智能加工的刀具

切削技术和刀具是装备制造业的基础工艺和关键技术，不仅决定零件加工效率的高低和加工质量的好坏，而且对降低加工成本起到举足轻重的作用。

1. 我国刀具行业发展的历程

我国刀具行业的发展历程可从20世纪60年代的计划经济时期说起，那时刀具行业由两部分组成: 一部分是专业的工具厂，批量生产通用标准刀具如麻花钻、立铣刀、丝锥和精密复杂刀具等高速钢刀具; 另一部分是附属于各机械工厂的工具车间或工具分厂，承担着工厂自用的非标刀具以及焊接式的硬质合金车刀、铣刀的制造。同时，决定刀具性能最重要的刀具材料由冶金部管辖的钢铁厂和硬质合金厂生产，而大多数工具厂和机械加工厂属于机械部或机械行业。这种计划体制的模式在新中国成立初期起到了积极作用，但是后期出现了一些问题: 专业工具厂的产品雷同，产品经五金公司销售给用户，工具厂与刀具用户之间较少发生联系，专业刀具厂没有起到提高切削加工水平应有的作用，因此其在制造业中的重要性也被严重低估; 由于受条块分割和利益机制的限制，刀具行业对发展刀具材料的强烈愿望得不到刀具材料生产厂的有力支持，制约了刀具性能的提高和切削技术的进步。直到改革开放以后，在对国企的改革中原来的工具车间消失了，工具分厂被分离出来成立专业的刀具企业，成为工具行业的一员;后来在政府体制改革中冶金部和机械部都精简了。在刀具材料深加工巨大市场的吸引下，我国原冶金部等系统的硬质合金企业改制为刀具公司，如株洲硬质合金集团把硬质合金刀具材料和刀具业务分离出来成立了株洲钻石切削刀具股份有限公司，成为工具行业的一员。这样，一个统一的工具行业共同挑起发展我国切削技术，提高切削加工水平的重担，至今已取得了显著的成绩。

2. 从国内外一些刀具企业的发展中所得到的启迪

从世界范围分析当代刀具行业的组成，可以明显看到由两类企业组成，可称为二元结构。一类是少数具有强大综合实力的以研发和生产硬质合金刀具为主的公司，它们具有研发硬质合金材料的优势、先进的装备条件、强大的人才队伍和营销网络，开发和销售高性能的刀具品种。产品主要是车刀、铣刀和孔加工刀具 (片) 等，由于这部分刀具需求量大、应用面广，因此这类公司对提高制造业切削加工整体水平和引领切削技术发展发挥很大的作用，现在很多进入中国市场的国外著名刀具大公司属于这一类。另一类是众多专业化的中小刀具企业，它们以各自的专有技术和特色产品提高了加工效率或革新了加工工艺，填补了大型刀具企业产品和技术的空白。它们就做一种或一类刀具甚至只做刀具的夹头，精益求精，创出了品牌，与大型刀具企业分享着刀具的市场，在中国的刀具市场上国外专业化的刀具名牌公司也有不少。这两类刀具公司共同促进切削加工水平的提高，使刀具行业为制造业提高加工效率，开发新产品、新工艺和建立创新体系发挥着重要作用。

从20世纪80年代开始，随着国企改革的进展和政府机构的调整，我国工具行业逐步形成了统一的二元结构的工具行业，实现了工具行业结构的重大调整。

首先，在大型的硬质合金刀具公司方面有了株洲钻石切削刀具股份有限公司，其综合实力处于国内领先地位，在国际上也处于先进的水平的行列，有望在高端刀具国产化的进程中发挥重要作用。然而从工业发达国家的刀具行业结构看，像中国这样的制造业大国，只有一家这样的公司是不够的，至少要有三家四家，才能满足制造业对先进刀具的需求。像厦门金鹭特种材料有限公司、江西几家有硬质合金材料优势的大公司有望成为第二家、第三家。

