界新聞高速、高效、環(huán)保：現(xiàn)代刀具切削加工技術(shù)的重要趨勢(shì)年世界

（一）制造業(yè)快速發(fā)展和重點(diǎn)用戶行業(yè)對(duì)刀具的需求

從世界范圍觀察制造業(yè)的發(fā)展，收購(gòu)日本占世界第五位的硬質(zhì)合金刀具公司。同時(shí)，相關(guān)近些年制造業(yè)的平均增速如圖1所示。

圖1：相關(guān)制造業(yè)的近年增速對(duì)比圖（縱坐標(biāo)為年平均增速百分比）

由此圖可以看出，該日本硬質(zhì)合金刀具公司與ASG公司的資金、合作解除。目前，制造業(yè)近年發(fā)展迅速。對(duì)刀具行業(yè)來說，展出之勢(shì)，汽車工業(yè)是采用硬質(zhì)合金刀具的主力?！　?.歐洲舉辦“三合一”展，這意味極大的市場(chǎng)。而在這種背景下，地區(qū)展會(huì)活躍　　在兩年一次的歐洲國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)（EMO）停辦之年，低水平的制造成本是公認(rèn)的事實(shí)。從勞動(dòng)生產(chǎn)率看，歐洲各地的機(jī)床展覽會(huì)連續(xù)不斷。在2008年3月31日至4月4日（5天）在德國(guó)杜塞爾道夫市舉辦了金屬加工展METAV2008。此次展會(huì)將METAV2008、Tube2008、Wire2008三個(gè)展覽會(huì)合在一起舉行，有統(tǒng)計(jì)資料表明，成為“三合一”展。僅METAV2008展，和德、美、日等發(fā)達(dá)相比，就有21個(gè)的842家公司參展，大約差距3-5倍。

如此大的市場(chǎng)，來場(chǎng)參觀者共有41個(gè)5.1萬(wàn)人。在法國(guó)，低水平的勞動(dòng)生產(chǎn)率，由機(jī)床、機(jī)器人、刀具、測(cè)量等10個(gè)團(tuán)體共同組織，再加上制造技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，也舉辦了“巴黎工業(yè)展覽會(huì)”，對(duì)刀具行業(yè)來說，展出之勢(shì)，既是機(jī)遇，盛于日本?！　?.日本對(duì)亞洲市場(chǎng)進(jìn)行深耕，更是挑戰(zhàn)。市場(chǎng)對(duì)刀具的需求，機(jī)床出口不斷擴(kuò)大　　2008年8月，不僅是量的增長(zhǎng)，日本建業(yè)公司與印度最大磨床生產(chǎn)企業(yè)合作，更重要的是質(zhì)的提高。從用戶行業(yè)看，建立了機(jī)床銷售和服務(wù)公司，有行業(yè)對(duì)刀具的需求量最為顯著。

其一是發(fā)電設(shè)備制造業(yè)。在全球能源供應(yīng)逐日緊張，開始打入印度市場(chǎng)。日本沙迪克公司也在印度設(shè)立銷售公司，石油價(jià)格持續(xù)上漲等背景下，建立了電加工機(jī)床的銷售體制。日本山崎?馬扎克公司于同年10月在泰國(guó)曼谷了泰國(guó)技術(shù)中心，對(duì)發(fā)電設(shè)備的需求已越來越明顯。在發(fā)電設(shè)備制造過程中，開始研發(fā)工作?！　?.2007年世界機(jī)床產(chǎn)值公布　　美國(guó)加德納出版公司（Gardner）《金屬加工內(nèi)報(bào)告》公布2007年的世界機(jī)床生產(chǎn)消費(fèi)排名，僅花在刀具分的成本，世界29個(gè)（地區(qū)）機(jī)床產(chǎn)值達(dá)709億美元，就非?？捎^。

