1 引言
　　近年來，隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，對汽車的需求量持續(xù)增長，汽車及汽車零部件制造業(yè)已成為金切機床和工具行業(yè)最大、最重要的用戶。發(fā)動機是汽車的心臟，其零件制造工藝水平普遍高于其它汽車零件。涂層刀具、陶瓷刀具、超硬刀具等先進刀具在發(fā)動機制造工藝中獲得了廣泛應(yīng)用。我國的汽車生產(chǎn)線（特別是轎車生產(chǎn)線）大部分是從國外引進的，在投產(chǎn)時生產(chǎn)線上主要采用進口刀具，刀具切削用量也采用國外推薦值。這些刀具集新材料、新工藝、切削原理、表面處理等各項先進技術(shù)于一身，具有高性能、高壽命、高可靠性的特點，基本上代表了現(xiàn)代刀具技術(shù)的先進水平。由于我國刀具生產(chǎn)企業(yè)長期以來主要面向卡車、拖拉機等制造行業(yè)，相對轎車制造行業(yè)來說，刀具技術(shù)水平較低。因此，國內(nèi)刀具制造商要想?yún)⑴c國內(nèi)、國際兩個市場的競爭，提升企業(yè)的整體技術(shù)水平十分重要。
　　2 我國汽車發(fā)動機制造的技術(shù)發(fā)展趨勢及刀具應(yīng)用現(xiàn)狀
　　2.1 汽車發(fā)動機制造技術(shù)發(fā)展趨勢
　　國內(nèi)新投產(chǎn)的汽車發(fā)動機生產(chǎn)線在制造技術(shù)上有三個比較明顯的趨勢：
　?。?）高速化
　　實現(xiàn)高速切削加工的基本要求是：①使用能實現(xiàn)高速運轉(zhuǎn)的機床主軸；②采用帶強力夾頭的高精度、高剛性HSK刀柄；③采用涂層硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷、CBN、PCD等先進刀具。
　?。?）柔性化
　　柔性化是發(fā)動機制造的發(fā)展趨勢之一。在傳統(tǒng)自動線的局部工位用CNC或加工中心來實現(xiàn)柔性加工的生產(chǎn)線稱為柔性自動線（FTL），一般日本工廠使用較多。用專用加工中心構(gòu)成的柔性制造系統(tǒng)則主要用于缸蓋和缸體加工。從產(chǎn)量角度分析，可以達到從傳統(tǒng)的FMS系統(tǒng)起步產(chǎn)量的年產(chǎn)5萬件到傳統(tǒng)自動線的產(chǎn)年20萬件。
　?。?）高效率
　　從日本汽車制造業(yè)的情況來看，平均每5年切削效率提高28%，其中切削速度平均提高19%，進給量平均提高8%，而最近幾年切削效率的提高幅度在30%以上。目前制造發(fā)動機主要零件的生產(chǎn)節(jié)拍已經(jīng)縮短到30～40秒，比十幾年前縮短了50%以上。例如，用高速加工中心銑削加工灰鑄鐵材料的缸體，切削速度可達到V=700～1500m/min，刀具采用CBN刀片。銑削加工鋁合金缸體、缸蓋時，廣泛采用PCD刀具，考慮到高速回轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生很大的離心力，故刀體采用高強度鋁合金材料制作。
　　總之，發(fā)動機制造業(yè)一個明顯的走向就是采用高速加工技術(shù)來提高效率，縮短交貨時間，降低生產(chǎn)成本，提高市場競爭力。
　　2.2 刀具應(yīng)用現(xiàn)狀
