目前,我们国产化的(现代)高效刀具,已经批量进入了 汽车行业,模具行业、航空航天、发电装备、通用机械等各个领域。其中一部分产品的性能,已达到或接近国际先进水平,这个进展有效地打破了一些进口刀具在一些领域的垄断地位,为我国高效刀具市场的规范竞争作出了贡献。 我们应该指出的是:我国机床工具行业近十年的发展,和改革开放前期二十年相比有很大变化。当时尽管发展速度很高,可仍然以数量扩张为主是数量扩张型的发展,可是现在进入新世纪之后,发展模式也出现了很积极的变化。在市场推动下,一批工具企业开始关注我国现代制造业发展对高效刀具的(迫切)需求,化大力气调整产品结构,推动产业升级。使得我们国产高效硬质合金刀具的发展打破了长期徘徊不前的局面,获得高速发展。 近几年据我们统计,进入新世纪以后的这些年连续硬质合金刀具的年增长率都超过30%,远高于传统高速钢刀具的增长速度。这个数字的变化,显然标志着我们行业开始以产业规模进行着结构调整和产业升级。因为大家知道,从传统的高速钢标准刀具发展到现代高效硬质合金刀具,不仅仅是一个材料的变化,因为现代高效刀具是以满足特定使用需要为特点的这么一种刀具,不是闭着眼睛大批量生产的。所以它不仅在我们工具企业的结构上,装备上作很大改动,在发展观念上也要作很大的发展。所以这种变化是一种非常积极的、可喜的变化。当然,我们现在总体发展水平还不够高,我们与自己的过去相比,在上世纪末,我们无论是数控机床还是现代高效刀具,在我们整个机床工具行业的比重只有百分之十几,现在增长到百分之四十几,这应该说是一个很大的进步。可是与发达国家相比,我们的差距还是很大的。发达国家的机床数控化率都在百分之七十以上,而现代高效刀具是硬质合金高效刀具,也占到百分之七十以上。而我们的这个数字还只有百分之四十的水平。 同时,我们整体的水平还没有他们那么高。例如我们的数控机床还有好多是简易数控,我们的硬质合金刀具中,还有相当数量的是普通硬质合金刀具等等。我们有了进展,有了很大的进展,可总体发展水平与国外相比仍然有很大差距。所以我们在看到我们的进展的同时,这个进展是可喜的,是一个积极的、结构性的变化,但同时我们应该同时清醒地认识到,我们的差距还是比较大的。所以我们广大工具企业,必须在当前这么一个大好发展形势下,正确地对待自己的成绩和进步。必须进一步认清发展趋势,要坚定不移的加速刀具现代化的发展进程。　　刀具的发展在人类进步的历史上占有重要的地位。中国早在公元前28~前20世纪,就已出现黄铜锥和紫铜的锥、钻、刀等铜质刀具。战国后期(公元前三世纪),由于掌握了渗碳技术,制成了铜质刀具。当时的钻头和锯,与现代的扁钻和锯已有些相似之处。　　然而,刀具的快速发展是在18世纪后期,伴随蒸汽机等机器的发展而来的。1783年,法国的勒内首先制出铣刀。1792年,英国的莫兹利制出丝锥和板牙。有关麻花钻的发明最早的文献记载是在1822年,但直到1864年才作为商品生产。　　那时的刀具是用整体高碳工具钢制造的,许用的切削速度约为5米/分。1868年,英国的穆舍特制成含钨的合金工具钢。1898年,美国的泰勒和.怀特发明高速钢。1923年,德国的施勒特尔发明硬质合金。　　在采用合金工具钢时,刀具的切削速度提高到约8米/分,采用高速钢时,又提高两倍以上,到采用硬质合金时,又比用高速钢提高两倍以上,切削加工出的工件表面质量和尺寸精度也大大提高。　　由于高速钢和硬质合金的价格比较昂贵,刀具出现焊接和机械夹固式结构。1949~1950年间,美国开始在车刀上采用可转位刀片,不久即应用在铣刀和其他刀具上。1938年,德国德古萨公司取得关于陶瓷刀具的专利。1972年,美国通用电气公司生产了聚晶人造金刚石和聚晶立方氮化硼刀片。这些非金属刀具材料可使刀具以更高的速度切削。　　1969年,瑞典山特维克钢厂取得用化学气相沉积法,生产碳化钛涂层硬质合金刀片的专利。1972年,美国的邦沙和拉古兰发展了物理气相沉积法,在硬质合金或高速钢刀具表面涂覆碳化钛或氮化钛硬质层。表面涂层方法把基体材料的高强度和韧性,与表层的高硬度和耐磨性结合起来,从而使这种复合材料具有更好的切削性能。　　