先进刀具使用现状和未来发展趋势

先进刀具使用现状和未来发展趋势

摘要：本文描述了刀具在制造业切削加工中的作用，介绍了我国工具工业的发展概况，从多个方面详细介绍了新型刀具技术，着重讲述了新型高效刀具在我国机械制造业中的应用已经未来的发展趋势。

关键词：先进刀具刀具技术工具工业

1 刀具在切削加工中的重要性

金属切削加工是用刀具从工件表面切除多余的金属材料，从而获得在几何形状、尺寸精度、表面粗糙度及表面层质量等方面均符合要求的零件的一种加工方法。其核心问题是刀具切削部分与工件表层的相互作用，即刀具的切削作用和工件的反切削作用。这是切削加工中的主要矛盾，而刀具的切削作用则是矛盾的主要方面。切削刀具是支撑和促进切削加工技术进步的关键因素。近年来，高速高效数控机床的广泛应用使现代切削加工技术发展到了一个新的阶段，先进高效刀具的应用是使昂贵的数控机床充分发挥其高效加工能力的基本前提之一。

刀具是切削加工的基础工艺装备之一，刀具的性能和质量直接影响到切削加工效率的高低和加工质量的好坏，直接影响到整个机械制造业的生产技术水平和经济效益。采用先进刀具，适当地增加刀具费用的投入，是制造业提高劳动生产率和企业竞争力的有效手段，是我国制造业当前必须重视的问题。切削机床的快速发展为现代制造业的发展提供了基本的前提和技术保障，但无论是什么样的金属切削机床，都必须依靠与工件直接接触、从工件上切除材料的刀具才能发挥作用。刀具性能和质量直接影响到切削机床生产效率的高低和加工质量的好坏，直接影响到整个机械制造业的生产技术水平和经济效益[1]。

2 我国工具工业的发展情况

我国2005年消费刀具约17亿美元。2006年消费刀具约20亿美元，其中进口刀具约10亿美元。2007年工具工业空前高速发展，销售收入增加达28％左右。2008年前三季度工具工业仍继续高速发展，增长超过20％，l0月以后下滑明显，但全年增长仍在12％以上。受世界经济危机影响，2009年上半年工具工业继续下滑，但7-8月以后整个经济形势已开始回暖，工具工业亦已逐步好转。

近年我国工具工业虽也有不小发展，但远落后于机床业的发展。生产中使用的高效先进刀具，大部分从国外进口(含外资企业在中国生产的刀具)。我们现在也出口不少刀具，但主要是廉价低档的标准刀具。2004年我国生产刀具约25亿件，其中20亿件是廉价低档刀具(大部分出口)，这以后几年出口的仍基本是中低档刀具。在美国市场上中等规格麻花钻，每个价约10美元，而中国市场上生产的低档麻花钻价仅1美元，且仅被用作手工工具。我国现在有世界第一的汽车工业，但汽车工业从国外引进的高效生产线，所用的刀具80％一90％至今仍是进口刀具(含国内生产的外资企业产品)。现在我国刀具生产供销情况是，高端先进刀具产品主要依靠进口，而低档刀具产品恶性膨胀(大部分出口)，这种情况必须尽快改变。

我国机械制造业生产中大量使用标准刀具，而发达国家则大量使用高效先进刀具，这就致使我国加工效率远低于发达国家。我国工具厂仍大量生产传统标准

刀具，一些小工具厂还大量生产低档刀具。据统计，我国消耗全世界40％的工具材料，销售收入却只占全世界工具业的12％-15％。发达国家工具企业的毛利率都在40％左右，而我国工具厂的利润很低，部分工具厂还在亏损。

