我国数控刀具发展的研究

    一、全球机械加工工业市场、机床市场和切削刀具工业

    全球机械加工工业市场变得既活跃又具有过度的全球竞争性。在贸易和技术的频繁往来之中，发达国家与发展中国家在竞争能力上的差别也日趋混同。同时，对产品的低成本、高性能、高品质、更快捷的交货期的需求，使新产品和新技术的发展有了史无前例的发展速度和空间。
    近年来,金属切削和金属成型机床的消费市场从390亿美元减少到360亿美元,其原因之一是加工中心的广泛使用。在美国加工中心的拥有量由20世纪80年代初的11%提高到现在的25%。在世界范围内,预期在1998年到2005年将由45亿美元可望达到66亿美元。在此同时，传统的铣削机床市场预计在同期内将从16亿美元下降到15亿美元。在未来的十年中,超过50%的制造业的加工需求可能将由加工中心来完成。
    世界切削工具的市场份额约为100亿美元,预计工具的消耗量在近期内将每年增长3%以上。1998年世界切削工具市场消耗比率如下:铰刀2%、拉刀/滚刀7%、合金立铣刀7%、丝锥6%、车刀23%、高速钢立铣刀7%、镗刀8%、锯片11%、钻头12%、铣削刀具17%。随着高速加工理念被人们普遍接受,CBN和金刚石切削刀具的全球需求量预计从1998年的5%到2005年将提高到11%。
    2000年,许多刀具制造商都发现硬质合金刀具需求量的增长超过40%以上。这种增长可能标志着HSS刀具越来越多地在许多制造领域内被硬质合金刀具取代而失去了往日的辉煌。