　　汽車工業(yè)是專用刀具應(yīng)用最多的行業(yè)，也是衡量一個國家或一個刀具公司技術(shù)水平高低的標志。我國的汽車生產(chǎn)線（特別是轎車生產(chǎn)線）大部分是從國外引進的，而刀具主要是隨設(shè)備一起進口的。目前，國內(nèi)的汽車生產(chǎn)線有美國型、歐洲型和日韓型，以及以歐洲設(shè)備為主的自主型。這樣，在中國就活躍著五大刀具派系主流：一是山特系（包括山高），山特維克公司有著龐大而復(fù)雜的刀具分支，在中國市場銷量最大；二是美國系，主要以肯納、英格索爾、萬耐特等為代表；三是歐洲系，主要以德國為主，包括MAPAL、Guehring、Widia、TITEX、瓦爾特等；四是日韓系，包括三菱、住友、東芝、OSG、黛杰、不二越、日立等，以及韓國的Taegutec、KORLOY公司；五是以色列系，主要是ISCAR（伊斯卡）。這些公司幾乎填滿了汽車刀具的市場空間。在一些大型汽車制造廠，國產(chǎn)化刀具可能只占總項目的10%左右，因此，進口刀具仍占有主導(dǎo)地位。
　　2.3 目前存在的主要問題
　　國內(nèi)刀具行業(yè)的總體狀態(tài)是起點低、起步晚，先進的數(shù)控刀具僅僅是隨著近年來數(shù)控機床的發(fā)展才開始研發(fā)生產(chǎn)，因此數(shù)控刀具產(chǎn)品基礎(chǔ)比較薄弱，發(fā)展速度緩慢，競爭力不強。國外刀具行業(yè)能大舉搶灘中國市場的主要原因是：國外刀具產(chǎn)品檔次高、品種全、質(zhì)量好；而且刀具是與機床緊密聯(lián)系在一起的，國外機床往往選用在國外已經(jīng)配套使用的刀具；再加上國產(chǎn)刀具品種不全，在產(chǎn)品精加工、高性能切削以及有特殊要求時也大多使用國外刀具。諸多因素的綜合作用形成了國產(chǎn)刀具的被動局面。
　　實現(xiàn)刀具國產(chǎn)化的進程存在重重阻力，有著先天性的系統(tǒng)障礙。以轎車生產(chǎn)線為例，我國在引進轎車車型和數(shù)控自動生產(chǎn)線的初始階段，往往并不重視刀具的國內(nèi)配套問題，沒有及時提升國內(nèi)轎車刀具的技術(shù)水平。引進生產(chǎn)線后，隨之而來的專用刀具、工具品種規(guī)格繁多，工藝技術(shù)、專業(yè)化程度要求又很高，現(xiàn)有國產(chǎn)刀具的品種、質(zhì)量、供貨和服務(wù)能力均難以滿足要求。而與此同時，配套完善、即裝即用的幾十個國外刀具品牌虎視眈眈，使得刀具國產(chǎn)化工作舉步維艱，明顯處于被動狀態(tài)。
　　3 國內(nèi)刀具制造商參與國際競爭的對策
　　從20世紀80年代開始，在世界制造業(yè)發(fā)展及制造技術(shù)進步的帶動下，切削技術(shù)和刀具逐漸步入了高速、高效、創(chuàng)新工藝的發(fā)展新階段，切削加工效率成倍提高，為制造業(yè)的發(fā)展作出了重要貢獻。高效的切削工藝和刀具已成為汽車制造業(yè)的基礎(chǔ)工藝和關(guān)鍵技術(shù)。高速切削、干切削、硬切削等新的切削工藝正在改變傳統(tǒng)的加工工藝，顯現(xiàn)出強大的生命力。筆者認為，國內(nèi)刀具制造商要參與國際競爭，最根本的出路就是提升企業(yè)的整體刀具技術(shù)水平。具體來說要在以下三個方面下功夫。
　　3.1 加快刀具新技術(shù)的研發(fā)
　　（1）全面提高以硬質(zhì)合金為主的各種刀具材料性能
　　在現(xiàn)代刀具材料的發(fā)展中，硬質(zhì)合金起著主導(dǎo)作用。此外，其它刀具材料的性能也得到了顯著改善，擴大了各自的應(yīng)用領(lǐng)域，形成了各種刀具材料既有獨特優(yōu)勢、使用范圍又相互替代補充的整體格局。正是刀具材料的全面、迅速發(fā)展，為當今高速、高效金屬切削加工奠定了基礎(chǔ)。