从机械制造业的技术发展趋势来看，今后我国工厂中的高效数控机床的比重将逐年增加，高效先进刀具的需求量将随之迅速增加，而传统标准刀具的需要量将逐年减少。此外，由于我国人工成本增加，中低档的标准刀具出口的价格优势将逐渐丧失，出口量必将随之减少。如工具企业仍以生产传统标准刀具为主，则销售量必将逐渐萎缩发展堪忧(一些民营的小工具厂大量生产传统标准刀具，大工具厂因成本较高，无法竞争而逐渐失去这部分市场)。因此，我国的工具工业必须改变理念，大力发展高效先进刀具的生产，重视售后生产服务，用国产高效先进刀具代替国外产品，夺回被进口刀具占有的这部分市场。只有这样，我国的工具企业才有发展前途，我国的工具工业才能得到振兴。

中国机床刀具现状：中高端刀具市场被国外刀具公司占领，这些刀具的技术附加值和利润率远远高于低端刀具；国内刀具公司主要在低端刀具市场，主要靠价格竞争；国外刀具公司往往为客户提供解决方案，捎带销售刀具产品：国内刀具公司基本不具备提供解抉方案的能力，单纯销售产品；由于国内刀具公司发展潜力以及待遇等因素，刀具人才主要集中在国外刀具公司[2]。

3 新型刀具技术

采用新型刀具实现高效、优质、低成本生产是现代企业提高经济效益的重要途径。刀具材料的改进是刀具技术发展的主线。在现有刀具材料的基础上，通过刀具几何设计改善切削状态也是生产实践中行之有效的方法。CIRP公布的一项研究报告指出：―由于刀具材料的改进，刀具许用切削速度每隔10年提高1倍；而由于刀具结构和几何参数的改进，刀具寿命每隔10年几乎提高2倍。‖采用新型刀具材料可以提高刀具的切削性能，而优化刀具切削部分的几何形状则能充分发挥新型材料的威力。

现代刀具不仅应能满足高速切削、干式切削、硬切削、复合切削加工等先进切削技术的需要，而且对产品功能的多样化、结构的合理化、外观造型的美观等方面也提出了更高要求。但令人遗憾的是长期以来刀具的设计主要依靠经验，依靠尝试法(try-and-error)，这种方法效率低、开发周期长，显然已经阻碍了新型刀具的开发和使用，满足不了先进切削加工技术的需求，迫切需要先进的刀具设计技术。

刀具结构、刀具材料、涂层技术的创新推动着切削加工技术的快速发展。通过介绍了刀具结构设计、刀具材料和刀具涂层技术的新进展，指出先进刀具发展的方向，以促进先进刀具的开发与合理使用，为提高制造业的加工效率发挥应有的作用。

3.1 刀具结构设计技术

刀具结构设计的特点是空间角度计算难，形状复杂绘图难，形状相同尺寸繁。随着粉末冶金技术、模具制造技术、五轴联动数控刃磨技术的高度发展，现代金属切削刀具的切削部分已可加工成十分复杂的形状。因此，刀具厂家不断创新，采用先进的设计技术和专业应用软件进行刀具设计。

为建立复杂形状刀具的三维模型，研究者们采取了2种建模方法：一是综合法，即等效刀刃法；二是分解法，即微分刀刃法，并将计算机辅助设计(CAD)

技术应用于刀具的设计。目前，应用较多的CAD软件主要有UG、Pro/E、IDEAS 等几种，有的CAD软件经过企业的二次开发，其适用性进一步提高。这些软件集三维实体造型、平面绘图、工程分析、数控加工、零件组装等模块于一体，形成较完整的刀具设计软件系统，具有较强的实体造型与编程功能。计算机辅助设计使得刀具的设计、计算简便，免去刀具复杂图形的绘制，并能参数化快速设计刀具，有利于提高刀具的设计水平。

应用工程分析技术(如有限元)对刀具强度进行数值模拟分析，可较精确地掌握刀具上各点的受力情况，了解刀具内部应力、应变及温度的分布规律，获得应力、应变及温度分布图，并方便地找出危险点。该方法可为改进刀具受力情况、合理设计刀具结构以及对刀具进行失效分析提供理论依据，为刀具强度和寿命的分析计算提供一种新方法。五轴联动数控工具磨床功能的实现使立铣刀、钻头等通用刀具的几何参数进一步多样化，改变了标准刀具参数千篇一律的传统格局，可适应不同的被加工材料和加工条件，切削性能也相应提高。

