刀具技術(shù)正在迅猛發(fā)展，以滿足不斷變化的需求和應(yīng)對來自工件材質(zhì)的更嚴(yán)峻挑戰(zhàn),。今天的加工車間需要以不同的視角來重新審視刀具,。
　　在滿足各種需求的情況下，采用先進的刀具可提高車間的加工能力,，如圖1所示的這種刀具,，是來自Diamond Innovations公司的硬質(zhì)材料車削用刀具。刀具技術(shù)發(fā)展迅猛,，因此正確地選刀可以使工藝發(fā)生本質(zhì)上的轉(zhuǎn)變,。在金屬加工行業(yè)，除了采用先進的技術(shù)之外,，沒有其他任何選擇,。今后對機加工的需求將十分龐大，只有采用先進的技術(shù)才能滿足這種龐大的需求,。

　　Sandvik Coromant公司的航天開發(fā)部項目經(jīng)理Chris Mills先生以航天工業(yè)為例指出：在今后20年,，為了滿足航天工業(yè)的生產(chǎn)需求，從現(xiàn)在開始其生產(chǎn)加工能力必須提高三倍,。那么如何實現(xiàn)這一目標(biāo)呢?

　　將加工能力提高三倍,，是否簡單地將加工機床的數(shù)量增加三倍就行了嗎，而加工工藝仍然保持今天現(xiàn)有的水平?他說,，實際上不可能出現(xiàn)這樣的情況,。如果將現(xiàn)有技術(shù)水平的機床數(shù)乘以3，那么就意味著機床操作人員的人數(shù)也要以同樣的倍數(shù)增加,。這樣的情況簡直是難以想象的,，因為工廠要聘用能勝任加工機械操作的合格工人是相當(dāng)困難的。

　　因此,，提高三倍產(chǎn)能需要從不斷發(fā)展的先進技術(shù)中獲得,，只有通過這種途徑才能使現(xiàn)有數(shù)量的金屬加工操作人員監(jiān)控大量的加工操作。

　　那么這些先進的技術(shù)來自于哪里?當(dāng)然,，這些技術(shù)也涉及機床本身的發(fā)展?，F(xiàn)在，機床的加工速度和加工精度越來越高,，然而,，工件本身并沒有以同樣的增量級發(fā)展，盡管它們也在發(fā)生本質(zhì)上的變化?，F(xiàn)如今,，被加工的工件不只是對其加工精度、交貨期和質(zhì)量提出了更高的要求，許多車間還面臨著以前從未遇到過的越來越多的難加工的材料問題,。這些材料包括鈦合金,、鎳基合金和致密型石墨鑄鐵(CGI)，更不用說,，在某些情況下,，還要以復(fù)合材料代替金屬材料。

　　換句話說,，工件材料的發(fā)展要比切削加工它們的機床發(fā)展更快,，變化更大。在機床與零件材料之間存在著一定的差距,，為了縮小甚至超越這一差距,，發(fā)展最快的技術(shù)便來自于金屬切削刀具，并且其發(fā)展速度超過了任何其他的加工工藝,。

　　事實證明,，刀具的發(fā)展和變化是如此之大，因此,，不論規(guī)模多大的加工制造廠都需要對其刀具的加工思路進行重新評價,。不但需要重新檢查選刀方式，而且還要重新考量影響刀具的一些基本因素,。但其中一些核心思想已經(jīng)過時，刀具的標(biāo)準(zhǔn)也已經(jīng)發(fā)生了變化,。

　　最近,，三家與刀具有關(guān)的主要公司，提出了加工車間現(xiàn)在應(yīng)如何以不同的方式思考有關(guān)刀具的問題,。這些公司是：Diamond Innovations公司——世界上為刀具提供立方氮化硼(CBN)材料和聚晶金剛石(PCD)材料的領(lǐng)先供貨商;Precision Dormer公司——兩個刀具公司的聯(lián)盟,，幾十年來一直在提供高效率鉆削和螺紋加工的專用技術(shù);Sandvik Coromant公司——世界第一位的金屬加工刀具供貨商。三家公司的所有工程技術(shù)人員,，列舉了目前對刀具的性質(zhì)和使用產(chǎn)生根本影響的一些主要因素：