　　硬質(zhì)合金的性能不斷改進，應(yīng)用面不斷擴大，成為切削加工的主要刀具材料，對推動切削效率的提高起到了重要作用。首先，細顆粒、超細顆粒硬質(zhì)合金材料的開發(fā)顯著提高了硬質(zhì)合金材料的強度和韌性，用它制造的整體硬質(zhì)合金刀具（尤其是量大面廣的中小規(guī)格通用刀具如鉆頭、立銑刀、絲錐等）大量替代傳統(tǒng)的高速鋼刀具，使切削速度和加工效率大幅度提高，將量大面廣的通用刀具帶入了高速切削范疇。其次，硬質(zhì)合金加壓燒結(jié)等新工藝的開發(fā)和應(yīng)用提高了硬質(zhì)合金的內(nèi)在質(zhì)量，針對不同加工需求開發(fā)專用牌號的做法進一步提高了硬質(zhì)合金的使用性能。開發(fā)了具有良好抗塑性變形能力和韌性表層的梯度硬質(zhì)合金，作為化學(xué)涂層硬質(zhì)合金刀片牌號的基體材料，提高了涂層硬質(zhì)合金刀片的切削性能和應(yīng)用范圍。
　　陶瓷和金屬陶瓷刀具材料品種增多，強度和韌性提高，應(yīng)用領(lǐng)域和加工范圍不斷擴大，可在鋼材、鑄鐵的精加工、半精加工中替代硬質(zhì)合金，提高了加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。目前，此類刀具材料不僅可用于單件、小批量生產(chǎn)，而且已應(yīng)用于流水線的批量生產(chǎn)，由于價格較低，可作為干切削、硬切削的首選刀具。
　　PCD、CBN超硬刀具材料改性和制造工藝的改進，使其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大。用CBN制造的缸孔鏜刀已可用在自動生產(chǎn)線以及鑄鐵、淬硬件的加工中，并從精加工領(lǐng)域擴大到半精加工領(lǐng)域，使切削加工效率大幅提高。鋁合金是汽車工業(yè)廣泛使用的重要材料，鋁合金的高效加工是一項關(guān)鍵技術(shù)。目前，由于廣泛應(yīng)用各種高性能PCD刀具，使切削效率顯著提高，最高切削速度已達7000m/min。產(chǎn)品已從車刀、面銑刀擴大到立銑刀、鉆頭、鉸刀、成形刀具等。
　　（2）將涂層作為提高刀具性能的關(guān)鍵技術(shù)
　　刀具涂層技術(shù)近年來取得了重大進展，表面涂層已成為提高刀具性能的關(guān)鍵技術(shù)。化學(xué)氣相沉積（CVD）仍然是可轉(zhuǎn)位刀片的主要涂層工藝，已開發(fā)出中溫CVD、厚膜Al2O3、過渡層等新工藝，在改進基體材料性能的基礎(chǔ)上，使CVD涂層的耐磨性和韌性均得到顯著提高。CVD金剛石涂層也取得了較大進展，提高了涂層表面光潔度，并進入實用階段。目前，國外硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片的涂層比例已達70%以上。在此期間，物理氣相沉積（PVD）涂層技術(shù)的進展尤為引人注目，在涂層爐結(jié)構(gòu)、工藝過程、自動控制技術(shù)等方面都取得了新進展，不僅開發(fā)了適用于高速切削、干切削、硬切削的高耐熱性涂層（如超級TiAlN）以及綜合性能更好的TiAlCN通用涂層和DLC、W/C減摩涂層，而且通過對涂層結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，開發(fā)了納米、多層結(jié)構(gòu)涂層，大幅度提高了涂層的硬度和韌性。
　　PVD涂層技術(shù)的新進展顯示了涂層技術(shù)對提高刀具性能的巨大潛力和獨特優(yōu)勢，通過對涂層工藝參數(shù)的控制和對靶材、反應(yīng)氣體的調(diào)整，可不斷開發(fā)出新的高性能涂層，以滿足加工多樣性的需要。涂層技術(shù)將成為提高和改善刀具性能的捷徑，有著十分廣闊的應(yīng)用前景。