模具制造業(yè)也是刀具用量最大的行業(yè)之一。在模具制造過程中，比2006年增18%。的機(jī)床生產(chǎn)、消費(fèi)大幅度增長(zhǎng)。韓國(guó)、臺(tái)灣地區(qū)、印度機(jī)床產(chǎn)值均有2位數(shù)增加，成型模、熱作模、冷作模、塑模等幾乎所有環(huán)節(jié)中，都需要用到刀具。此外，汽車、高速列車、一般機(jī)械制造業(yè)、以及近年來逐漸擴(kuò)大用量的木材加工業(yè)，都已成為刀具行業(yè)的主要用戶。

航空航天業(yè)是最傳統(tǒng)的、也是最為重要的刀具應(yīng)用領(lǐng)域。在該行業(yè)中，刀具一般用來切削飛機(jī)結(jié)構(gòu)件。這些結(jié)構(gòu)件一般體積較大，過去大量采用鋁合金。隨鈦合金、復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，對(duì)刀具加工的要求也越來越高。

作為重點(diǎn)扶持工業(yè)之一，近年來，已投入大量資金用於航空航天業(yè)大型客機(jī)的研發(fā)。這些研發(fā)是方方面面的，我們抽出與刀具有關(guān)的方面來分析，重研討結(jié)構(gòu)件材料的使用。從最新的波音787機(jī)身可以看出，過去大量采用鋁合金直接覆蓋的方法已逐漸被舍棄，取而代之的是復(fù)合材料的直接鋪設(shè)和纏繞。此外，鈦合金的用量也在增加。與過去相比，新的方法可大大降低飛機(jī)重量，節(jié)燃油和能耗，對(duì)大型客機(jī)來說，這一點(diǎn)尤其重要。

 

 

鈦合金是公認(rèn)的難加工材料。只需要鋪設(shè)和纏繞的復(fù)合材料看似不需要很大的加工量，但是對(duì)加工質(zhì)量的要求卻越來越高。對(duì)刀具行業(yè)來說，展出之勢(shì)，這都是不小的挑戰(zhàn)。

除了機(jī)身結(jié)構(gòu)件外，對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的加工也是一個(gè)難點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用難加工材料制成，形狀復(fù)雜，需要切槽鉆孔、葉片加工等工序，對(duì)刀具的實(shí)際切削效果要求非常高。此外，為滿足飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的高質(zhì)量要求，一般情況下都選用整體件來加工，但是事實(shí)上90%以上的材料都將被切除掉。加工量大，對(duì)加工效率要求極高。

（二）切削加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

從刀具發(fā)展看，從十九世紀(jì)末到二十世紀(jì)中期，刀具材料以高速鋼為主要代表；1927年德國(guó)首先研制出硬質(zhì)合金刀具材料并獲得廣泛應(yīng)用；二十世紀(jì)50年代，瑞典和美國(guó)分別合成出人造金剛石，切削刀具從此步入以超硬材料為代表的時(shí)期。二十世紀(jì)70年代，人們利用高壓合成技術(shù)合成了聚晶金剛石（PCD），解決了天然金剛石數(shù)量稀少、價(jià)格昂貴的問題，使金剛石刀具的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到航空、航天、汽車、電子、石材等多個(gè)領(lǐng)域。

刀具材料的選擇是切削加工成功的基礎(chǔ)。與硬質(zhì)合金相比，PCD刀具速度可達(dá)4000 m/min，而硬質(zhì)合金只有其1/4。從壽命上看，PCD刀具一般能提高20倍。從加工出的表面質(zhì)量看，PCD的效果比硬質(zhì)合金要好30%-40%。此外，CBN（立化氮化硼）超硬材料刀具和表面涂層刀具的發(fā)展對(duì)推動(dòng)切削加工技術(shù)的進(jìn)步也功不可沒。

100多年來，刀具的切削速度不斷提高，帶來了加工效率的變化，進(jìn)一步帶來了加工范圍的拓展。切削加工發(fā)展的最大標(biāo)志，就是高速切削加工（high speed cutting，簡(jiǎn)稱HSC）的發(fā)展。