3.2 刀具材料

大力推广使用新刀具材料的刀具。刀具材料是刀具工业的基础，刀具材料的发展对刀具切削性能的提高，起着决定性影响，近年来刀具材料发展极为迅速，刀具材料性能的提高和新刀具材料的使用，使切削效率大大提高。

现代刀具材料主要有高速钢、硬质合金、陶瓷、超硬材料(立方氮化硼CBN、金刚石)等，其中每一类又分为很多种。其中高速钢和硬质合金的使用量在90％以上。目前中国生产高速钢5-6万吨，占全世界的1/4-l/3；中国生产硬质合金l.5万吨,占全世界的1/4。中国刀具材料的生产数量世界第一，但是质量属于二流水平。预期在本世纪刀具和刀具材料的技术含量、质量水平和品种数量等方而都将有较大的发展，加工对象的新要求推动了刀具材抖的新发展，科学技术的进步使刀具材料的发展成为可能，但同时刀具材料的发展必定受原料资源的制约。

图1 切削刀具材料

天然金刚石是最昂贵的刀具材料，由于天然金刚石可以刃磨成最锋利的切削刃，主要应用在超精密加工领域，如加工微机械零件、光学镜面、导弹和火箭中的导航陀螺、计算机硬盘芯片等。人工合成单晶金刚石刀具有很好的尺寸、形状和化学稳定性，主要用来加工木材，如加工高耐磨Al2O3，涂层的木地板。聚晶金刚石是以钴作为粘结剂，在高温高压下(约507MPa，几千摄氏度)由金刚石微粉压制而成的。聚晶金刚石刀具具有优异的耐磨性，可用来切削有色金属和非金属材料，精加工难加工材料，如硅铝合金和硬质合金等。

立方氮化硼(CBN)与聚晶金刚石一样，也是在高温高压下人工合成的，其多晶结构和性能也与金刚石类似，具有很高的硬度和杨氏模量，很好的导热性，很小的热膨胀，较小的密度，较低的断裂韧性。此外，立方氮化硼具有卓越的化学和热稳定性，同铁族元素几乎不发生反应，这一点要优于金刚石。因此，加工黑色金属时多选用立方氮化硼而不用金刚石。不含粘结相的CBN正在研制当中，通过控制合成条件使CBN颗粒更微细，微细颗粒的CBN即使在高温下也具有高热导率、极高热稳定性、高硬度和高强度。无粘结相CBN可望成为下一代刀具材料。

氧化铝基陶瓷具有良好的化学稳定性，与铁系金属亲和力很小，因此不易发生粘结磨损。氧化铝基陶瓷刀具在高速切削钢时具有比氮化硅陶瓷刀具更优越的切削性能。氮化硅基陶瓷刀具主要用于高速加工铸铁。赛阿龙陶瓷刀具具有较高的强度、断裂韧度、抗氧化性能、导热率、抗热震性能和抗高温蠕变性能。但是热膨胀系数较低，不适合加工钢，主要用来粗加工铸铁和镍基合金。为了进一步改进陶瓷刀具加工新材料时的切削性能和抗磨损性能，研究人员开发了碳化硅晶须增韧陶瓷材料(包括氮化硅基陶瓷和氧化铝基陶瓷材料)，增韧后的陶瓷刀具高速切削复合材料和航空耐热合金(镍基合金等)时的效果非常好，但不适合加工铸铁和钢。

TiC（N）基硬质合金（即金属陶瓷）密度小，硬度高，化学稳定性好，对钢的摩擦系数较小，切削时抗黏结磨损与抗扩散磨损的能力较强，具有较好的耐磨性。金属陶瓷刀具适于高速精加工碳钢、不锈钢、可锻铸铁，可以获得较好的表面粗糙度。

