我國制造業經過半個世紀的艱苦努力，取得了長足的發展和進步，建立了門類齊全、具有相當規模和一定水平的工業生產體系，已成為我國經濟發展重要的支柱產業。但是，雖然我國已是位居全球第四位的“制造大國”，但還遠遠不是“制造強國”。我們的自主創新能力不強，國際競爭力較弱，制造業的人均勞動生產率僅為美國的1/23，日本的1/25，德國的1/18。許多高端重大技術裝備（尤其是其中的關鍵核心技術）主要依賴從國外進口。
　　國務院在“關于加速振興裝備制造業的若干意見”中指出：要以結構調整為主線，優化裝備制造業的產品和產業結構，有計劃、有重點地研究開發重大技術裝備所需的關鍵共性制造技術、關鍵原材料及零部件，逐步提高裝備的自主制造比例。切削加工技術正是制造業（特別是裝備制造業）應用最廣泛的關鍵共性制造技術。全世界每年消耗的加工費用約為1000億美元，約有10%的金屬被切成切屑。通過開發和應用先進加工技術，節約20%是完全可能的。發展毛坯精密成形和高效切（磨）削加工技術是提高加工制造水平最有效的途徑。
　　一、切削加工制造領域面臨的挑戰
　　機械加工技術的發展趨勢是高效率、高精度、高柔性和綠色化。高速切削、高性能（大進給）切削、硬切削、干（準干）切削、復合切削等是最主要的高效率、高質量切削加工技術，在發達國家已成為切削加工的主流和發展方向。在國外，采用先進刀具材料加工鋁合金時切削速度為2000～5000m/min（最高可達7500m/min）；加工鑄鐵時為800～1500m/min（最高可達2200m/min）；加工鋼時為350～700m/min；加工鈦合金時為100～400m/min；加工鎳基合金時為60～150m/min。車削加工的每轉進給量達4mm/r，銑削加工的每齒進給量達4mm/z，鉆孔、攻絲、滾齒等的切削速度也大幅度提高。
　　近20年來，我國的汽車、航空、模具、動力機械、紡織機械、工程機械等行業購置了一大批進口和國產的數控機床與加工中心，其主軸轉速在7000～8000r/min（一部分達到12000～30000r/min），工進速度為5～10m/min。這些行業已不同程度地采用了高速切削、大進給切削、硬切削和干（準干）切削等高效切削技術，在汽車和飛機制造業還部分采用了由高速加工中心組成的生產線。加工鋁合金的切削速度為1000～2000m/min（有的更高）；加工鑄鐵為500～1000m/min；加工鋼為300～500m/min；用陶瓷刀具和CBN刀具加工淬硬鋼（50～65HRC）為100～200m/min。個別具有國內領先水平的汽車制造廠高速鋼涂層刀具的使用率達85%，可轉位刀具的使用率達75%以上。先進切削技術的應用提高了加工效率和表面質量，加快了新產品開發，取得了很好的經濟效益和社會效益。
　　但是，目前國內切削加工技術的總體水平仍然很低，傳統的切削加工方式尚未得到根本轉變。國內刀具材料的使用情況表明，立銑刀、鉆頭、絲錐、滾刀等復雜刀具基本上仍沿用普通高速鋼材料（如高速鋼滾刀占到94%，硬質合金滾動僅占6%，且主要是未涂層滾刀）；車刀、鏜刀、面銑刀的刀片材質主要為普通的YG、YT硬質合金；涂層刀具的比例約為15%（發達國家涂層刀具比例為60%～70%以上）；陶瓷刀具、CBN刀具、金剛石刀具的使用率也很低。調查發現，國內數控機床和加工中心的使用效率普遍較低。例如，某飛機制造企業在主軸轉速24000r/min的龍門式加工中心上加工大型機身整體鋁合金件時，多年來一直使用φ20～32mm高速鋼立銑刀（未涂層）以6000～7000r/min的轉速進行加工；某紡織機械廠在多臺主軸轉速6000～7000r/min的立式加工中心上加工鑄鐵工件時，長年使用高速鋼立銑刀以2000～3000r/min的轉速進行加工，加工效率很低。調查還發現，國內不少企業常常把加工中心當作一般數控機床使用，加工時不用刀庫，轉換工序或在同一工序中加工另一個工件時，仍采用人工換刀。調查表明，國內加工中心開動率平均僅為58.7%（國外一般在70%～80%以上）。