与此同时，在工具行业内也出现了一批有显著专业特色的中小刀具公司，其中多数是民营企业，如郑州市钻石精密制造有限公司，该公司以PCD为主的刀具不仅在国内有广大用户而且还得到日本用户的信赖; 郑州富耐克超硬材料有限公司研发的PCBN刀片已广泛应用在淬硬材料的切削加工中，并开发了可用于断续切削和粗加工的PCBN刀片，其性能得到外商的关注。还有以生产数控刀具和工具系统为主的成都千木数控刀具有限公司、森泰英格数控刀具有限公司等专业化的数控刀具公司; 以生产精密复杂齿轮刀具、拉刀为主的恒锋工具股份有限公司; 以研发硬质合金螺纹刀具、轿车曲轴加工刀具等非标硬质合金刀具为主的成都工具所有限公司，等等。这些中小规模的刀具专业公司，其产品可部分取代进口刀具，但在整体上缺少创新，处在努力把产品“做精”的发展阶段，而创新是专业化中小企业发展壮大和创立品牌的前提，必须长期坚持对加工工艺的深入研究，才能从加工实践中做到有所发现、有所创新。

3. 我国刀具行业亟待解决的关键问题

(1) 转变经营理念

刀具行业的转型升级怎么做，国外的工具公司已经做出了榜样。今天国外工具公司在“刀具消费第一大国”的市场上所处的强势地位与它们的转型密切相关。转型后的刀具企业不再是一个单纯的刀具制造商和供应商，而是一个切削加工技术和切削加工效率的制造商、供应商和服务商，从而使刀具制造商所具备的专业技术优势和产品功能转变为刀具用户的效益，并带动用户切削加工水平的提高。这种转型在为用户带来效益的同时，也为刀具行业的发展提供了商机并从中获得了刀具创新的灵感，加快了刀具行业发展的速度。近几年国外刀具公司新产品推出的速度大大加快，就是行业转型的直接结果。因此，这种转型产生了双赢的效果，具有强大的生命力。转型后的刀具企业将面向制造业，了解制造业各重要工业部门零件的特点、生产方式、被加工的主要材料和未来的发展对刀具的需求等第一手信息，及时开发出适用对路的刀具和服务，实现“提供成套刀具”“提供解决问题的方案”的经营目标。可以看到，我国的刀具行业中已有不少企业在转型和服务方面取得了显著的进展，开发了不同工业部门需要的“加工汽车零件的刀具”“加工模具的刀具”“航空航天工业加工难加工材料的刀具”，但就整个行业来看还需继续推进，还有许多基础工作要做。

(2) 要重视专业人才队伍的建设

现代切削技术是在材料科学、装备制造技术和信息技术等学科和技术发展的基础上形成的，其覆盖的专业领域已远远超出了传统切削技术专业的范畴，专业人才的结构也相应有了较大的变化，尤其是硬质合金、超硬刀具材料和涂层工艺在现代切削技术中具有的重要地位，必须引进新的专业人才。此外，由于在大学本科的专业设置中已设有金属切削和刀具专业，大量新进的本科大学生普遍缺乏切削技术和刀具的专业基础知识，而切削技术和刀具的基础知识是刀具行业的看家本领，不仅刀具设计和开发人员需要，而且材料开发、搞涂层牌号开发的人员，甚至营销人员都要具备，要能用切削技术和刀具的基础知识从刀具的切削效果中分析出存在的问题、改进的方向和创新的切入点，因此，能否建立一支复合型的人才队伍对刀具行业的发展十分重要。伴随着企业的转型，还要培养一支具有切削加工工艺系统知识的现场服务工程师队伍，做营销人员的技术支撑。

(3) 提高创新能力

现代切削技术的一个显著特点是创新速度大大加快，不断有新的材料牌号、涂层牌号、刀具 (片) 结构和加工工艺推出。与国外的刀具公司相比，我国刀具企业的创新能力明显不足，要实现向创新驱动型行业转型，必须提高创新能力和意识。切削技术和刀具专业的核心技术包括刀具材料、涂层、结构和应用。近年来，我们基本上跟随国外的创新进行研发，如细颗粒、超细颗硬质合金、富钴层、中温涂层、α-三氧化二铝涂层、大进给小切深铣刀、插铣刀、模块式刀具以及各种新型刀柄刀夹等，自己原创的很少。材料和涂层的创新要加强基础的研究，要跨学科、跨部门进行合作，并发挥大型的硬质合金刀具公司在这两个领域的优势。与此同时，大型企业还要发挥材料、涂层、结构三者综合的优势，创新刀片的牌号。刀具 (片) 结构的创新必须有的放矢，针对具体的加工对象或加工工艺进行研发，起到对症下药的效果。中小型的专业刀具公司在明确专业方向的基础上深入了解相关的加工工艺，从中发现问题，改进现有刀具结构或创新加工方法。因此明确专业方向是前提，然后长期坚持和创新，企业首先成为该加工工艺 (序) 的“专家”，此后才能开发出有特色的刀具并创出品牌。