　　（3）不斷創(chuàng)新刀具結(jié)構(gòu)
　　隨著制造業(yè)的高速發(fā)展，汽車工業(yè)、航空航天工業(yè)、模具工業(yè)等重點產(chǎn)業(yè)部門對切削加工不斷提出更高的要求，推動著可轉(zhuǎn)位刀具的持續(xù)發(fā)展。為汽車流水線開發(fā)的專用成套刀具突破了傳統(tǒng)的按需供刀、“閉門造刀”的做法，成為革新加工工藝、提高加工效率、降低加工成本的重要工藝因素，發(fā)揮著重要的作用。
　　汽車工業(yè)的敏捷制造成為推動可轉(zhuǎn)位刀具結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的強大動力，促進了多功能面銑刀、各種模塊式立銑刀系統(tǒng)、大進給銑刀等高效加工刀具的不斷涌現(xiàn)。為滿足高效加工鋁合金構(gòu)件的需要，開發(fā)出了結(jié)構(gòu)新穎的鋁合金高速加工面銑刀等先進刀具。
　　隨著五軸聯(lián)動數(shù)控工具磨床功能的完善及普及應(yīng)用，使立銑刀、鉆頭等通用刀具的幾何參數(shù)進一步多樣化，改變了標準刀具參數(shù)“千篇一律”的傳統(tǒng)格局，可適應(yīng)不同的被加工材料和加工條件，切削性能也相應(yīng)提高。一些創(chuàng)新的刀具結(jié)構(gòu)還可產(chǎn)生新的切削效果，例如，不等螺旋角立銑刀與標準立銑刀相比，可有效遏制刀具的振動，提高加工表面光潔度，增大刀具的切削深度和進給速度；硬質(zhì)合金絲錐及硬質(zhì)合金螺紋銑刀的開發(fā)將螺紋加工效率提高到高速切削水平，尤其是硬質(zhì)合金螺紋銑刀，不僅加工效率高，而且通用性好，可顯著降低刀具費用。
　　3.2 重視配套技術(shù)和刀具管理
　　切削加工配套技術(shù)（包括刀柄與機床主軸的聯(lián)接方式、刀具在刀柄中的夾緊方式、刀具系統(tǒng)的平衡及刀具管理等）是隨著切削加工技術(shù)的進步而逐漸發(fā)展起來的，是現(xiàn)代切削技術(shù)不可缺少的組成部分，并與切削技術(shù)和刀具保持著快速同步發(fā)展，不斷改變著切削技術(shù)的內(nèi)涵，推動切削技術(shù)進步。
　　隨著切削技術(shù)的發(fā)展，工具行業(yè)正經(jīng)歷著經(jīng)營機制的變革。面對日益更新的生產(chǎn)模式和新的工件材料，刀具已不再是可以“一售了之”的簡單商品，而是優(yōu)化加工工序或生產(chǎn)線加工技術(shù)的重要工藝因素。刀具制造商必須能為用戶提供成套加工技術(shù)，幫助用戶實現(xiàn)提高加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量、降低制造成本的目標，這已成為國外刀具制造商業(yè)務(wù)發(fā)展的方向和經(jīng)營宗旨。目前，刀具制造商通過各種形式的“為用戶服務(wù)”、“提供解決方案”等經(jīng)營模式，將工具行業(yè)帶入一個更高的發(fā)展階段。事實證明，國外刀具制造商的這種做法有利于制造業(yè)整體水平的不斷提高，為用戶帶來更大的經(jīng)濟效益，必將受到用戶的歡迎。
　　刀具管理（Tool Management）的發(fā)展方向是刀具總承包，即將一個工廠（車間）的所有刀具外包給一個公司進行整體管理，以適應(yīng)各種加工的刀具需求，全面提供包括刀具的采購、庫存管理、修磨、清潔調(diào)整、配送等成套服務(wù)。根據(jù)瓦爾特公司提供的資料，刀具成本僅占加工總成本的3%左右，但投入生產(chǎn)中將會影響生產(chǎn)效率的20%～30%，因此，為了有效降低加工成本，就應(yīng)該適當增加刀具費用，采用高效刀具，強化刀具管理。這對于提高生產(chǎn)企業(yè)的競爭力非常重要。