　　總之，使用普通刀具的傳統切削加工目前仍是國內切削加工技術的主流。就切削速度而言，鑄鐵、鋼件的端銑和鏜孔加工（包括涂層刀具）為80～250m/min，鉆孔（高速鋼）加工為20～50m/min，攻絲加工為6～10m/min，滾齒加工為25～50m/min。更為嚴峻的事實是，雖然國內已有一批工具企業從生產傳統的標準高速鋼刀具發展到以生產硬質合金刀具為主，使國產高效切削刀具在國內開始占有一席之地，但在整個國內高效切削刀具市場上，國產刀具的占有率仍然只有10%左右。除個別刀具國產化工作開展較好的企業外，國內大部分轎車生產企業幾乎所有的刀具全部依靠進口（國外有名的刀具制造商幾乎都在國內設有工廠或代理商）。國內高效刀具生產現狀與國外先進水平的差距甚至比在數控機床方面的差距更大。
　　國內制造業尤其是裝備制造業新產品開發能力弱、周期長，市場競爭能力差的原因比較復雜，但歸根結底，主要是對堅持自主創新，發展先進制造技術，提高研究開發新產品的能力和加工制造水平的重大意義認識不清，科技投入不足。不少企業領導比較重視購買先進設備，而忽視先進制造工藝的研發和應用，認為我國勞動力便宜，加工制造效率不是大問題，生產任務緊張時大多采用工人加班加點及增添設備的措施來應付，而很少著眼于研究開發和推廣應用先進加工制造技術，充分發揮設備潛力，大力提高生產效率。
　　面對制造業全球化、市場化、信息化和綠色化的挑戰以及我國切削加工行業存在的問題，堅持自主創新與引進技術相結合，發展和應用先進制造技術，大力提高開發及制造新產品的能力和水平，是我國做強制造業（特別是裝備制造業）的必由之路。
　　二、高速切削加工技術的發展和應用
　　在切削加工領域，加工時間包括切削時間和非切削輔助時間（如裝夾工件、換刀等）。為了減少切削時間，必須大力發展和推廣應用高速切削、大進給高性能切削和硬切削等高效切削加工技術；為了縮短非切削輔助時間，應發展復合切削加工（包括多功能復合加工機床）、工件快速自動裝卸和自動換刀技術等，以減少工件裝卸和刀具換刀的次數與時間。
　　1．高速切削加工的理論基礎及特點
　　（1）高速切削加工的速度范圍
一般主軸轉速在6000r/min以上可稱為高速切削。
　　（2）高速切削加工的理論基礎
　　高速（超高速）切削是一種在切削過程能量應用中高硬度的刀具（切削部分）對工件的作用導致其表面層產生高應變率的高速切削變形和刀具與工件之間的高速切削摩擦學行為形成熱力耦合不均勻強應力場的制造工藝。高速切削技術研究的主要目標是最大可能的材料切除率和可能的刀具最佳壽命、可能的最高加工表面質量以及系統在可能的最好穩定條件下可使最大應用能量達到最大切削效率。因此，高速切削變形理論和高速切削摩擦學是高速切削加工技術研究的兩個基本科學問題。
　　（3）高速切削加工的突出特點
　　①隨著切削速度的提高，切削力降低；②隨著切削速度的提高，切屑帶走的熱量逐漸增多，傳到刀具和工件上的熱量逐漸減少，因此，雖然切削溫度在開始階段升高很快，但達到一定切削速度后，升溫逐漸緩慢，甚至很少升高；③隨著切削速度的提高，加工表面粗糙度有所降低。
　　2．高速切削刀具的磨損
　　（1）高速切削刀具的失效機理
　　高速切削刀具的失效不是最大等效應力造成的，而是在二維熱力耦合不均勻強應力場作用下引起裂紋擴展造成的后期疲勞破損。
　　（2）高速切削刀具的磨損機理
　　高速切削刀具的主要磨損機理為熱－力學磨損（磨粒磨損、粘結磨損）和熱－化學磨損（擴散、溶解、氧化等）。
　　（3）高速切削刀具前后刀面的磨損形貌
　　3．高速切削刀具材料
　　高速切削系統包括刀具、工件和機床，其中刀具材料起著決定性作用。在高速切削中，刀具損壞機理是合理應用刀具材料的理論基礎，而刀具與工件材料的力學、物理和化學性能則是合理應用刀具材料的依據。