陶瓷、立方氮化硼和聚晶金刚石等，近年发展迅速。陶瓷刀具材料采用超细微粉和部分纳米微粉，加入SiC晶须，采用新烧结工艺等，使陶瓷刀具材料的强度和韧性得以大幅度提高，国外应用日广，切削速度可比硬质合金提高数倍，大大提高加工效率，在德国，已有约70％的铸件用陶瓷刀具加工，日本陶瓷刀具的年消耗量已占刀具总量的8％-10％。立方氮化硼的硬度高达8000-9000HV，耐高温达1400℃，可高效加工冷硬铸铁，和HRC50以上的淬火钢。超硬刀具材料在我国制造业中用得还较少，应加强发展推广使用。

图2 刀具材料发展和应用的基本趋势

国外近年来发展了多种新成份、新牌号的硬质合金，发展了高强度高韧性的0.5-1μm超细颗粒的硬质合金，开发了多种新涂层硬质合金，使硬质合金的切削性能显著提高，扩大了硬质合金应用领域。现代高效先进刀具，大部份是硬质合金刀具。我国―钨‖资源是全世界第一，钨制品和硬质合金产量也是世界第一。但必需承认，目前国产的硬质合金质量和国外产品相比，有很大差距，国内制造业用的高效先进硬质合金刀具，主要依靠进口。硬质合金刀具材料的问世，使切削加工水平出现了一个飞跃。硬质合金刀具能实现高速切削和硬切削。为满足各种难加工材料的切削要求，开发了许多硬质合金加工技术，研制出多种新型硬质合金，方法是：采用高纯度的原材料，如采用杂质含量低的钨精矿及高纯度的三氧化钨等；采用先进工艺，如以真空烧结代替氢气烧结，以石蜡工艺代替橡胶工艺，以喷雾或真空干燥工艺代替蒸汽干燥工艺；改变合金的化学组分；调整合金的结构；采用表面涂层技术。研制出的新型硬质合金有添加钽、铌的硬质合金、细晶粒与超细晶粒硬质合金，添加稀土元素的硬质合金等。

高钴高钒等高性能高速钢刀具的耐用度可比普通高速钢提高1.5-3倍。粉末冶金高速钢的强度可提高20％-30％，韧性提高1.5-2倍，并且可靠性比普通高速钢明显提高，国外在加工中心上已普遍使用这种粉末冶金高速钢制造的多种刀具，如钻头、丝锥和铣刀等，而我国还甚少使用。普通高速钢是用熔融法制造的，在加工效率和加工质量要求日益提高的先进切削加工中，普通高速钢的性能已嫌不足。20世纪后期，逐步出现了许多高性能高速钢，新型高速钢在普通高速钢的基础上，通过调整基本化学成分，并添加其他合金元素，使其常温和高温机械性能得到显著提高。用作刀具材料的高性能高速钢有高碳高速钢、高钴高速钢、高钒高速钢和含铝高速钢等。粉末冶金高速钢是将高频感应炉熔炼出的钢液，用高压氩气或纯氮喷射雾化，再急冷得到细小均匀结晶粉末，或用高压水喷雾化形成粉末，所得到的粉末在高温高压下热等静压制成粉末冶金高速钢刀具。与传统高速钢相比，粉末冶金高速钢没有碳化物偏析的缺陷，且晶粒尺寸小，因此抗弯强度和韧性高，硬度高，适用的切削速度较高，刀具寿命较长，并可加工较硬的工件材料。

3.3 刀具涂层技术与涂层材料

切削加工对刀具材料的性能要求非常高，刀具切削刃承受高温(300-1200℃)、高压(100-10000N/mm2)、高速(1-30m/s)和大应变率(103-107/s)，因此要求刀具既