4. 未来刀具技术的发展方向

(1) 重视超硬材料刀具的研发和应用

切削技术和刀具的重大进步都与刀具材料的更新换代密切相关。目前，切削技术处于全面应用硬质合金刀具的时代，与此前的以高速钢为主的时期相比，切削技术发生了质的飞跃，切削加工效率提高了几倍、十几倍，开发了高速切削、高效切削加工技术，切削技术的内涵更加扩大。近年来，超硬材料刀具中的PCD刀具已在其特长的应用领域 (如有色金属、非金属材料的加工) 中替代了硬质合金刀具，加工效率有了较大提高。另一种超硬材料PCBN由于韧性提高，在黑色金属加工领域，PCBN刀具除了高效精加工淬硬材料和灰铸铁外，已开始用于半精加工、断续加工，部分替代了硬质合金刀具，有的已用于流水生产线的零件加工中。已有个别刀具公司惊呼“超硬刀具时代”来了，山特维克可乐满收购美国通用电气公司的超硬材料部似乎也在告诉业界，这样的时代已悄悄来临。

(2) 重视涂层技术和装备的研发

以高速高效为标志的现代切削技术的出现，涂层技术功不可没，涂层技术的重要性和其巨大的发展潜力已成为行业的共识。目前正在研发的CBN涂层将对刀具性能的提高带来革命性的影响。涂层技术和涂层刀具已在我国得到较普遍的应用，但多数涂层设备和技术都是引进的，尽管做了大量国产化的工作，但并未弥补技术上的差距。如果这种状况不加以改变，我国切削技术水平的提高将受制于人，最终影响我国的装备制造业的发展。

此外，像环保切削、智能切削、难加工材料和新材料的加工技术、以铣代攻 (丝)、以铣代镗 (钻)、以铣代车、以车代磨等新加工工艺的未来走向都是值得关注的。

5. 智能刀具

一项研究报告指出，在美国加工中心刀具的正确选择只有50%左右，刀具只有58%的切削时间是在最佳切削速度下工作的，仅有38%的刀具完全用到刀具的寿命值，其他国家刀具的正确选择则远低于美国。因此，提高加工效率，降低成本，研究开发“智能刀具”及多功能刀具是提高切削加工效率和精度的有效方法之一。智能刀具通过与机床控制器的无线耦合，实现了加工尺寸偏差的调整及对刀具耐用度的识别，并可实时采集切削过程的信息，经数控系统处理后使机床始终保持在最佳状态。

“智能刀具”的研究始于20世纪80年代末，它是将各种传感器置于刀体内，将驱动、返回、微型计算装置、非接触式能量和数据传输装置集成在一起，实现刀具的微米级调整，并可由机床控制器的M指令加以控制。

中国对“智能刀具”的研究仍处于初期阶段，对智能刀具系统的可调性结构研究还较少，只停留在刀具在线检测、刀具状态监测与加工过程的适应性控制等方面的研究。

德国Mapal公司和Heller机床公司首先将该技术用在对发动机气缸体的缸孔进行镗削加工上，该智能刀具具有三组Mapal六边形CBN刀片，刀具呈轴向和径向交错排列，最高切削速度达10000r/min。其中，两组刀片用于半精加工，第三组刀片能自动调节，用于完成精加工工序。当主轴转速增加时，在离心力作用下，机构会将刀片位置调节一个预定的数值，并带有内置式气动量规测量已加工的孔径，将测量结果传给机床控制系统并自动调整刀具尺寸。

日本黛杰刀具公司也开发了在线可调刀具尺寸的“灵巧刀具”; 美国肯纳金属公司研制了一种加工中心进行精确自动刀具补偿精镗刀具系统，这是一种微米级的模块式、有级调整的精镗刀具系统，其最小分辨率为1μm。

带有测量功能并可自调的切削部件及可适应控制的和能自学的数控机床，装有传感器和执行元件的智能化刀具，将是未来智能化的发展方向。