    二、国外金属切削刀具的现状和发展态势

    1.切削工具材料和涂层技术
    不同种类的切削工具材料都有所进步，包括高速工具钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、聚晶立方氮化硼(PCBN)和聚晶金刚石(PCD)。高速工具钢(HSS) 是高韧性的刀具材料，能制作成其他材料不能制作的各种复杂几何形状和尺寸的锋利切削刀具。而高耐磨性的CBN和PCD超硬材料则适用于高速、小进给量加工。介于上述两种材料之间的是硬质合金、金属陶瓷和陶瓷刀具材料，这些材料广泛使用于各种切削速度和进刀量需求的加工工业领域。
    与刀具材料同步发展的还有化学涂层CVD和物理涂层PVD技术，如今几乎75%的硬质合金刀具为涂层刀具,其中CVD涂层约占80%。
    当代CVD涂层的特点是多层涂层。其涂层结构包括TiCN、TiC、TiN、ZrCN和Al2O3。通过对CVD工艺的良好控制,刀具制造商现在可提供质量稳定的从5μm到20μm厚度的涂层刀具，以及用于高硬度材料工件加工的单层涂层厚度不超过0.2μm的多层涂层合金刀具。
    PVD物理涂层技术使在金属陶瓷和硬质合金基体上的涂层厚度为2μm到5μm的硬质涂层已经进入了商业化。典型的商业化涂层方式包括TiN、TiCN、TiAlN、 CrN、TiB2，还有诸如TiN/TiAlN的多层涂层。PVD涂层工艺具有的独特优势是:可以给锐利的切削刃面提供超细晶粒、平滑、低摩擦和防止高温热裂的涂层。
    纳米PVD涂层（每层涂层厚度甚至薄到2nm，例如TiN/TiAlN涂层）和纳米复合涂层（TiN或TiAlN纳米结晶被植入Si3N4的矩阵之中）正处于研发阶段。
    新近发展的硬质合金刀具涂层包含外部用PVD TiN或者TiAlN涂层与内部CVD TiN/TiCN/TiN涂层的结合。内部CVD涂层可提供极好的基体粘合力和耐磨性，而外部PVD涂层提供一个坚固的、超细晶粒的、不易脆裂的、表面光滑的刀具表层。这种CVD-PVD相互结合的涂层有助于延长刀具在难加工金属材料和钢材加工的断续切削时刀具使用寿命。新型的PVD TiCN或TiAlN涂层的金属陶瓷刀具,在用于车削和铣削钢材、不锈钢和铸铁的精加工和半精加工过程中，其可靠性已经得到改进。它们的化学成分稳定,具有高红硬性和维持高速切削的能力,确保了降低被加工零件的尺寸误差，获得良好的表面质量,高的效率以及更长的刀具使用寿命。
    陶瓷刀具也有了重要意义的发展。常规的Al2O3白色陶瓷刀具已被超细微粒的Al2O3-TiCN黑色陶瓷所取代。其高强度与高抗磨损性适用于硬度高达60HRC的铸铁、合金钢、工具钢和不锈钢的车削和镗削精加工。PVD TiN涂层已经为这些工具的耐磨性的更进一步的提高做出了贡献。碳化硅强化Al2O3陶瓷的发展,使得高速加工镍基合金已成为现实。
    纯Si3N4基陶瓷所具有的高热导率和坚韧性使用于铸铁(发动机气缸，刹车鼓，刹车)的高速加工。CVD Al2O3涂层使Si3N4基陶瓷可应用于加工灰口韧性铸铁。
    作为强化Al2O3金属陶瓷的补充刀具材料,SIALON硅铝氧氮聚合材料彻底更新了镍基合金加工的生产力。例如:以3500sfm(英尺/分钟)的表面速度加工高温合金材料718铬镍合金和PH不锈钢就是一个SIALON硅铝氧氮聚合材料作为刀具材料的有力佐证。
    高速加工需要超硬的切削工具。其中聚晶金刚石(PCD)适用于加工非常耐磨损的高硅铝合金(含Si>12%)、有色金属材料和复合材料;聚晶立方氮化硼(PCBN)适用于硬的黑色金属材料的车削、镗削和铣削加工。
    涂层领域新近的发展是将纯金刚石薄膜用CVD涂层的手段牢固地涂覆于硬质合金基材上。金刚石涂层的硬质合金刀具可具有PCD刀具的性能,又可以通过模具成型断屑槽的方式使刀具在设计和使用工艺上更具灵活性。
    切削工具制造商正通过开发像MoS2或者WC/C这样的固体润滑剂来满足这一需要。当与PVD TiAlN涂层刀具和固体润滑剂结合使用时,能显著的提高金属切削的性能，尤其是对于钢和铝合金进行钻孔和攻丝的加工。
    如今超耐磨切削刀具的应用，如金刚石刀具用于有色金属、CBN刀具用于黑色金属的高速切削和磨削等已成为典范。尽管其刀具采购成本高于传统工具的20～50倍，但因其具有比其它刀具至少长100倍的使用寿命，采用此类超耐磨刀具还是相当划算的。
    2.切削刀具的设计
    高速加工的使用者要求经过动平衡的切削刀具，以便减少调整刀具平衡的时间，延长刀具使用寿命，改进被加工零件的精度以及增加主轴轴承的寿命。
    钻削、镗削工具系统也在不断的改进和发展。可更换钻头合金刀片已成趋势，钻尖磨损后钻头无需从刀架上卸下也可更换切削刃。现在市场已可以提供直径小到0.5 英寸的这类钻头。目前工具制造商正在制造直径为0.25英寸的此类钻头。带有0.5μm调整机构的高速精密微调镗刀系统也已进入市场。
    对于高的金属去除率的钛金属类加工，新开发的重切削立铣刀可安装多达72个可转位刀片。这种刀具在设计上通过各个刀片的搭接提供各种变化多样的刀具螺旋角和轴向刃倾度。这种变化扰乱了切削加工时的共振，从而可以无共振地进行深度的铣削加工。
    3.工具系统结构
    制造商对HSK工具系统支持高速机械加工的运用越来越感兴趣。虽然这种工具系统最初十分昂贵，但HSK似乎能够提高系统的刚性和稳定性以及在高速加工时的产品精度,并缩短刀具更换时间。工具供应商正在不断地改进HSK工具系统,使其适应机床主轴转速达到60000r/min。
    4.刀具质量与精度
    在 20年前，CNC机床达到25μm的精度被视为极限。如今机床制造精度接近原精度值的1/10已不困难。与此同时,SPC控制和在线检测对解决被加工零件质量的一致性起到了很好的控制作用。在零部件装配时不再需要根据零件加工误差进行分组选配。据报道高精密机床及被其加工的精密产品在过去的20年中对驱动美国生产力的提高起到了决定性的作用。虽然很多因素对于加工精度的重大改进有重大的贡献，但是在进一步提升制造业的精度水平中，数据收集、计量设备、工序过程标准化的应用等已经起到关键的作用。
    5．切削工具制造商和服务
    近年来不断出现一些综合的工具制造商。一些主要切削工具供应商更多的注重发展其核心业务,并通过重组和收购扩大其业务范围。Sandivik公司在过去的十年中收购了35家公司，2002年又完成了对 Walter和Valenite等三家重点公司的收购。美国肯纳公司也是如此。切削工具制造商能够通过简化现成的销售和服务渠道提供更大范围的产品和服务。
    世界先进的工具生产商的经营理念是积极地为顾客的生产效率的提高提供优质服务,通过与R & D机构(研究与开发)密切合作，为顾客创造独一无二的解决方案,让顾客得到的是价廉物美的产品与服务，做顾客生产力提高的伙伴。