刀具按工件加工表面的形式可分为五类。加工各种外表面的刀具,包括车刀、刨刀、铣刀、外表面拉刀和锉刀等;孔加工刀具,包括钻头、扩孔钻、镗刀、铰刀和内表面拉刀等;螺纹加工工具,包括丝锥、板牙、自动开合螺纹切头、螺纹车刀和螺纹铣刀等;齿轮加工刀具,包括滚刀、插齿刀、剃齿刀、锥齿轮加工刀具等;切断刀具,包括镶齿圆锯片、带锯、弓锯、切断车刀和锯片铣刀等等。此外,还有组合刀具。　　按切削运动方式和相应的刀刃形状,刀具又可分为三类。通用刀具,如车刀、刨刀、铣刀(不包括成形的车刀、成形刨刀和成形铣刀)、镗刀、钻头、扩孔钻、铰刀和锯等;成形刀具,这类刀具的刀刃具有与被加工工件断面相同或接近相同的形状,如成形车刀、成形刨刀、成形铣刀、拉刀、圆锥铰刀和各种螺纹加工刀具等;展成刀具是用展成法加工齿轮的齿面或类似的工件,如滚刀、插齿刀、剃齿刀、锥齿轮刨刀和锥齿轮铣刀盘等。　　各种刀具的结构都由装夹部分和工作部分组成。整体结构刀具的装夹部分和工作部分都做在刀体上;镶齿结构刀具的工作部分(刀齿或刀片)则镶装在刀体上。　　刀具的装夹部分有带孔和带柄两类。带孔刀具依靠内孔套装在机床的主轴或心轴上,借助轴向键或端面键传递扭转力矩,如圆柱形铣刀、套式面铣刀等。　　带柄的刀具通常有矩形柄、圆柱柄和圆锥柄三种。车刀、刨刀等一般为矩形柄;圆锥柄靠锥度承受轴向推力,并借助摩擦力传递扭矩;圆柱柄一般适用于较小的麻花钻、立铣刀等刀具,切削时借助夹紧时所产生的摩擦力传递扭转力矩。很多带柄的刀具的柄部用低合金钢制成,而工作部分则用高速钢把两部分对焊而成。　　刀具的工作部分就是产生和处理切屑的部分,包括刀刃、使切屑断碎或卷拢的结构、排屑或容储切屑的空间、切削液的通道等结构要素。有的刀具的工作部分就是切削部分,如车刀、刨刀、镗刀和铣刀等;有的刀具的工作部分则包含切削部分和校准部分,如钻头、扩孔钻、铰刀、内表面拉刀和丝锥等。切削部分的作用是用刀刃切除切屑,校准部分的作用是修光已切削的加工表面和引导刀具。　　刀具工作部分的结构有整体式、焊接式和机械夹固式三种。整体结构是在刀体上做出切削刃;焊接结构是把刀片钎焊到钢的刀体上;机械夹固结构又有两种,一种是把刀片夹固在刀体上,另一种是把钎焊好的刀头夹固在刀体上。硬质合金刀具一般制成焊接结构或机械夹固结构;瓷刀具都采用机械夹固结构。　　刀具切削部分的几何参数对切削效率的高低和加工质量的好坏有很大影响。增大前角,可减小前刀面挤压切削层时的塑性变形,减小切屑流经前面的摩擦阻力,从而减小切削力和切削热。但增大前角,同时会降低切削刃的强度,减小刀头的散热体积。　　在选择刀具的角度时,需要考虑多种因素的影响,如工件材料、刀具材料、加工性质(粗、精加工)等,必须根据具体情况合理选择。通常讲的刀具角度,是指制造和测量用的标注角度在实际工作时,由于刀具的安装位置不同和切削运动方向的改变,实际工作的角度和标注的角度有所不同,但通常相差很小。　　制造刀具的材料必须具有很高的高温硬度和耐磨性,必要的抗弯强度、冲击韧性和化学惰性,良好的工艺性(切削加工、锻造和热处理等),并不易变形。　　通常当材料硬度高时,耐磨性也高;抗弯强度高时,冲击韧性也高。但材料硬度越高,其抗弯强度和冲击韧性就越低。高速钢因具有很高的抗弯强度和冲击韧性,以及良好的可加工性,现代仍是应用最广的刀具材料,其次是硬质合金。　　聚晶立方氮化硼适用于切削高硬度淬硬钢和硬铸铁等;聚晶金刚石适用于切削不含铁的金属,及合金、塑料和玻璃钢等;碳素工具钢和合金工具钢现在只用作锉刀、板牙和丝锥等工具。　　硬质合金可转位刀片现在都已用化学气相沉积法涂覆碳化钛、氮化钛、氧化铝硬层或复合硬层。正在发展的物理气相沉积法不仅可用于硬质合金刀具,也可用于高速钢刀具,如钻头、滚刀、丝锥和铣刀等。硬质涂层作为阻碍化学扩散和热传导的障壁,使刀具在切削时的磨损速度减慢,涂层刀片的寿命与不涂层的相比大约提高1~3倍以上。　　由于在高温、高压、高速下,和在腐蚀性流体介质中工作的零件,其应用的难加工材料越来越多,切削加工的自动化水平和对加工精度的要求越来越高。