目前,我国切削刀具技术水平落后于发达国家约20年。要缩小这一差距,仅靠工具行业的努力是不够的。用户行业也有必要增加对刀具的投资,充分利用刀具在提高效率、降低成本、缩短交货时间和加快新产品开发方面的作用。国外数据显示,刀具占制造成本的2.5%~4%,但它们直接影响机床成本占制造成本的20%和劳动力成本的38%。因此,进给速度和切削速度每提高15%~20%,制造成本就会降低10% ~15%。它表明,即使使用好的工具会增加工具的成本,但由于效率的提高,机床和劳动力的成本也会大大降低,这是发达国家制造业采用的经营战略之一。目前,由于我国大部分普通机床和长期使用的机床,以及劳动力成本低,刀具对制造成本的影响不能达到这一水平,但其投资少、见效快的特点非常适合我国企业的现状,也能收到很好的作用与效果。

  为了缩小与发达国家的差距,中国的工具企业必须努力加快关键技术的开发和应用。

  加快新型刀具材料的开发

  回顾机械加工的发展历史,可以看出刀具材料的发展起着重要的推动作用。21世纪初,工具材料的发展将出现两个重要趋势。首先,硬质合金刀具的应用范围将继续扩大,碳氮化钛基硬质合金(金属陶瓷)、超细晶硬质合金、梯度结构硬质合金以及硬质合金和高速钢的复合材料将取代相当数量的高速钢刀具,包括钻头、立铣刀和丝锥等简单通用刀具,以及齿轮滚刀和拉刀等复杂精密刀具,高速钢刀具的比重将进一步降低。这样,硬质合金将在切削工具材料中发挥主导作用,覆盖大多数常规加工领域。其次,超硬刀具材料的使用将明显增加。立方氮化硼因其坚硬的高度、良好的化学稳定性、小的热膨胀系数和高的热导率等优点,将成为黑色金属高速加工、难加工材料、干切削和硬切削的主要刀具材料。随着其韧性的进一步提高,其在刀具中的比重将会大大提高。此外,立方氮化硼还是最有前途的黑色金属超高速切削工具材料,突破了萨洛蒙提出的临界速度,从本质上改善了切削过程。聚晶金刚石和单晶金刚石是高效率、高精度加工有色金属、陶瓷、玻璃和石墨等非金属材料的最佳工具。随着汽车、航天、电子、军事等部门对这些材料的需求日益增加,光子晶体将得到广泛应用。
我国车床行业加快刀具关键技术的开发应用图

  加快涂层技术的发展自从刀具涂层技术出现以来,它对刀具性能的提高和加工技术的进步起到了非常重要的作用。涂层工具已经成为现代工具的象征,涂层工具的比例已经超过50%。21世纪初,涂层刀具的比重将进一步增加,这有望在技术上突破CBN涂层技术,使其实用化,从而使CBN的优异性能可以应用于更多的刀具和切削加工,甚至精密复杂的刀具和成形刀具,从而全面提高黑色金属加工的切削水平。此外,纳米超薄、超多层和新型涂层材料的开发和应用将会加快,涂层将成为提高刀具性能的主要途径。

  加快多功能专用工具的发展

  为了充分发挥以车削加工中心和镗铣加工中心为代表的数控加工技术的优势,提高加工效率,复杂零件的加工要求一次装夹多工序集中加工,这是提高数控机床效率和加快产品开发的有效途径。因此,也对多功能提出了新的要求,要求刀具在不同的工序中完成零件的加工,减少换刀次数,节省换刀时间,减少刀具数量和库存,有利于管理和降低制造成本。更常见的是多功能车刀和铣刀,镗刀和铣刀,钻铣螺纹、倒角和其他多功能工具。同时,在批量生产线上,根据工艺需要开发专用工具或智能工具,可以提高加工效率和精度,减少投资。一些特殊的工具可以把零件的加工时间减少到原来的十分之一以下,作用与效果是非常了不起的。应用结构复杂、多刀具组合、自动进给或精密调整的专用刀具已成为衡量生产线技术水平的重要因素。在20世纪90年代建造的新型汽车变速箱同步器齿加工线上,原来的插齿机被一个圆柱拉刀取代,只需13秒钟就可以加工一个齿。与原工艺相比,产品质量稳定,节省了厂房面积。开发通用的多功能工具和满足用户需求的专用工具应该是未来工具产品的重要组成部分。
我国车床行业加快刀具关键技术的开发应用图

  为用户提供全套切割技术

  工具制造业应加快观念更新,将用户提供的成套切割技术和创新加工方法作为发展方向和服务内容。随着切削技术的发展,刀具制造企业对参与和影响切削的因素有了更科学的认识,并将其用于开发成千上万种规格和品种的新产品和新技术。对于一般用户来说,面对工具材料、涂层等级和结构等不断变化的新产品和新技术,以及各种新出现的加工问题,很难正确选择和应用工具行业的新成就,以实现最佳的作用与效果。因此,刀具企业应从现在开始,走“为用户提供成套切割技术,解决具体加工问题”的业务轨道,根据产品的专业化方向掌握相应的切割技术,不断创新开发新产品。
  另一方面,刀具用户行业应充分挖掘刀具和刀具的潜力,提高产品开发能力,利用刀具行业的专业实力及其成果为企业发展服务,提高市场竞争力。此外,切削技术的发展应遵循机床、刀具和生产、学习、研究和应用紧密结合的发展道路,这是发达国家制造业和刀具工业的发展道路。根据德国科隆福特汽车公司的数据,在汽车行业,汽车制造商、机床制造商、工具制造商和研究机构或大学的联合工作存在于前期研究、开发和生产的每个阶段,工具制造商的份额约为20%。以高速切削为例,德国的高速切削技术是由以达姆施塔特工业大学制造技术研究所为基础的协会牵头,著名的工具厂、机床厂和汽车厂参加的。同样,美国国家标准与技术研究所(NIST)、麦克唐纳道格拉斯公司、宾夕法尼亚大学等单位研究高速铣削的动态性能,以提高高速铣削的效率和加工精度。法国高速切削技术创新和发展项目包括机床厂、汽车厂、切廷和大学。这些国家的实践反映了21世纪制造技术和切削加工的发展特点。