　　刀具管理的概念首先出現(xiàn)于美國，其核心是通過刀具外包達到以下目的：①減少初期投入（刀具重磨業(yè)務(wù)可以委外或由刀具管理供應(yīng)商承擔）；②減少庫存資金（刀具庫存資金由刀具管理供應(yīng)商承擔）；③減少管理成本，使企業(yè)能將精力放在自己的核心業(yè)務(wù)上。在上世紀90年代末到本世紀初，刀具管理在美國和歐洲得以推廣應(yīng)用。由于在歐美市場上刀具供應(yīng)商較為成熟，操作比較規(guī)范，刀具管理已逐漸得到用戶認可。
　　對于美國或德國的用戶，有大量成熟的刀具制造商在當?shù)剞k廠，用戶可以獲得非常及時的服務(wù)，這對于刀具管理業(yè)務(wù)的開展無疑提供了極大的便利。而在中國，刀具管理的發(fā)展似乎顯得有些遲緩，目前只是在汽車行業(yè)開始率先應(yīng)用。由于目前國內(nèi)的高檔刀具市場仍以進口刀具為主體，因此在刀具供貨、信息傳遞、生產(chǎn)周期、報關(guān)運輸?shù)确矫婢鶗Φ毒吖芾硇纬烧系K，由此引起的停產(chǎn)將是用戶可以承受的底線；另外，有一種擔憂心理目前還無法排除，即用戶對刀具管理供應(yīng)商容易形成依賴，在下一輪選擇中如果選中了另一家新的刀具管理供應(yīng)商，在交接期間將不可避免地出現(xiàn)混亂。這主要是由于作為刀具管理的用戶本身還不夠成熟，其次是中國市場可供選擇的刀具管理供應(yīng)商還太少。
　　3.3 從基礎(chǔ)做起，解決好加工典型零件的關(guān)鍵刀具
　?。?）曲軸的粗加工
　　由于發(fā)動機曲軸結(jié)構(gòu)的特殊性，目前國內(nèi)轎車曲軸生產(chǎn)線多為高速柔性生產(chǎn)線（Flexible Transfer Line, FTL），這種生產(chǎn)線的特點是不僅可以加工同系列曲軸，而且還可加工變型產(chǎn)品、換代產(chǎn)品和新產(chǎn)品。
　　曲軸的金屬加工工藝流程為：銑端面、定總長、鉆質(zhì)量中心孔、車大小端外圓→銑主軸頸及軸肩→銑連桿頸及軸肩→車拉主軸頸及沉槽→車拉連桿頸及沉槽→槍鉆油孔→清洗→圓角滾壓→法蘭鉆孔攻絲→精磨主軸頸（CBN）→精磨連桿頸（CBN）→斜切磨小端→斜切磨法蘭端→車滾止推面、銑鍵槽→動平衡→砂帶拋光主軸、連桿及法蘭外徑→清洗、冷卻→檢測分類。
　　對于曲軸平衡塊側(cè)面需加工的情況，主軸頸加工應(yīng)優(yōu)先選用CNC內(nèi)銑或CNC高速外銑，連桿頸的加工采用CNC高速外銑。如果毛坯是鍛鋼毛坯，CNC內(nèi)銑更有利于斷屑。不宜采用CNC車－車拉，由于平衡塊側(cè)面為斷續(xù)車削，曲軸轉(zhuǎn)速又很高（約1000r/m），因此崩刀現(xiàn)象將相當嚴重。
　　對于曲軸平衡塊側(cè)面不需加工的情況，主軸頸加工選用CNC車－車拉比較合理，可獲得較高加工精度。由于連桿頸軸線不在一條中心線上（如六拐曲軸），采用車－車拉加工則有一些麻煩，采用CNC高速外銑比較合理。
　　對于軸頸有沉割槽的曲軸加工，CNC車－車拉工藝就體現(xiàn)出優(yōu)越性。若軸向有沉割槽，CNC高速外銑和CNC內(nèi)銑無法加工，而車－車拉能夠加工。對于以上加工方式，應(yīng)采用獨立雙刀盤、模塊化刀具系統(tǒng)等以實現(xiàn)柔性化加工。
　　（2）可轉(zhuǎn)位面銑刀在現(xiàn)代汽車制造業(yè)中，平面銑削的應(yīng)用極為普遍。