要有高的硬度和抗磨损性能，又要有高的强度和韧性，而涂层刀具是解决这一矛盾的最佳方案之一。涂层刀具是在具有高强度和韧性的基体材料上涂上一层耐高温、耐磨损的材料。涂层材料及基体材料之间要求粘结牢固，不易脱落。涂层技术以其效果显著、适应性好、反应快等特点，将对今后刀具性能的提高和切削技术的进步发挥十分重要的推动作用[3]。

4 先进刀具在机械制造业中的应用

4.1 航空零件切削加工中刀具的应用

航空产品零件使用的材料主要涉及高强钢、铝合金、钛合金、高温合金、复合材料等多种类型。飞机机体上涉及切削加工的零件主要使用铝合金、钛合金、复合材料、高强度钢等材料，其结构尺寸大，尺寸协调部位多；航空发动机上涉及切削加工的零件主要使用钛合金、高温合金、不锈钢、复合材料，其加工精度要求较高。

从加工形式上看，飞机机体结构件以机翼梁、机身框、翼肋、壁板为典型代表，零件形式为扁平形结构，尺寸较大，带有机身、机翼理论外形。这类零件主要以铣削加工为主，采用不同形式的铣削刀具在龙门结构、五轴联动的数控铣床上完成加工，常用的刀具有盘铣刀、立铣刀、球头铣刀等，更为常用的是带有刀尖圆角的专用铣刀；航空发动机零件以机匣、整体叶盘、叶片以及轴、盘为典型代表，除轴、盘类零件适合采用车削加工外，其他零件为回转形结构，部分部位需要车削加工，大部分涉及安装及气流通道的部位还需要在五坐标联动控制，转台结构的数控机床上进行铣削加工，加工过程都需要多种形式和结构的刀具，如外圆车刀、内圆车刀、立铣刀、球头铣刀等。

在零件加工过程中，镶齿刀具、焊接式刀具、整体刀具都有广泛的应用，近年来，镶齿刀具、整体刀具逐渐成为现场主要使用的刀具结构，焊接式刀具应用范围已逐渐缩小。高速加工已经进入实用化阶段，飞机结构件是应用高速加工的主要领域，特别是在铝合金结构件、复合材料构件的切削中应用广泛。航空产品零件的加工通常需要使用数量不等、规格和结构不同的刀具才能完成，并且要求不同刀具加工的表面之间连续，无接差、无干涉。从切削参数方面看，由于各生产现场的技术水平和配套环境不同，刀具切削时使用的切削参数差异较大，切削参数的选择和使用主要以工艺人员或机床操作者的经验为主。

从新型飞机和发动机的发展趋势看，基于降低飞机机体和发动机重量、提高飞行性能、节省燃油消耗的考虑，过去大量采用的组合式金属结构、铝合金直接覆盖的方法已逐渐被舍弃，钛合金、复合材料使用的比例越来越大，整体结构成为飞机和发动机产品的主体。钛合金是公认的难加工材料之一，需要在高性能刀具的支持下才能满足质量和周期需求；采用铺叠、缠绕、RTM等工艺制备的复合材料构件尽管不需要很大的切削加工量，但其材料结构的特殊性和较高的质量要求也对切削刀具具有较高的要求；采用整体结构设计后，一般情况下都选用整体板材或大型锻造毛坯来加工，其中90％以上的材料都要被切除，加工量较大，对加工效率要求极高。

航空发动机零件通常为钛合金、高温合金材料，这些材料的切削加工一直是一个难点。同时，航空发动机零件形状复杂、精度要求严格。以新型发动机的主要结构部件——整体叶盘为例，切削加工过程涉及气流通道、叶身型面、叶根叶尖、进排气边等难加工部位，铣削是完成这些关键部位加工的主要工艺方法，由

于结构空间狭窄，通常要使用小直径、大长度的立铣刀或球头铣刀。

航空零件的切削加工目前主要分为2个类型：一是轻质结构和轻合金的高速加工，主要针对铝合金和复合材料，使用的刀具以硬质合金、PCD材料为主，带有单涂层或复合涂层；二是针对钛合金、不锈钢、超高强度钢等难加工材料的切削，使用的刀具材料主要是细晶粒硬质合金、超细晶粒硬质合金和高性能高速钢，应特别注意刀具材料(包括其涂层)与工件材料的匹配，实践证明，钛合金切削加工中，常规涂层对提高刀具性能方面没有明显作用，必须寻找新的涂层及涂层工艺。