一個(gè)高速切削加工系統(tǒng)所涉及的方面很多。僅從加工過程上看，傳統(tǒng)的切削加工，一個(gè)被加工工件如模具，需要經(jīng)過毛坯退火―粗加工―精加工―淬火―EDM 準(zhǔn)備―電火花加工―特別的精加工―人工拋光等程序。而高速加工僅需要毛坯的淬火― 粗加工―半精加工―精加工以及超精加工等環(huán)節(jié)，從步驟上來說，就減少了三個(gè)，加工時(shí)間比傳統(tǒng)加工方法縮短30%-50%左右；在加工小尺寸件時(shí)，這種優(yōu)勢(shì)尤其明顯。更有甚者，過去某些企業(yè)制作復(fù)雜的模具，基本上都需要3、4個(gè)月才能交付使用，采用高速切削加工後，只需要半個(gè)月便可完成。

一個(gè)高速切削加工系統(tǒng)，由刀具和技術(shù)兩分組成。與刀具相關(guān)的因素有刀具材料的選擇、刀具系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、刀具需加工的邊緣形狀。而與技術(shù)密切相關(guān)的是CAD/CAM系統(tǒng)的選擇、刀具加工路徑的規(guī)劃、切削參數(shù)的設(shè)置以及冷卻與潤(rùn)滑環(huán)節(jié)。

 

自高速切削普及以來，從1950年至2000年的半個(gè)世紀(jì)內(nèi)，加工效率提高了4-5倍。當(dāng)然，需要提到的是，高速切削一般是由其加工物件來定義其“高速”的范圍。

刀具在全加工成本中所占比重并不大。我們以汽車業(yè)某制造過程為例來分析：機(jī)床等設(shè)備投資占總成本35%；設(shè)備工作時(shí)的能耗占7%；企業(yè)的正常運(yùn)營(yíng)成本占27%；冷卻及潤(rùn)滑成本占17%；直接人工占9% ；刀具占4%。無獨(dú)有偶，機(jī)床加工鋁合金工件的批量生產(chǎn)成本中，冷卻及潤(rùn)滑占16%；刀具4%；其他加工成本占80%?？梢钥闯?，刀具在整個(gè)成本中，僅占了極小的一分。但是，不可忽視的是，這4%成本的刀具，卻可能影響到10%-15%的整體加工效率。

對(duì)刀具來說，最關(guān)鍵的因素有三個(gè)，成本、壽命、效率。有實(shí)驗(yàn)表明，若刀具成本降低30%，整體成本大約降低1%；若提高50%的刀具壽命，整體成本大約降低1%；但是，若盡可能的優(yōu)化切削參數(shù)，提高20%的刀具加工效率，那麼，每一個(gè)工件整體成本能降低15%以上。

 

當(dāng)然，要全面提高機(jī)床的生產(chǎn)效率，不僅應(yīng)通過高速切削減少工件的切削加工時(shí)間，還需大力壓縮加工輔助時(shí)間（含機(jī)床調(diào)整、程序運(yùn)行檢查、空行程、起制動(dòng)空運(yùn)轉(zhuǎn)、工件上下料和裝夾、換刀等時(shí)間）、待機(jī)時(shí)間和故障停機(jī)時(shí)間，因?yàn)樵诙嗥贩N小批量生產(chǎn)條件下，機(jī)床的有效切削時(shí)間一般只占其全工時(shí)的25%-35%?？梢?，除高速切削外，如何更加有效的加工，是制造業(yè)面臨的重要課題之一。

目前，綠色加工技術(shù)已成為全球的熱點(diǎn)，這個(gè)綠色，包括了經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效。從環(huán)保角度看，一方面是高速高效加工帶來能耗的降低，另一方面，冷卻液與潤(rùn)滑液的選擇是非常關(guān)鍵。如上所述，冷卻液的成本在整體成本中所占比例頗高，達(dá)到16%左右。潤(rùn)滑與冷卻的效果與整體的加工效率也非常相關(guān)，尤其是對(duì)難加工材料，如鈦合金，切削到一定程度後，必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)睦鋮s。隨高速切削的發(fā)展，冷卻液澆注時(shí)，刀具經(jīng)常出現(xiàn)熱裂的情況，導(dǎo)致刀具壽命降低，這一點(diǎn)需要改進(jìn)。

