備工作滯后；⑦特別強調指出的是機床與刀具技術含量不匹配，“先進的機床、落后的刀具”，不懂得“門當戶對”，“好馬配好鞍”，“大材小用”使用不合理，設備潛力沒有充分發(fā)揮出來，也是造成巨大浪費的重要原因。

    四、刀具新材料的應用    

    1、目前各類切削刀具材料應用的構成比，據有關統(tǒng)計資料，今天大部分切屑是用涂層或末涂層硬質合金刀具切除的；即高速鋼刀具大約占全部刀具費用的65％，所切除的切屑僅占總切屑量的28％。而涂層或末涂層硬質合金刀具大約占全部刀具費用的33％，所切除的切屑卻占總切屑量的68％。而超硬刀具（立方氮化硼、金剛石）所占全部刀具使用面比例則很少，僅占1－3％，今后隨著高速加工的發(fā)展趨勢，硬切削、干切削的增加，這個比例將會大幅度提高。下面重點介紹的適用于高速切削的刀具材料主要有涂層刀具、金屬陶瓷（TiCN基硬質合金）刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼（CBN）和聚晶金剛石（PCD）超硬刀具等。

    2、涂層刀具材料：有物理涂層（PVD）和化學涂層（CVD）兩種，就是在刀具基體上涂覆金屬化合物薄膜，以獲得遠高于基體的表面硬度和優(yōu)良的切削性能�？稍诟咚黉�、硬質合金、金屬陶瓷、陶瓷、金剛石等材料上單涂層或多涂層，也可以由幾種材料復合涂層。涂層厚度為7-10μm，一般1-3層，德國瓦特公司涂200層。涂層材料主要有氮化鈦（TiN）、碳氮化鈦（TiCN）氮化鋁鈦（TiAIN），碳氮化鋁鈦（TiAICN）等，其中TiAIN在高速切削中性能優(yōu)異，其最高工作溫度可達800OC。近年來相繼開發(fā)的一些新型PVD硬涂層材料，如CBN、氮化碳（CNx）、Al2O3氮化物（TiN/NbN、TiN／VN）等，在高溫下具有良好的熱穩(wěn)定性，十分適合于高速切削。金剛石涂層刀具主要適用于加工有色金屬。此外，最新開發(fā)的納米涂層刀具材料，在高速切削中也具有廣闊的應用前景，如日本住友公司已開發(fā)出納米TiN/AIN復合涂層銑刀片，涂層共達2000層，每層涂層厚度為2.5μm。通常涂層刀具的壽命可比未涂層刀具提高2-5倍。

    3、金屬陶瓷刀具材料；金屬陶瓷具有較高的室溫硬度，高溫硬度及良好的耐磨性。金屬陶瓷材料主要包括高耐磨性TiC基硬質合金（TiC+Ni或Mo），高韌性TiC基硬質合金(Tic+TaC+WC),強韌TiN基硬質合金（TiCN+NbC）等。金屬陶瓷刀具可在300－500米／分的切削速度范圍內高速精車鋼和鑄鐵。其加工表面粗糙度低切削效率和刀具耐用度高。有資料表明；金屬陶瓷刀具可以刃磨出大前角（γ0=20°-25°）的銀白屑車刀銑刀，說明它的韌性和強度比陶瓷材料有很大的提高。    

    4、陶瓷刀具材料：具有更高的硬度，紅硬性和耐磨性，其缺點是脆性大，受沖擊載荷能力差，這也是幾十年來人們不斷對其改進的重點。陶瓷刀具材料主要有氧化鋁基和氮化硅基兩大類，是通過在氧化鋁和氮化硅基中分別加入碳化物、氮化物、硼化物、氧化物等得到的，此外還有多相陶瓷材料。目前國外開發(fā)的氧化鋁基陶瓷刀具約有20余個品種，約占陶瓷刀具總量2／3；氮化硅基陶瓷刀具約有10余個品種，約占陶瓷刀具總量的1／3。陶瓷刀具可在200－1000米／分的切削速度范圍內高速切削軟鋼材（如A3鋼）、淬火鋼、鑄鐵及其合金鋼等，其刀具耐用度為硬質合金刀具的10倍以上。

    5、立方氮化硼（CBN）刀具材料：CBN刀具具有極高的硬度及紅硬性，是高速精加工或半精加工淬火鋼、冷硬鑄鐵、高溫合金等的理想刀具材料。由于CBN刀具加工高硬度零件時可獲得良好的加工表面粗糙度，因此采用CBN刀具切削淬火鋼可實現(xiàn)“以切代磨”。由于CBN刀坯價格較高又考慮重磨等因素，一般是在可轉位硬質合金刀片的一個角上鑲焊上一塊CBN刀坯，刃磨出一個刀尖。研究證明，采用純CBN材料制成的刀具在許多情況下并不能獲得最佳加工效果，為此，國外已開發(fā)出各種成分配比的CBN刀片及CBN＋金屬陶瓷復合刀片，根據不同的加工用途，刀片中的CBN含量也相應變化。如：50％CBN含量的刀片，適于加工連續(xù)切削淬硬鋼（45－65HRC），80－90％CBN含量的刀片，適于高速切削鑄鐵（V＝500－1000米／分）或連續(xù)重載切削淬火鋼（45－65HRC）。用聚晶方法得到的聚晶立方氮化硼（PCBN）刀片的硬度高達3500-4500HV，可耐1300-1500℃高溫，已成為高速切削淬硬鋼的首選刀具。    

    6、聚晶金剛石（PCD）刀具材料；PCD材料具有高硬度、高耐磨性、高導熱性及低磨擦系數(shù)等特點，PCD刀具可實現(xiàn)有色金屬及耐磨非金屬材料的高速、高精度、高穩(wěn)定性加工。如采用鋁基體刀盤φ100、六齒高速銑刀的最高切削速度可達7000米／分。PCD顆粒的大小對刀具影響較大，如：PCD粒徑為10－25μm的PCD刀具適于切削加工Si含量≥12％的鋁合金（切削速度V＝300－1500米／分）及硬質合金；PCD粒徑為8－9μm的PCD刀具適于切削加工Si含量≤12％的鋁合金（切削速度V＝500－3500米／分）及通用非金屬材料；PCD顆粒徑為4－5μm的PCD刀具適于切削加工FRP、木材或純鋁等材料。     

    此外，高性能高速鋼、粉末冶金高速鋼、整體硬質合金等已成為制造滾刀、剃齒刀、插齒刀等齒輪刀具的主流刀具材料、可用于齒輪的高速切削，其切削速度可達150－180米／分，如再對其進行TiAIN涂層處理，則可應用于高速切削。

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