    三、国内外金属切削刀具行业的差异

    1．现代金属切削刀具与传统工具的对比分析
    我们称谓的“数控刀具”，特指与加工中心、数控车床、数控镗铣床、数控钻等先进高效的CNC制造系统相配套使用的刀具和工具辅具系统。它包括整体合金刀具、超硬刀具、可转位刀片、工具辅助系统、可转位刀具、超硬材料及涂层技术等。这些应属于现代金属切削刀具范畴，其技术水平、性能和质量直接影响到国内数百万台昂贵的CNC制造系统的生产效率和加工产品质量的好坏，直接影响到整个国家机械制造工业的生产技术水平和经济效益。其特征分析见下表。

    表 现代金属切削刀具与传统工具的对比分析
    刀具材料：
    传统工具—普通工具钢、高速钢，焊接合金
    现代切削刀具（数控刀具）—硬质合金，Co-HSS，陶瓷，CBN，PCBN，PCD，粉末冶金高速钢，超硬材料+涂层
    刀具硬度：
    传统工具—高速钢：60HRC
    现代切削刀具（数控刀具）—可达90HRC以上
    被加工产品硬度：
    传统工具—一般情况下≤28HRC
    现代切削刀具（数控刀具）—车削、铣削均可达到淬硬钢60HRC以上
    切削速度：
    传统工具—加工钢、铸铁：Vc≤30m/min(70～80m/min)
    现代切削刀具（数控刀具）—加工钢、铸铁：可转位涂层合金刀片：Vcmax＝380m/min；CBN刀片：Vcmax＝1000～2000m/min；加工铝合金：Vcmax＝5000m/min
    刀具制造精度：
    传统工具—10微米级(0.0xxmm)
    现代切削刀具（数控刀具）—微米级(0.00xxmm)
    刀具和工具系统转速:
    传统工具—2000r/min
    现代切削刀具（数控刀具）—60000r/min
    关键技术:
    传统工具—一般机械制造、切削原理、热处理、专机、专用工装及工艺
    现代切削刀具（数控刀具）—CAD，CAM，材料科学，力学（动平衡，动刚度等），精密机械制造，数控加工技术，粉末冶金，纳米技术，涂层技术及CAX、ERP等计算机信息化管理技术
    刀具消耗费用和金属切除量：
    传统工具—高速钢刀具约占全部刀具费用的65%，切除的切屑仅占总切屑量的28%
    现代切削刀具（数控刀具）—可转位刀具、合金刀具及超硬刀具占全部刀具费用的34%，切除的切屑占总切屑量的68%
    刀具制造用关键设备：
    传统工具—专机和一般机械加工设备为主；刚性生产
    现代切削刀具（数控刀具）—CNC机床为主：工具磨床及加工中心，数控车床，合金型材和刀片压制烧结专用设备，刀片深度加工数控磨床；柔性生产
    刀具使用机床：
    传统工具—一般的金属切削机床：车床、铣床、刨床、镗床等
    现代切削刀具（数控刀具）—数控车床，数控铣床，加工中心，流水线专机，柔性生产线
    资金投入和企业规模：
    传统工具—追求低成本，大规模生产，资金总量投入不限，属劳动密集型
    现代切削刀具（数控刀具）—追求差异化，多品种、小批量，资金投入数千万元以上，属知识、技术、人才、资金密集型
    销售与市场：
    传统工具—市场层面涉及所有机械加工业和维修业；商店仓储式，分销商为主，市场成熟，买来即用；主要竞争方式：价格竞争
    现代切削刀具（数控刀具）—与数控机床配套，与被加工产品的数控加工工艺相结合采购刀具，技术配套销售，商店式市场网络，分销商，甚至有专业的为企业配套的刀具管理公司；主要竞争方式：综合性价比及技术服务，降低制造成本，提升效率
    人力资源：
    传统工具—产业工人占多数，单一技术，专机制作，整体素质要求不高
    现代切削刀具（数控刀具）—技术开发、营销、技术服务、数控技术工人、财务、管理等占绝大多数，人才综合素质要求高。