　　（1）高速切削的主要刀具材料
　　主要的高速切削刀具材料包括：①金剛石：以PCD為主。②立方氮化硼（PCBN）。③陶瓷刀具：Al2O3基陶瓷刀具和Si3N4基陶瓷刀具。④TiC（N）基硬質合金（金屬陶瓷）。⑤涂層刀具：基體材料：高性能高速鋼，WC基、TiC（N）基硬質合金，陶瓷等。復合涂層：TiN，TiB2，TiAlN（≤800℃），AlTiN（≤900℃），TiAlCN，CrN，CBC（DLC類金剛石涂層），AlCrN（3200HV，1100℃，更適合銑削、滾削加工），TiSiN（適合硬切削），CrSiN（具有潤滑性，適合鋁、不銹鋼等粘性材料的加工），TiAlN納米涂層（3300HV，900℃），MoS2軟涂層，WS2。⑥超細晶粒硬質合金：粒度0.2～0.5mm，適合加工鋁合金；粒度0.6～0.8mm，適合加工鋼鐵及其合金；添加TaC、NbC等。⑦粉末冶金高速鋼（PM HSS）和高性能高速鋼（HSS-E）。
　　（2）高速切削刀具材料的性能特點
　　①力學性能
　　硬度：PCD＞PCBN＞Al2O3基陶瓷＞Si3N4基陶瓷＞TiC（N）基硬質合金＞WC基超細晶粒硬質合金＞HSS。
抗彎強度：HSS＞WC基超細晶粒硬質合金＞TiC（N）基硬質合金＞Si3N4基陶瓷＞Al2O3基陶瓷＞PCD＞PCBN。
斷裂韌性：HSS＞WC基超細晶粒硬質合金＞TiC（N）基硬質合金＞PCBN＞PCD＞Si3N4基陶瓷＞Al2O3基陶瓷。
耐磨性：PCD＞PCBN＞Al2O3基陶瓷＞Si3N4基陶瓷＞TiC（N）基硬質合金>WC基超細晶粒硬質合金＞HSS。
　　②物理性能
　　耐熱性：PCBN（1400～1500℃）＞陶瓷（1100～1200℃）＞TiC（N）基硬質合金（900～1100℃）＞WC基超細晶粒硬質合金（800～900℃）＞PCD（700～800℃）＞HSS（600～700℃）。
導熱系數：PCD＞PCBN＞WC基超細晶粒硬質合金＞TiC（N）基硬質合金＞HSS＞Si3N4基陶瓷＞Al2O3基陶瓷。
熱脹系數：HSS＞WC基超細晶粒硬質合金＞TiC（N）基硬質合金＞Al2O3基陶瓷＞PCBN＞Si3N4基陶瓷＞PCD。
抗熱震性：HSS＞WC基超細晶粒硬質合金＞Si3N4基陶瓷＞PCBN＞PCD＞TiC（N）基硬質合金＞Al2O3基陶瓷。
　　③化學性能
　　抗粘結溫度（與鋼）：PCBN＞陶瓷＞硬質合金＞HSS。
　　抗粘結溫度（與鎳基合金）：陶瓷＞PCBN＞硬質合金＞PCD＞HSS。
　　抗氧化溫度：陶瓷＞PCBN＞硬質合金＞PCD＞HSS。
　　擴散強度（對鋼鐵）：PCD＞SiC＞Si3N4基陶瓷＞PCBN＞Al2O3基陶瓷（Si3N4基陶瓷加工鋼時不如Al2O3基陶瓷）。
　　擴散強度（對鈦）：Al2O3基陶瓷＞PCBN＞SiC＞Si3N4基陶瓷＞PCD。
　　陶瓷材料在鐵中溶解度（1323℃）：SiC＞TiC＞TiN＞Al2O3＞ZrO2。
　　切削鋼（未淬硬）時的溶解度（1027℃）：SiC＞Si3N4基陶瓷＞PCD＞WC基硬質合金＞PCBN＞TiN＞TiC＞Al2O3基陶瓷＞ZrO2（PCBN不宜加工鐵素體和45HRC以下鋼件）。
　　（3）高速切削刀具材料的合理選用
　　①加工鋁合金：首選金剛石。復雜刀具可選用整體超細晶粒硬質合金及其涂層刀具。
　　②加工鋼、鑄鐵及其合金：Al2O3基陶瓷適合軟、硬高速切削；PCBN適合45～65HRC以上高硬鋼的高速切削；Si3N4基陶瓷和PCBN更適合鑄鐵及其合金的高速切削，但不宜用于切削以鐵素體為主的鋼鐵；WC基超細晶粒硬質合金及其TiCN、TiAlN、TiN涂層刀具和TiC（N）基硬質合金（尤其是整體復雜刀具）適合高速切削鋼和鑄鐵。
