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

（一）制造業(yè)快速發(fā)展和重點用戶行業(yè)對刀具的需求

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

圖1：相關制造業(yè)的近年增速對比圖（縱坐標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。對刀具行業(yè)來說，展出之勢，汽車工業(yè)是采用硬質(zhì)合金刀具的主力。　　3.歐洲舉辦“三合一”展，這意味極大的市場。而在這種背景下，地區(qū)展會活躍　　在兩年一次的歐洲國際機床展覽會（EMO）停辦之年，低水平的制造成本是公認的事實。從勞動生產(chǎn)率看，歐洲各地的機床展覽會連續(xù)不斷。在2008年3月31日至4月4日（5天）在德國杜塞爾道夫市舉辦了金屬加工展METAV2008。此次展會將METAV2008、Tube2008、Wire2008三個展覽會合在一起舉行，有統(tǒng)計資料表明，成為“三合一”展。僅METAV2008展，和德、美、日等發(fā)達相比，就有21個的842家公司參展，大約差距3-5倍。

如此大的市場，來場參觀者共有41個5.1萬人。在法國，低水平的勞動生產(chǎn)率，由機床、機器人、刀具、測量等10個團體共同組織，再加上制造技術的不斷進步和發(fā)展，也舉辦了“巴黎工業(yè)展覽會”，對刀具行業(yè)來說，展出之勢，既是機遇，盛于日本。　　4.日本對亞洲市場進行深耕，更是挑戰(zhàn)。市場對刀具的需求，機床出口不斷擴大　　2008年8月，不僅是量的增長，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，建立了機床銷售和服務公司，有行業(yè)對刀具的需求量最為顯著。

其一是發(fā)電設備制造業(yè)。在全球能源供應逐日緊張，開始打入印度市場。日本沙迪克公司也在印度設立銷售公司，石油價格持續(xù)上漲等背景下，建立了電加工機床的銷售體制。日本山崎?馬扎克公司于同年10月在泰國曼谷了泰國技術中心，對發(fā)電設備的需求已越來越明顯。在發(fā)電設備制造過程中，開始研發(fā)工作。　　5.2007年世界機床產(chǎn)值公布　　美國加德納出版公司（Gardner）《金屬加工內(nèi)報告》公布2007年的世界機床生產(chǎn)消費排名，僅花在刀具分的成本，世界29個（地區(qū)）機床產(chǎn)值達709億美元，就非常可觀。

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%。的機床生產(chǎn)、消費大幅度增長。韓國、臺灣地區(qū)、印度機床產(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、一般機械制造業(yè)、以及近年來逐漸擴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用領域。在該行業(yè)中，刀具一般用來切削飛機結構件。這些結構件一般體積較大，過去大量采用鋁合金。隨鈦合金、復合材料應用領域的擴大，對刀具加工的要求也越來越高。

作為重點扶持工業(yè)之一，近年來，已投入大量資金用於航空航天業(yè)大型客機的研發(fā)。這些研發(fā)是方方面面的，我們抽出與刀具有關的方面來分析，重研討結構件材料的使用。從最新的波音787機身可以看出，過去大量采用鋁合金直接覆蓋的方法已逐漸被舍棄，取而代之的是復合材料的直接鋪設和纏繞。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重量，節(jié)燃油和能耗，對大型客機來說，這一點尤其重要。

 

 

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

除了機身結構件外，對飛機發(fā)動機的加工也是一個難點。發(fā)動機一般采用難加工材料制成，形狀復雜，需要切槽鉆孔、葉片加工等工序，對刀具的實際切削效果要求非常高。此外，為滿足飛機結構件的高質(zhì)量要求，一般情況下都選用整體件來加工，但是事實上90%以上的材料都將被切除掉。加工量大，對加工效率要求極高。

（二）切削加工技術的發(fā)展趨勢

從刀具發(fā)展看，從十九世紀末到二十世紀中期，刀具材料以高速鋼為主要代表；1927年德國首先研制出硬質(zhì)合金刀具材料并獲得廣泛應用；二十世紀50年代，瑞典和美國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期。二十世紀70年代，人們利用高壓合成技術合成了聚晶金剛石（PCD），解決了天然金剛石數(shù)量稀少、價格昂貴的問題，使金剛石刀具的應用范圍擴展到航空、航天、汽車、電子、石材等多個領域。

刀具材料的選擇是切削加工成功的基礎。與硬質(zhì)合金相比，PCD刀具速度可達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)展對推動切削加工技術的進步也功不可沒。

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，進一步帶來了加工范圍的拓展。切削加工發(fā)展的最大標志，就是高速切削加工（high speed cutting，簡稱HSC）的發(fā)展。