    2．国内刀具行业的现状
    由于我国机床工具行业对现代金属切削刀具与传统刀具的差别缺乏足够的认识,长期以来重主机、轻工具，在发展战略上数控刀具与数控机床的发展严重脱节，使我国工具技术的发展和行业水平与现代制造业的要求相去甚远。
    据 2002年中国机械工业年鉴,工具行业29个重点骨干企业2002年完成工业销售产值14.3亿元（RMB现行价，约等于Sandivik公司2002年投入研发费用的8.6%）,共亏损3960.04万元(RMB)。从业职工平均人数3.26万人，人均销售产值4.38万元（RMB），职工人均年收入 8626元。95%以上的国内工具企业的现状停留在传统的金属切削刀具制造水平上。（Sandivik集团公司2002年员工人数3.7万人，实现销售 50.4亿美元。）

    3．国内数控刀具生产企业情况
    国内数控刀具的研制从80年代初开始，最早为几个机床附件厂为加工中心主机辅具配套生产制造。但由于其技术、资金、设备和人力资源的投入不够，对现代金属切削工具认识不足，起点低，多年来发展缓慢，甚至已经面临被淘汰出局的威胁。
    从 20世纪80年代中期至90年代末，成量数控刀具厂、哈工量数控有限公司、上海机床附件一厂、株洲601厂、自贡764厂等是国内数控刀具、工具系统、可转位合金刀片的主要生产厂。成都工具研究所生产可转位螺纹刀片、梳刀和涂层技术；大连富士等合资企业以非标异形刀具出口产品和技术图纸到日本。后起之秀是成都英格数控刀具模具有限公司、陕西品鼎硬质合金有限公司等。
    多年来，在国内众多的数控刀具专业生产厂的共同努力下，一般精度（10微米级）和转速在8000r/min以下的加工中心用工具系统和可转位刀具已经可以部分替代进口刀具，满足大多数CNC加工用户的需要，其差距主要在工具寿命、外观和包装上。601厂的可转位刀片在产品开发、切削性能、市场占有率上与进口刀片差距也在逐步减小。成都英格以高起点的软、硬件投入,崭新的经营理念和快速发展使其“EG·NC”牌数控刀具在国内独树一帜。虽然与国外现代切削刀具相比有很大的差距，但近年来各家均有长足的进步。为降低市场上进口刀具价格、与国内各行各业数控加工相配套立下了汗马功劳。
    但是,这些专业和非专业的刀具制造厂与世界上任何一家现代工具企业相比，其技术实力、生产能力和资产规模、全员生产率和市场份额都小得可怜。且硬质合金材料生产、涂层技术研究和加工、刀片制造与刀具、工具系统制造各自为营，“隔行如隔山”，没有形成切削刀具产业链的紧密联合，孤军奋战,甚至互相进行低价低水平低档次竞争。
    这些企业在不同程度面临诸多困难：（1）资金短缺。数控刀具是一项高投入、高起点的资金密集型行业；（2）财务税费过高。国家实行生产型增值税，数控刀具属附加值较高的高新技术产品，进项税少，增值税税赋达10%以上，与发达国家实行消费型增值税和收入型增值税相比，在企业创业初期税赋太重，严重影响了企业的发展速度；（3）没有核心技术和研发实力，缺乏核心竞争力；（4）多年来国产数控刀具品质低下造成的顾客信任度危机，使其市场拓展难度加大；（5）专业技术人才奇缺；6）国内高校在刀具技术的理论和应用研究水平和试验手段也远远落后于世界先进水平，使工具行业发展缺乏足够的技术支撑和后劲。