4.2 汽车行业高速高效精密刀具技术的应用

我国正逐渐由第一制造大国向制造强国转变。近些年国家高度重视装备制造业的发展，并设立了―高等数控机床与基础制造装备‖重大专项，2009年拨款328亿元人民币，2010年拨款300亿元人民币，主要用于汽车、船舶、大飞机、高铁、轨道交通、能源等行业。我国汽车、机床刀具行业市场广阔、发展空间巨大，已经连续6年机床消费量全球第一(2010年为284.8亿美元),汽车产销量全球第一(2010为1800万辆)。

我国所用的机床先进，但是制造工艺和刀具总体水平却比较落后，究其原因主要为：高校无专门工艺、刀具方面的课程；与国外刀具公司相比．国内公司缺乏整体解决方案的能力和高端产品；大量低端刀具产品占有大部分市场份额；汽车发动机行业国外刀具占80%的份额[2]。

随着江铃汽车整车销量的快速增长，面对日益增加的生产任务，通过使用先进的刀具来提高发动机厂的生产能力，保障产品质量，从而达到降低单台成本的目的。超硬材料立方氮化硼（CBN）刀片广泛运用于缸体线粗、精镗气缸孔、主轴孔、凸轮轴孔及缸盖线进、排气门阀座的加工，机床转速为1600 r/min – 2000 r/min，进给速度为0.081mm/r-0.12mm/r，刀具质量稳定，使用寿命在800-4000件/刃，寿命比硬质合金刀片提高5-10倍。推广运用整体硬质合金刀具，刀具的品种包括钻头、立铣刀、丝锥等，从而提高了刀具的耐用度，减少了换刀次数，使得产品质量好，降低了刀具成本。并且，引进了德国Mapal公司的精密镗刀和美国VALENITE密齿铣刀盘，加工质量稳定，大幅度提高了经济效益[4]。

4.3 先进刀具在数控机床中的应用

当代切削技术和刀具的进步为提高数控机床的切削效率创造了很好的条件，不仅如此，先进的切削技术和刀具已成为开发现代数控加工技术——高速、高效、智能、复合、环保的有机组成部分，两者相互促进同步发展，共同推动着数控加工技术的进步。应用先进的切削技术和刀具还有投资少、见效快、收效大的特点。现代的刀具工业已为此进行了卓有成效的工作，不断推出成熟的、实用的切削技术和创新的刀具，为制造业的发展和制造技术的进步作出了重要的贡献。首先，是采用高性能的适用的刀具材料和涂层牌号。其次，要大力采用新型的数控刀具。第三，要大力采用新的切削工艺。第四，应用数控机电一体化的刀具提高加工质量和优化加工过程。第五，要提高刀具的管理水平[5]。

4.4 高效先进刀具在复杂零件加工中的应用

上海工具厂依托1.2亿国债技改项目，开发多种高性能螺纹刀具并形成批产能力，提升产品技术水平，以适应汽车工业、造船工业、航空航天、能源动力等

先进制造业对高效刀具的需求。螺尖丝锥、螺旋槽丝锥、挤压丝锥、跳牙丝锥和螺纹铣刀相对于通用型直槽丝锥，这些高性能刀具具有更合理的结构，在不同的适用加工范围内具有更高的加工效率，更好的加工质量，更长的使用寿命和稳定性，能够满足先进制造业对刀具提出的越来越多的要求，值得大规模推广应用[6]。