　　為了適應(yīng)汽車工業(yè)的需要，工具制造廠商也推出了銑削鑄鐵及其它材料的銑刀和刀片系列。這些刀具、刀片使得加工效率和零件表面質(zhì)量都得到了大幅度提高。
　　選用高硬度、高強度的刀具材料，再進行適當涂層，是延長刀具壽命的首要措施。同時，改進刀具幾何形狀也是增加刀具壽命的重要手段，對于鑄鐵的銑削尤其如此。在汽車制造業(yè)中，鑄鐵的銑削加工是一個重要課題。包括灰鑄鐵、球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵在內(nèi)的各種合金鑄鐵有著不同的加工特性，如灰鑄鐵含有網(wǎng)狀硬組織，表現(xiàn)為脆性較大，加工時刀具易發(fā)生崩刃；球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵有一定塑性，可產(chǎn)生鐵屑，但刀具切出時工件也會產(chǎn)生“翻邊”，容易導(dǎo)致刀尖損壞。因此，對銑刀幾何角度的優(yōu)化改進十分重要。例如，傳統(tǒng)的加工鑄鐵的銑刀帶有負的軸向和徑向前角（雙負角銑刀），這種負幾何角度使刀刃比較牢固。相反，正負角銑刀（正的軸向前角、負的徑向前角）切削較平穩(wěn)，可降低對機床的功率要求，更便于采用先進的刀具材料。
　?。?）孔加工刀具
　　在孔加工中，目前仍大量使用高速鋼麻花鉆，但各企業(yè)之間在孔加工精度和加工效率方面已逐漸拉開差距。高速切削鉆頭的材料以陶瓷涂層硬質(zhì)合金為主，如MAZAK公司和森精機制作所在加工鑄鐵時即采用了陶瓷涂層鉆頭。在加工鋁合金等有色金屬材料時，可采用金剛石涂層硬質(zhì)合金鉆頭、DLC涂層硬質(zhì)合金鉆頭或帶金剛石燒結(jié)體刀齒的鉆頭。
　　在各種涂層鉆頭中，陶瓷涂層硬質(zhì)合金鉆頭特別重視耐磨性、耐熱性及潤滑性，其涂層工藝也采取多層涂覆方式，如利用TiAlN、TiN、TiCN等復(fù)合氮化物形成復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)。鉆頭的切削正不斷高速化，隨著被加工材料的不同，切削速度已可分別達到200～300m/min。
　　新開發(fā)的SU、ST、SH整體硬質(zhì)合金鉆頭系列優(yōu)化的槽型結(jié)構(gòu)與nc-TiAlN涂層相結(jié)合，重塑了整體硬質(zhì)合金麻花鉆的性能。較大的容屑空間和鋒利的曲線刃帶使排屑流暢，形成了獨有的高剛性和高耐用度，特別適合大批量生產(chǎn)汽車零部件的高效加工。
　　目前，高精度孔、螺紋孔、螺栓孔等的加工正向高速切削方向發(fā)展。鉆孔刀具的切削參數(shù)與球頭立銑刀類似，也呈現(xiàn)出高速、大進給的發(fā)展趨勢。切削實踐證明，提高切削速度有利于切屑形態(tài)的合理化和改善加工表面粗糙度；增大進給量則對斷屑、排屑和延長刀具壽命非常有利。因此，今后鉆孔刀具仍將沿著高速、大進給的方向不斷發(fā)展。
　　4 結(jié)束語
　　近年來，我國工具行業(yè)面對國內(nèi)國際市場的激烈競爭，積極進行重點技術(shù)改造，引進國外先進技術(shù)和設(shè)備，全面提高企業(yè)的技術(shù)水平和制造能力，獲得了長足進步。但是，必須清醒地看到，國內(nèi)工具企業(yè)在技術(shù)水平、生產(chǎn)工藝和制造設(shè)備等方面與國外同行相比還存在較大差距，生產(chǎn)的刀具產(chǎn)品在加工質(zhì)量、使用壽命、可靠性、技術(shù)服務(wù)等方面還不能完全滿足用戶日益增長的需求。因此，任重而道遠，我們還有大量的工作要做，還有很長的路要走，我們還要加倍努力。