为了适应这种情况,刀具的发展方向将是发展和应用新的刀具材料;进一步发展刀具的气相沉积涂层技术,在高韧性高强度的基体上沉积更高硬度的涂层,更好地解决刀具材料硬度与强度间的矛盾;进一步发展可转位刀具的结构;提高刀具的制造精度,减小产品质量的差别,并使刀具的使用实现最佳化。　　 陶瓷用于切削刀具的时间比硬质合金早,但由于其脆性,发展很慢。但自上世纪70年代以后,还是得到了比较快的发展。陶瓷刀具材料主要有两大系,即氧化铝系和氮化硅系。陶瓷作为刀具,具有成本低、硬度高、耐高温性能好等优点,有很好的前景。　　价格杀手　　由于国际金融危机的影响,台湾的刀具行业亏损面达80%以上。由此,他们开始以低价大力冲击内地数控刀具市场,有的刀具售价甚至低于国产数控刀具售价;以微利和低成本战略打拼挤占市场,被称为数控刀具市场的价格杀手。　　信任危机　　由于长期依赖进口,国内数控刀具与进口刀具在技术、服务、品质和宣传上的差距,数控刀具在被加工产品的最终产品质量中的重要地位等因素,国内的顾客对国产数控刀具的信任度十分低。往往宁愿花重金进口也不愿冒风险省钱购国产刀具。毕竟几十万甚至上千万一台的数控机床的几十元、几百元的小时误工费用与刀具购置费用相比,相差甚大。如果没有十足的把握,大多用户都宁愿选择进口刀具。汽车制造厂和航空航天企业就是典型的例子。在国产刀具不够成熟的今天,他们几乎不会提供机会让国内刀具上CNC生产线去试用。　　竞争压力　　加入WTO以后,全球化采购将使国外的切削刀具继续涌入中国市场,让顾客有了更大的选择空间,国内数控刀具生产厂商市场开发难度加大。　　供方依赖　　国内数控刀具企业生产经营规模都太小,没有形成自身的切削刀具产业链的紧密联合,尤其是工具系统的生产厂家不生产刀片,刀片生产厂家不生产工具,几乎完全依赖于供方;没有一家真正意义上的行业产业联盟。　　人才奇缺　　数控刀具是技术密集、知识密集、人才密集的行业,其发展对人才的依赖度很大,尤其在公司生产经营规模不大时更是明显。国内数控刀具技术人才、管理人才、营销人才、数控机床操作工都奇缺,一般培养周期为3~5年。而高校又没有很好地担当起培训CNC数控加工和数控刀具专业人才的责任,都靠企业自身花漫长的时间去培养,往往事倍功半,还不一定能留住人才。　　模具数控刀具　　1 材料的进展　　在当今制造业快速发展中,切削加工起着十分重要的作用。制造经济学认为:通过提高切削加工的效率,降低制造成本中固定费用的比例,从而较大程度地降低零件制造的总成本,是提高企业市场竞争力的有效途径。　　刀具材料的性能是提高刀具切削效率的基础和关键技术。本届展览会所展示的刀具材料进展的特点是,开发刀具材料的新牌号,使之更加适应被加工的材料和切削的条件,从而达到提高切削效率的目 的。　　首先,新牌号的开发有很强的针对性,面对复杂的多样化的应用场合和加工条件,刀具制造商采取“对症下药”的做法,取得显著效果。如肯纳公司仅就车削加工新推出可加工不同材料的牌号就有:加工钢材的KC9110、加工不锈钢的KC9225、加工铸铁的KY1310、加工耐热合金的KC5410、加工淬硬材料的KC5510、加工非铁材料的KY1615。新牌号比老牌号平均可提高切削效率15%~20%。山高公司推出的加工铸铁的TK1000、TK2000新牌号,比两年前推出的TX100、TX150可提高切削速度20%~30%;该公司为加工钢件开发的TP3000在重切削、断续切削、大进给的应用中有很好的可靠性。　　铸铁和不锈钢是目前两种应用较多的材料,提高这两种材料的加工效率具有普遍的意义,然而两者的加工性有很大的差异,有很多公司展出了加工这两种材料的专用牌号。如株洲钻石切削刀具股份有限公司展出的黑金刚刀片系列(图1),是专门加工铸铁的硬质合金刀片,覆盖了各种应用场合,包括可干式高速加工灰铸铁的YBD052、可高速加工球墨铸铁的YBD102、可用于中高速或铣削的YBD152及适用中低速湿式铣削或断续条件下车削的YBD252等牌号。