现代切削技术和高效先进刀具是制造业提高生产效率，降低生产成本的最重要的因素之一。采用高效先进刀具，刀具费用虽然要提高，但高效切削刀具可明显提高切削加工效率，使机床的利用率有效提高，从而可以使零件的生产成本降低。因此，使用高效先进刀具的经济效益是比较显著的。针对国内外金属切削刀具技术的现状和发展趋势，以上海萨澳液压传动有限公司实施的刀具优化为例，在先进刀具技术的理论指导下，分析了球墨铸铁液压阀体复杂孔加工原用的刀具加工方案，通过高性能刀具的选择与应用，将原工艺所用的六把切削刀具优化为三把刀具。新工艺采用了整体硬质合金刀具、纳米涂层技术和复合加工技术，提高了加工效率，同时降低了零件的制造成本[7]。

4.5 先进刀具在纺织机械厂的应用

郑州纺织机械厂中金属切削机床占有很大的比例。该厂积极发展机夹可转位刀具，推广先进刀具、复合刀具，改变淬硬钢的车削加工工艺，设计使用专用刀具，解决生产技术关键问题，提高生产效率，促进了该厂的生产发展[8]。

4.6 先进刀具在特大型工件加工中的应用

将YG546硬质合金刀具应用在特大型（Φ外10750×Φ内10210×1550）不锈钢水轮机转轮室中环切削加工中。通过对工件材料的可加工性分析与刀具材料、几何参数、切削参数的选择，经过在二个单台中环中切削与应用，取得了提高刀具耐用度、提高生产效率和工件加工质量，降低加工成本的有效途径[9]。

5 未来刀具的发展趋势

刀具材料及其涂层技术的发展促进了刀具切削速度的不断提高，带来了加工效率的变革，进一步带来了加工范围的拓展。刀具的设计和使用应考虑刀具材料与工件材料的性能匹配性，针对不同的工件材料和加工条件确定合理的刀具材料和结构形式。高速、高效、高精度切削加工要求刀具具有多种优异性能，―高韧性高强度基体+高硬度高耐磨性刃部‖是未来刀具的主要发展方向。

切削加工追求的目标是高精度、高效率、低成本、绿色环保。近年来，切削加工技术在高速切削、硬态切削、微雾润滑切削、干式切削、复合切削等领域迅速发展，这些切削加工技术是实现以最小限度生产设备高效率、低成本加工零件的生产方式的核心，到目前为止，切削加工技术发展的最大标志就是高速切削加工(High Speed Cutting，HSC)的发展。

先进的刀具技术是促进切削技术发展的基础和保证，刀具技术的发展涉及刀具材料和刀具结构的发展，刀具材料是提升刀具性能的基础，刀具结构是提高工件加工精度的关键。

随着高速加工、高精度加工技术的进步和难加工材料应用数量的增加，刀具材料的进展也十分显著，新型陶瓷、细晶粒硬质合金、超细晶粒硬质合金、TiC/TiN 基金属陶瓷、涂层硬质合金等材料大大提升了刀具的性能，刀具基体的耐磨性、耐热性、韧性和抗弯强度明显提高。复合涂层技术使刀具性能进一步提升，涂层材料除了有适合高速切削的TiC、TiN、TiAlN以外，现在还使用金刚石、立方氮

化硼、硅基纳米涂层等。

近年来，人们在新型刀具材料的应用、刀具涂层技术以及新型刀具切削性能方面进行了大量的研究与应用工作，生产现场使用的刀具已经进入了以硬质合金材料为主体、多种涂层成熟应用的状态，未来刀具材料主要的发展趋势是―细晶粒的基体材料+复合涂层‖，以适应高速切削、干式切削、高精度加工的基本需求。

切削加工精度和表面质量是切削加工过程的关键因素，加工精度和表面质量取决于刀具的刃形、断悄性能和安装结构的稳定性。未来刀具的设计必须注重刃型设计、断屑槽设计、刀片定位或刀柄夹持设计以及表面涂层和刃口强化处理。

为降低刀具的应用成本，镶齿结构、镶嵌结构、涂覆结构应成为刀具主体结构，整体结构在小规格、微型规格才使用。未来的刀具应该是双性能结构，即―高韧性高强度基体+高硬度高耐磨性刃部‖[10]。