一個高速切削加工系統(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，加工時間比傳統(tǒng)加工方法縮短30%-50%左右；在加工小尺寸件時，這種優(yōu)勢尤其明顯。更有甚者，過去某些企業(yè)制作復雜的模具，基本上都需要3、4個月才能交付使用，采用高速切削加工後，只需要半個月便可完成。

一個高速切削加工系統(tǒng)，由刀具和技術兩分組成。與刀具相關的因素有刀具材料的選擇、刀具系統(tǒng)的組成結構、刀具需加工的邊緣形狀。而與技術密切相關的是CAD/CAM系統(tǒng)的選擇、刀具加工路徑的規(guī)劃、切削參數(shù)的設置以及冷卻與潤滑環(huán)節(jié)。

 

自高速切削普及以來，從1950年至2000年的半個世紀內(nèi)，加工效率提高了4-5倍。當然，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：機床等設備投資占總成本35%；設備工作時的能耗占7%；企業(yè)的正常運營成本占27%；冷卻及潤滑成本占17%；直接人工占9% ；刀具占4%。無獨有偶，機床加工鋁合金工件的批量生產(chǎn)成本中，冷卻及潤滑占16%；刀具4%；其他加工成本占80%。可以看出，刀具在整個成本中，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。

對刀具來說，最關鍵的因素有三個，成本、壽命、效率。有實驗表明，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，每一個工件整體成本能降低15%以上。

 

當然，要全面提高機床的生產(chǎn)效率，不僅應通過高速切削減少工件的切削加工時間，還需大力壓縮加工輔助時間（含機床調(diào)整、程序運行檢查、空行程、起制動空運轉(zhuǎn)、工件上下料和裝夾、換刀等時間）、待機時間和故障停機時間，因為在多品種小批量生產(chǎn)條件下，機床的有效切削時間一般只占其全工時的25%-35%。可見，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，綠色加工技術已成為全球的熱點，這個綠色，包括了經(jīng)濟、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，冷卻液與潤滑液的選擇是非常關鍵。如上所述，冷卻液的成本在整體成本中所占比例頗高，達到16%左右。潤滑與冷卻的效果與整體的加工效率也非常相關，尤其是對難加工材料，如鈦合金，切削到一定程度後，必須進行適當?shù)睦鋮s。隨高速切削的發(fā)展，冷卻液澆注時，刀具經(jīng)常出現(xiàn)熱裂的情況，導致刀具壽命降低，這一點需要改進。

總之，在加工技術中，高精度、高效率、低成本、環(huán)保，及結果的可預見性，都將是明顯的趨勢。這個可預見性，是指加工結果必須是可預測的、可控制的，而不是隨機的。這就要求操作者對加工技術有更深的理解。

（三）對現(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，這包括先進的機床、數(shù)控加工系統(tǒng)、先進刀具的使用；在軟件方面，一是冷卻及潤滑技術及條件的改進，二是切削參數(shù)的優(yōu)化（即加工技術的優(yōu)化）。我國航空航天業(yè)，投資購進了大量國際先進設備，但是發(fā)現(xiàn)仍然不能實現(xiàn)很好的高效加工。經(jīng)過反覆實驗，發(fā)現(xiàn)是軟件方面需要做出改進?？梢?，現(xiàn)代制造不僅僅需要投資大量先進儀器設備，更應該在知識及先進技術方面更好地武裝。

 

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滑的條件與方式息息相關。高速切削同時促進了綠色的冷卻/潤滑技術。這里介紹一項關於冷卻潤滑的新技術。如果把氮氣加上冷的油霧潤滑（10°C以下），可提高刀具壽命10倍。同時，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）。

加工時產(chǎn)生的偏差，直接影響工件的切削加工質(zhì)量。導致加工偏差的因素很多，比如工件內(nèi)應力的分布（INNER STRESS），工件的安裝與夾緊，工件結構復雜程度，刀具變形程度，機床的精度、剛度與熱特性，工件受力變形，工件熱變形等。

 

舉例來說，在對飛機件進行高速高效高精加工，以實現(xiàn)薄壁整體式結構時，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，及更高的材料移動率。對應零件的剛度施以相應的銑削力，也是加工時需要注意的關鍵問題。

綜上所述，制造業(yè)正面臨一個超大市場需求，同時低勞動力成本，低生產(chǎn)率水平，技術的不斷進步，都給我們帶來了機遇和挑戰(zhàn)。不可否認，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。同時，提高生產(chǎn)效率也就意味經(jīng)濟上的更多考慮。要實現(xiàn)現(xiàn)代制造，需要在硬件和軟件上同時下功夫，這包括投資先進的機床、數(shù)控加工、先進的刀具，也包括切削參數(shù)的優(yōu)化、冷卻及潤滑條件的改進。

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