　　具有挑戰(zhàn)性的材料,，包括替代材料和難以加工的合金材料。其中有些材料的加工性還不足鋼材的25%,，其每磅的加工成本可達(dá)幾百美元;

　　幾何形狀越來越復(fù)雜的零件,，如壁厚很薄、形狀很復(fù)雜的飛機零件;

　　體積很大的零件,，特別是對渦輪機和各種重型設(shè)備的需求不斷增加,。每個零件的高成本生產(chǎn)，對這些零件的加工提出了更加嚴(yán)格的要求;

　　對專業(yè)化質(zhì)量和性能的要求越來越高,，如對加工飛機零件表面典型的疲勞強度的要求,。

　　以上這些因素，都促使那些領(lǐng)先的加工車間開始考慮相關(guān)的刀具問題。Diamond Innovations公司,、Precision Dormer公司和Sandvik Coromant公司特別提出了5種方式,，加工車間必須根據(jù)這5種方式，對他們的刀具技術(shù)以及對提供這一技術(shù)的公司以不同的思路進行思考,。選用刀具的5項新標(biāo)準(zhǔn)是：提高機床的工作效率,、滿足應(yīng)用專業(yè)技術(shù)的需求、增加金剛石刀具應(yīng)用的百分比,、將焦點集中在最大的費用來源上,、以及應(yīng)該從一開始就考慮刀具的問題。

提高機床的工作效率

　　不要只選擇使用壽命較長或速度較高的刀具,。創(chuàng)新的刀具也可以改變工藝,，并可擴大機床的加工范圍。

　　CoroTurn HP刀具將焦點集中在高壓冷卻液的流向上,，其冷卻液的噴射點集中在刀刃的上方,。實踐證明，采用這種方式噴射冷卻液可使刀具的使用壽命提高50%,，速度提高20%,。

　　為什么機加工車間在正常使用的情況下會選擇更換刀具呢?最通常的理由是他們希望延長刀具的使用壽命。如果新的刀具在現(xiàn)有的工藝過程中能工作更長的時間,，那么它就有可能為加工車間節(jié)約更多的資金,，包括替代刀具費用和多次換刀所需的勞務(wù)費用。

　　為了提高機床的加工速度,，很多具有創(chuàng)新意識的機加工車間會嘗試使用新型的刀具,。如果新刀具在高速加工過程中起到了很好的作用，并大幅度提高了金屬去除率,，那么該刀具可為加工車間節(jié)約更多的資金,。也就是說，該刀具可以更有效地提高加工車間的生產(chǎn)率,，允許它每一班能夠加工更多的零件,。

　　在工藝方面的這兩大改進——使用壽命和加工速度的提高，表明其投資可獲得回報,，這一點也使很多加工車間更有理由采用高性能的刀具,。

　　然而，通過刀具來尋求提高工藝水平的腳步不應(yīng)該在這里停止,，它還具有很大的潛力節(jié)約更多的資金,。因此，加工車間應(yīng)千方百計地尋求各種方法,，提高它們的加工能力,，因為先進的刀具不但能夠延伸加工工藝,，而且還可以促使工藝進一步完善。

　　Precision Dormer公司的產(chǎn)品經(jīng)理Andrew Hunter先生針對刀具的轉(zhuǎn)換問題列舉了一個例子,，這個例子看起來似乎非常簡單,，但他特別提到了精密鉆削加工技術(shù)的現(xiàn)狀。

　　Andrew Hunter先生說,，當(dāng)今許多孔加工應(yīng)用領(lǐng)域中,，再也不需要鉸孔這道工序。鉆削加工可以比過去任何時候都能夠達(dá)到更高的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),，讓車間具有更大的潛力,，而要達(dá)到這一目的，只需通過鉆削加工這一道工序就可以達(dá)到必要的孔加工精度和質(zhì)量要求,。在許多加工車間內(nèi),，雖然人們對采用中心鉆、鉆頭和鉸刀的孔加工工藝可能非常熟悉,，卻很難忽略這一工藝程序所需的費用,。