　　③加工超級合金：增韌補強（如SiC晶須增韌）的Al2O3基、Si3N4基陶瓷以及Sialon陶瓷；PCBN刀具可以100～200m/min的切削速度加工；超細晶粒硬質合金及其涂層刀具（特別是復雜刀具）。
　　④加工鈦合金：WC基超細晶粒硬質合金和金剛石刀具。采用潤滑性能良好的切削液可獲得較好加工效果。
　　（4）高速切削刀具材料的研發體系
　　高速切削刀具材料的研究開發理論體系以刀具材料的切削可靠性為基礎，融切削學與刀具材料學于一體，為刀具新材料的研究開發提供了理論指導。
　　4．高速切削刀具的結構優化和創新
　　以刀具的可靠性、安全性、高效率、長壽命為目標，在結構參數、幾何形狀、可轉位刀具的刀體材料和裝夾結構等方面進行結構優化和創新。例如，在安全性方面，可轉位面銑刀在高速切削時會因旋轉離心力造成刀片夾緊、螺釘破壞和刀體變形，影響切削性能和安全性，因此立裝銑刀結構優于平裝銑刀，鋁合金刀體優于鋼制刀體。又如混合刀齒的面銑刀和大進給切削的立銑刀均因考慮結構優化問題。
　　5．高速切削加工的刀柄系統
　　高速切削加工常用的刀柄系統有單面接觸的BT系統（刀柄錐度7∶24）和雙面接觸的HSK系統（刀柄錐度1∶10）等。目前以HSK刀柄應用較為普遍。
　　BT40刀柄聯接的最佳轉數范圍為0～12000r/min，在12000～15000r/min轉速范圍內仍可使用，在15000r/min以上由于精度降低將無法使用。HSK-63A刀柄的最佳轉速范圍為0～30000r/min，超過這個范圍精度會有所降低。此外，日本大昭和公司的雙面接觸7∶24刀柄（BIG PLUS）可用于高速、高效切削加工，并能與現有的7∶24刀柄兼容。其它如Kennametal、Sandvik、Nikken等公司的高速刀柄各有其特點。
　　6．高速切削刀具的動平衡
　　旋轉刀具系統在高速切削（6000r/min以上）時必須保持平衡，要求平衡品質G≤2.5（mm/s），以保證加工安全。
　　三、高速硬切削加工技術
　　高速硬切削是高速切削加工技術的一個重要應用領域，在汽車、航空航天、模具制造等行業的應用日益廣泛。高速硬切削對刀具材料的硬度、耐熱性、化學穩定性和導熱性均有較高要求，可以根據不同的工件材料選用PCBN、陶瓷等刀具進行硬車、硬鏜、硬銑等切削加工，通過“切”代“磨”，大幅度提高加工效率，縮短加工時間。
　　四、高效復合加工技術
　　高度集中（復合）的加工理念已成為制造業新的發展趨勢。為了提高加工效率和加工質量，可以通過一次安裝工件，用復合刀具進行多工序復合加工；也可以在同一臺機床上同時進行多工序或多面體加工，從而大大減少裝卸工件和換刀等非切削輔助時間。例如，日本最新開發的Integrex200－Ⅲ數控機床具有車削、銑削、斜面銑削、滾齒、磨削、激光熱處理以及葉面、偏心零件加工等多種功能，一臺機床就相當于一個“小車間”。德國DMG公司生產的DMU系列加工中心可由CNC系統控制或CAD/CAM直接或間接控制，通過一次裝夾完成5個加工面的五軸聯動加工。
　　五、結束語
　　針對我國制造業尤其是裝備制造業存在的自主創新能力弱、制造技術水平落后、對外技術依存度高的嚴峻局面，“十一五”規劃提出了加快發展裝備制造業的戰略目標和指導方針，為此，國務院頒發了“關于加速振興裝備制造業的若干意見”。切削加工技術作為裝備制造業的關鍵共性技術，表現加快發展步伐。高效加工技術在發達國家已成為加工技術的主流，發展和應用這項技術是振興裝備制造業的必由之路。我國在高速數控機床、高效切削技術基礎理論及刀具技術方面已有一定的基礎，只要我們轉變觀念，抓住振興裝備制造業的大好機遇，勇敢地迎接挑戰，堅持自主創新與引進消化相結合，大力發展和推廣應用先進技術，完善和壯大現代機床工具工業體系，經過若干年的努力，一定可以實現建設制造業強國的宏偉目標。

　　來源：《工具展望》 作者：山東大學 艾興