试验数据表明,这些新牌号比现有的牌号可提高切削速度30%~40%,使用寿命可提高将近40%~50%;该公司的YC30T、YC40T是专门加工不锈钢的牌号,前者可用250m/min的高速加工1Cr18Ni9Ti,而后者可大进给大切深加工不锈钢,提高加工效率,降低加工成本30%。　　其次,在新牌号的开发中重视基体和涂层的优化组合,只有这样才能更好地实现适应性开发的目的。对于高速加工的牌号,其基体应有较高抗塑性变形的能力和富钴的表层及抗月牙磨损的涂层;对用于有冲击的断续切削牌号,基体和涂层都要有较好的韧性。山特维克公司车削铸铁的专用牌号GC3205、GC3210、GC3215,为CVD涂层硬质合金,分别用于灰铸铁的高速加工、球墨铸铁的高速加工、各种铸铁的中低速断续切削加工,这三种牌号分别采用不同的硬质合金基体和不同厚度的Al2O3、MT-TiCN涂层(图2)。日本三菱综合材料公司车削铸铁用的UC5105、UC5115硬质合金CVD涂层牌号,前者用于灰铸铁或球墨铸铁的高速连续切削,采用高硬度的基体,后者用于球墨铸铁的不稳定条件加工,采用强韧的基体;两者均涂覆微粒Al2O3和微粒且纤维状的TiCN厚膜。蓝帜集团BOEHLERIT公司的车削铸铁牌号Casttec LC620H采用强韧基体,可用于断续切削,而Al2O3的表面涂层可减小月牙洼磨损,下面还有一层互锁的中间层提高结合强度,能以400m/min高速加工灰铸铁。　　在加工不锈钢方面,山特维克公司车削奥氏体不锈钢的GC2015是具有梯度区的抗塑性变形和改进热硬性的基体,加上专为此牌号而设计的TiN-TiN/ Al2O3 (多层)-TiCN涂层,并对涂层表面进行平滑处理,提高了抗磨料磨损、抗剥落、抗积屑瘤的能力。而韩国KORLOY公司的PC9530为铣削不锈钢的牌号,采用超细颗粒的基体和PDV涂层。　　涂层对新牌号开发的作用还体现在开发陶瓷、金属陶瓷和PCBN的新牌号方面,这类材料通过适当牺牲基体的硬度来提高韧性,然后再涂覆耐磨涂层找回耐磨性,获得韧而耐磨的综合性能,成为新的牌号,扩大应用领域,如TaeguTec公司的PV3010为金属陶瓷基体的PVD TiAlN涂层牌号。又如肯纳公司的KY315为PVD的TiN/TiCN/TiN涂层金属陶瓷刀片,扩大了加工范围,刀具寿命长,加工表面质量好。　　第三,新牌号的开发通常还包括相应的槽形和几何参数的改进,以更好适应被加工材料的特性及不同工序对断屑的要求,并起到降低切削力、减小振动等作用,使切削更加轻快高效。图3是三菱综合材料公司为加工钢材开发的四种UE系列硬质合金刀片牌号所对应的四种槽形。据CemeCon公司介绍,该公司与瑞士Fraise公司合作,专门根据Fraise公司铣刀的材料、几何角度、应用场合开发相应的涂层,保证三者最佳的组合,取得了很好的效果。　　从展览会所展示的新牌号开发的强劲势头,显现出一些具有材料、涂层等开发能力的大型刀具制造商在新产品开发上的明显优势,它们利用在刀具材料和涂层研发上的综合实力,不断研发新的制造工艺技术,改进现有的牌号,提高切削加工的效率,引领着切削技术的进步,也在市场竞争中处于有利的地位。事实说明,在当今硬质合金成为主要刀具材料,与各种刀具材料全面进步的态势中,刀具材料和涂层是一个刀具企业最核心的技术,不具备这个核心技术的刀具企业很难做强做大。一些大公司所以能经久不衰,韩国的TaeguTec、KORLOY、DINE所以能迅速崛起和它们具备这项核心技术有着密切的关系。　　类似的情形也发生在高速钢刀具领域,参展的DORMER公司的高速钢铣刀,采用了与高速钢制造商合作开发的新一代粉末冶金钴高速钢(HSCO-XP)。这种高速钢与一般方法制造的粉末冶金高速钢比较,在冶炼过程中去除了90%以上的杂质(图4),强度提高了20%,从而显著减少了刀具的崩刃,提高了刀具的可靠性,减少停机时间。该公司还与高等学校合作开发了专用于铣削的Super R涂层,是一种复合涂层,底层为TiN,上面是多层涂层,有很好的物理、机械综合性能(硬度2800~3000Hv、结合强度50~70N、耐氧化温度450~500℃、摩擦系数0.3~0.4)。