用高效先进刀具代替普通标准刀具，是技术发展的必然趋势，工具企业必须重视。使用高效先进刀具较传统标准刀具，可明显提高加工效率，所以制造厂中配备高效数控机床后，用高效先进刀具代替传统标准刀具，是制造工业技术改造和技术发展的必然趋势。在国外发达的资本主义国家，是在上世纪70年代数控机床大量使用后完成高效机床设备技术改造的，高效机床对高效先进刀具的需求，促使国外工具厂也在同时期完成了从―主要生产传统标准刀具‖到―主要生产高效先进刀具‖的转变。

我国的机械制造业，基本是在2000年后开始大量引进使用高效数控机床，并开始大量需求使用高效先进刀具。但这时期我国对高效先进刀具的需求，却被国外工具厂的产品供应来满足了，国外工具厂占领了我国工具行业市场中最有发展前景的部份，例如是我国汽车工业流水线上的刀具，有80％甚至更多用的是进口的高效先进刀具。我国的工具企业仍以生产传统标准刀具为主，这造成工具工业的发展明显落后于机械制造行业和机床行业的发展。必须改变现状，迅速努力，生产最有发展前途的高效先进刀具，尽快振兴我国的工具工业[11]。

工件与刀具二者交替发展，相互促进，工件不断对刀具提出新要求，刀具的性能必须提高以适应工件的要求。高强度超高强度钢多用于火炮、穿甲弹、飞机起落架等有关民用产品，要求加工效率高、加工中切削力大、切削湿度高、硬质化合物较多，需要使用高性能钢、粉末冶金高速钢、表面涂层高速钢、表面涂层硬质合金、金属陶瓷、氧化铝基陶瓷或PCBN等高性能的刀具材料：用于工具、模具、轴承和耐磨件等的淬硬钢，需要使用氧化铝和氮化硅基陶瓷、H类硬质合金、PCBN等刀具材料；对于塑性与韧性特别大、加工变形与硬化严重、导热性差的高锰钢，应重点发展复合陶瓷、PCBN等刀具村料；加工强度高，塑性太，切削力大，切削温度高，与工件中的成分易产生亲和、粘接、扩散的高温台金，应重点发展粉末冶金高速钢、S类硬质台金、TiAlN涂层硬质台金、PCBN等刀具材料；加工切削变形与导热系数特别小、切削硬化严重的钛合金，应重点发展S 娄硬质合金、PCD金刚石等刀具材料；加工纤维增强型和颗粒增强型的复合材料，应重点发展PCBN、PCD等刀具材料。

刀具材料发展的目标是使其具有更高的硬度和高耐磨性，同时还应具备更好的韧性和强度。刀具性能的提升可通过以下途径：改进和寻求如二元碳化物、氧化物、氮化物和多元化合物等刀具材料的新组分；添加某些元素或者化合物；采用热压工艺；发展PVD、CVD等表面涂层工艺；细化晶粒。

系统的总结刀具未来发展的方向：刀具材料发展要适应加工对象的需耍，特别要适应难加工材料的加工需要；刀具材料发展不断对制造工艺提出新要求，化

学组分和制造工艺科技的进步推动刀具材料新发展；刀具材料的发展必须考虑资源的储有量，应优先发展节约贵重资源的刀具材料[2]。

先进的研发特种刀具的CAD/CAE/CAM一体化技术有：对于具体被加工材料的物理、机械、以及切削性能的分析；基于刀具的几何和加工特征，将它们的参数化并在CAD软件上建立三维参数实体模型；利用有限元分析软件，进行刀具切削的物理仿真及动力性能分析；对优化的刀具进行多轴数控磨削自动编程及加工参数优化；针对具体数控磨床开发数控程序后置处理软件，并进行三维磨削几何仿真；通过一定的切削实验来分析刀具的切削性能，以优化刀具的设计[12]。

6 参考文献

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