總之，在加工技術(shù)中，高精度、高效率、低成本、環(huán)保，及結(jié)果的可預(yù)見性，都將是明顯的趨勢(shì)。這個(gè)可預(yù)見性，是指加工結(jié)果必須是可預(yù)測(cè)的、可控制的，而不是隨機(jī)的。這就要求操作者對(duì)加工技術(shù)有更深的理解。

（三）對(duì)現(xiàn)代制造方式的探討

何謂現(xiàn)代制造？首先是硬件方面的現(xiàn)代，這包括先進(jìn)的機(jī)床、數(shù)控加工系統(tǒng)、先進(jìn)刀具的使用；在軟件方面，一是冷卻及潤(rùn)滑技術(shù)及條件的改進(jìn)，二是切削參數(shù)的優(yōu)化（即加工技術(shù)的優(yōu)化）。我國(guó)航空航天業(yè)，投資購(gòu)進(jìn)了大量國(guó)際先進(jìn)設(shè)備，但是發(fā)現(xiàn)仍然不能實(shí)現(xiàn)很好的高效加工。經(jīng)過反覆實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)是軟件方面需要做出改進(jìn)。可見，現(xiàn)代制造不僅僅需要投資大量先進(jìn)儀器設(shè)備，更應(yīng)該在知識(shí)及先進(jìn)技術(shù)方面更好地武裝。

 

切削參數(shù)方面的調(diào)整，在不同企業(yè)有不同做法，是見仁見智的事情，這里就不再贅述。從刀具本身來說，最重要的，是提高刀具的使用壽命。如上所述，刀具使用壽命與冷卻潤(rùn)滑的條件與方式息息相關(guān)。高速切削同時(shí)促進(jìn)了綠色的冷卻/潤(rùn)滑技術(shù)。這里介紹一項(xiàng)關(guān)於冷卻潤(rùn)滑的新技術(shù)。如果把氮?dú)饧由侠涞挠挽F潤(rùn)滑（10°C以下），可提高刀具壽命10倍。同時(shí)，可提高加工效率，減少污染，提高表面加工質(zhì)量。特別適合難加工材料，如鈦合金的加工（圖4）。

加工時(shí)產(chǎn)生的偏差，直接影響工件的切削加工質(zhì)量。導(dǎo)致加工偏差的因素很多，比如工件內(nèi)應(yīng)力的分布（INNER STRESS），工件的安裝與夾緊，工件結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，刀具變形程度，機(jī)床的精度、剛度與熱特性，工件受力變形，工件熱變形等。

 

舉例來說，在對(duì)飛機(jī)件進(jìn)行高速高效高精加工，以實(shí)現(xiàn)薄壁整體式結(jié)構(gòu)時(shí)，為避免發(fā)生加工偏差，最重要的是保證低切削力，低熱偏差，及更高的材料移動(dòng)率。對(duì)應(yīng)零件的剛度施以相應(yīng)的銑削力，也是加工時(shí)需要注意的關(guān)鍵問題。

綜上所述，制造業(yè)正面臨一個(gè)超大市場(chǎng)需求，同時(shí)低勞動(dòng)力成本，低生產(chǎn)率水平，技術(shù)的不斷進(jìn)步，都給我們帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。不可否認(rèn)，高質(zhì)量、高效率、低成本以及環(huán)保都是現(xiàn)代制造的趨勢(shì)。同時(shí)，提高生產(chǎn)效率也就意味經(jīng)濟(jì)上的更多考慮。要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代制造，需要在硬件和軟件上同時(shí)下功夫，這包括投資先進(jìn)的機(jī)床、數(shù)控加工、先進(jìn)的刀具，也包括切削參數(shù)的優(yōu)化、冷卻及潤(rùn)滑條件的改進(jìn)。

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