　　Precision Dormer公司經(jīng)常為加工車間提供咨詢服務(wù)，并說明在什么地方可不必使用鉸刀加工,。如果鉆頭切削參數(shù)的變化大體上相當(dāng)于車間目前已經(jīng)在使用的參數(shù),，那么就可以加工出符合質(zhì)量的孔。如果不是這樣,，那么Precision Dormer公司可以幫助車間很快地尋找和評價另一種加工性能更好的鉆頭,。即使新刀具的價格稍微高一點，其增加的費用與其節(jié)約的費用相比也可以說是微不足道的,，因為在加工工藝中再也不需要使用不必要的刀具,，從而也省去和解決了在加工周期中所不需要的刀具更換問題。

　　Sandvik Coromant公司的業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理Bill Tisdall先生一直從事新設(shè)計刀具的測試和優(yōu)化工作,。他認(rèn)為其實有很多方法都可以通過刀具的發(fā)展來提高生產(chǎn)率。他迫切要求加工車間思考如何正確使用刀具,，以發(fā)揮其潛在優(yōu)勢,。

　　1.利用機床的特點

　　您的刀具是否能發(fā)揮全部潛能以使機床每天都提高加工水平?一般在機床的加工中，最流行的是使用高壓冷卻液?，F(xiàn)在,，還很少有加工車間會讓他們的刀具全面利用70bar(1bar=0.1MPa)壓力的冷卻液來供機床使用。

　　Sandvik Coromant公司的CoroTurn HP刀具可通過這個壓力提高功效,，將高壓冷卻液精確地集中噴射到刀具正上方的刀刃上,，CoroTurn HP刀柄可使高壓冷卻流轉(zhuǎn)變成一個楔形，使切屑向上翹曲而被切削液沖走,。在難加工材料——Inconel 718材料的加工中,，使用此方法，可以將刀具的使用壽命提高50%，或使速度增加20%,。

　　2.減少安裝時間

　　由Sandvik Coromant公司提供的Coromant Capto系統(tǒng)是車削加工中快速換刀系統(tǒng)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),。它可允許快速換刀或使新工件加工用的刀具快速進行鎖緊定位，無需調(diào)節(jié)刀具的位置或重新設(shè)置刀具的偏置度,。同樣的Coromant Capto概念也已應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)式刀具中,，由此新銑刀或鉆頭的使用或更換也變得極為方便，鎖緊定位快速,，不會延長任何更換時間,。

3.采用QS系統(tǒng)

　　該公司的QS系統(tǒng)是另一種可降低安裝時間的系統(tǒng)，應(yīng)用于瑞士式車床,。采用QS系統(tǒng)以后,，刀具可以快速地裝卸和自動地在中心上鎖緊定位。根據(jù)一位使用瑞士式車床的車間使用者的計算,，采用該系統(tǒng)每年可在一臺機床的調(diào)試和設(shè)置時間方面節(jié)約100000美元,。

　　采用無人化管理的運行模式。除了刀具的使用壽命和速度之外,，還應(yīng)多思考有關(guān)刀具可靠性的問題,。目前，沒有任何車間能夠全面認(rèn)識到刀具潛在的價值,，不知道刀具究竟能達(dá)到多高的恒定性能水平,。

　　為什么恒定的性能具有如此高的價值呢?因為它能夠以潛在的最高利潤改變加工工藝，足以使操作員從機床操作中解放出來,，使其能夠操作更多的機床,、檢驗零件，或在機床運行的同時執(zhí)行相關(guān)的5S技術(shù)或其他的精益生產(chǎn)管理工作,。Sandvik Coromant公司將其稱之為“綠燈生產(chǎn)”,。如果機加工車間能夠確切預(yù)測刀具在什么時候需要更換，那么該加工車間就可以以這一方式運行其加工工藝,，不需要保證有一位操作員時刻停留在工作現(xiàn)場,。

　　Sandvik Coromant公司的GC1125和GC1515型新等級刀具是專門為“綠燈生產(chǎn)”設(shè)計的。鑲刀片的可靠性來自于涂層與基質(zhì)材料的平衡,。為提高刀具的韌性和密度,，其基質(zhì)材料的硬度稍低，而涂層的成份則有利于提高刀具的抗磨強度,。

　　這些刀具的刀刃也非常鋒利,，這是“綠色生產(chǎn)”需要刀具具備的另一個重要特點。因為鋒利的刀刃有助于消除毛刺,，而自動去除毛刺的功能,，對于長時間無人化操作來說是非常重要的,，因為車間在這種方式下運行，不希望大批量的零件在加工完成以后還需要進行大量的去毛刺處理工作,。