    四、对我国数控刀具发展的探讨

    1．面临的机遇与挑战
    （1）环境的机遇
    中国加入WTO以后将成为世界的加工中心。加入WTO的竞争压力会极大地激励机械加工行业加快技术改造的步伐，提高制造业的效率和技术水平，缩小与发达国家之间的差距。加快产品结构调整使得固定资产投资继续加大，更新改造速度加快。2002年全社会固定资产投资首破4万亿元,达4.3202万亿元，比上年增长16.1%，为1996年以来的最高增速。2003年1～2月全国工业生产增长了17.5%。
    数控机床产、销两旺。2002年是中国机床行业的又一个黄金年，全年数控机床产量24803台，同比增长了31.6%；进口数控机床25097台，金额为18.84亿美元，同比增长了 33.53%；机床市场消费额56亿美元；2003年数控机床将达到30000台，机床工具行业总产值增长15％左右，产值达840～850亿元，我国金属加工机床消费将超过60亿美元。事实上，2003年上半年几乎国内所有数控机床制造生产厂的订单都已接满，开足马力加班生产，一个产销两旺的机床工具消费市场正在形成。机床需求的增长除了需要新刀具配备，还带来了持续的长久的刀具消耗，给数控刀具市场提供了非常广阔的发展空间。
    汽车工业高速发展。2002年比2001年汽车产量增长了38.9%。目前国内几条汽车生产线上的刀具目前基本依赖进口。而加入WTO以后，汽车工业面临汽车在提升品质同时大幅度降价的压力,刀具采购的本地化是其必然的趋势。
    （2）挑战和威胁
    ①进口刀具的不断涌入和降价
    中国的工具行业很早就面临全面对外开放，国内市场早就实现了刀具采购全球化。外国工具商进入中国市场已有十几年的历史，销售网络、技术服务体系已相当建全, 在中国各大城市都有若干办事处，销售和技术服务从业人员逾千人。他们以其优质的产品、完善的技术服务、不断降低的产品销售价（现在的进口刀具价格几乎已经降到10年前的2/3～1/2）几乎垄断了中国的高档刀具市场。在经济全球化进程中，跨国工具公司已占有越来越明显的技术、资源、信息服务等综合优势，国产刀具的实力相差越来越远。
    ②台湾刀具——价格杀手
    由于国际金融环境的影响，台湾的工具行业近年来亏损面达80%以上。由此，他们开始以低价大力冲击中国的数控刀具市场,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。
    ③顾客信任度的威胁
    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下。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～几百元的小时费用与刀具购置费用相比，如果没有十足的把握，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。
    ④顾客竞价能力威胁
    加入WTO以后，全球化采购将使大量价格合理，技术成熟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和竞价能力提升，使国内数控刀具生产厂商市场开发难度加大。
    ⑤自身产业链不完整，供方依赖度风险
    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内产业联盟。
    ⑥专业技术人才奇缺
    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。
    ⑦行业水平低下，缺乏核心竞争力
    中国的工具行业的整体综合实力与发达国家相比差距太大。

    2．我国数控刀具发展对策
    （1)打造企业具有求实创新精神和学习力的管理和员工团队，这个团队的成员要有数控刀具专有技术、有经营管理经验，更有将数控刀具作为毕生的事业为之奉献的信念。
    （2）高投入高起点，大手笔快发展。加快产品研发，打造企业核心竞争力，实施差异化战略。在产品品质上，要么不干，要干必须一流。选择自己的核心产品，追求精品，缩小与进口刀具差距；产品定价坚持优质优价原则，不打价格战和低成本战略；技术开发模仿加创新，自成体系，有自身的独创特点；注重包装及企业CI策划，提升企业形象，打造优质刀具品牌。
    （3）技术服务为先导，为用户提供数控加工的解决方案。利用自身的技术和服务成本低的优势，与进口刀具商比服务质量和速度，以服务去拼市场；首先要承认我们与世界先进刀具的差距,用自己掌握的国内外先进数控刀具技术和信息，整合国内外先进刀具的特点，针对不同的用户做技术和刀具配套服务，给用户做选刀、用刀、降低成本、确保品质和效率的参谋。用优质的技术服务和快速的反映能力来弥补自己刀具制造中暂时的不足并从中去学习和提升。
    （4）系统思考，寻求产业化联盟和国际化合作，站在巨人的肩上求自身的发展。我国的工具行业很早就对外开发，早在十多年前，跨国工具制造厂就提前享受国民待遇，没有准入制度，进口关税仅8%左右，加之大量走私刀具、刀片冲击占领中国的数控刀具市场90%以上。前些年工具行业无序的市场竞争，生存的压力迫使很多刀具企业亮出最后一张底牌——价格战，杀得你死我活，使原本效益还过得去的工具企业元气大伤，无力做技术改造和培养人才、用好人才和留住人才。国内的工具行业有覆没的危险,确不是危言耸听。
    当我国要想成为制造业强国，当CNC制造系统已是当今金属切削工业中的主流，当刀具与金属切削机床一起担当着在机械加工中十分重要的角色，当面临着整个工具行业与世界切削工具业的巨大差距,我国的数控刀具企业应当冷静思考，求差异、抓品质、创品牌、重服务、实施精品战略和人才战略，积极寻求国内和国际联盟，使我国的工具产业重新崛起。