滿足應(yīng)用專業(yè)技術(shù)的需求

　　如果刀具技術(shù)的選擇范圍擴大,，那么一個刀具的關(guān)鍵元件需要在其背后有專門的技術(shù)支持。

　　刀具公司在開發(fā)高性能刀具時,，一般會按照特定的加工應(yīng)用領(lǐng)域來設(shè)計工具和刀具系統(tǒng),，使其達(dá)到所需的高性能。刀具供應(yīng)商通常會針對大量的特殊應(yīng)用領(lǐng)域而開發(fā)刀具,，從而使可選用的刀具范圍和刀具品種不斷增加,。事實上，今天的加工車間已經(jīng)不能只依靠自己有限的知識來決定如何正確地選用刀具,，而需要找到專業(yè)的刀具供應(yīng)商,。

　　所說的專業(yè)技術(shù)的體現(xiàn)有幾種不同的形式，其中包括：

　　1.對材料的專業(yè)研究

　　Precision Dormer公司的Andrew Hunte先生列舉了在加工特殊材料中,，鉆頭按照性能要求設(shè)計的各種方法,。在過去，對刀具的要求只是帶有“涂層”或不帶“涂層”,，而現(xiàn)在為滿足不同材料加工的需要,，出現(xiàn)了一系列不同成份的涂層材料。他說,，現(xiàn)在人們更加關(guān)注基質(zhì)材料,，這是今天刀具研究和開發(fā)的最重要領(lǐng)域。

　　其次,，刀具本身的幾何形狀也十分重要,。這些因素主要是針對刀具而言，并不只是針對難以加工的材料,。以鋁合金材料為例,，在專門為鋁合金加工而設(shè)計的刀具中，鎢的含量極高,。用這種刀具加工的工件表面質(zhì)量很好,，可防止刀刃卷曲。此外,，其幾何角度能使切屑伸直和斷裂,，防止鋁材產(chǎn)生變軟和粘連的切屑傾向,。對類似問題進行慎重的考慮可保證使鉆頭在任何金屬材料或非金屬材料的加工中實現(xiàn)其最高性能,。

　　2.對工件的理解

　　另外，工件的幾何形狀對刀具的選用也具有很大的意義,。復(fù)雜工件會給車間在非標(biāo)準(zhǔn)刀具的投資方面帶來沉重的負(fù)擔(dān),，因為必須解決具有挑戰(zhàn)性的間隙問題,，而且非高效刀具可能會使切削力度不足和支持力不夠，難以處理硬度較低的材料,。

　　一個專業(yè)刀具供應(yīng)商不但應(yīng)該在材料方面具有專業(yè)研究,，而且在這類零件的加工方面也應(yīng)具備專門為“困難”工件而設(shè)計的加工系統(tǒng)。

舉例來說,，渦輪葉片和渦輪機外殼就屬于這類“困難”工件,。這些復(fù)雜的車削零件往往由難加工的合金材料制成，一般帶有成型隱窩的特點,，而且需要刀具滿足各種困難的間隙要求,。為了克服這些困難，Sandvik Coromant公司開發(fā)了模塊式SL70/40型刀具系統(tǒng)——一種可隨意配置的快速更換系統(tǒng),，幾乎適合于任何渦輪葉片和渦輪機外殼等重型件的穩(wěn)定加工,。這種刀具系統(tǒng)只需一些模塊，采用不同的配置,，就能以恰當(dāng)?shù)拈g隙保證正確地對各種渦輪機工件進行加工,，同時，融合到這一刀具中的HP技術(shù),，可通過向刀刃正上方噴射高壓冷卻液,，幫助解決難加工材料的加工問題。

3.對終端市場的認(rèn)知

　　不同的行業(yè)也有不同的加工要求,，刀具供應(yīng)商應(yīng)該有能力幫助加工車間滿足這些要求,。某些材料本身也越來越多地隨著特定的行業(yè)要求而變化。例如復(fù)合材料就是一個很好的例子,。Precision Dormer公司正在為開發(fā)航空航天工業(yè)復(fù)合材料的鉆削加工用刀具和應(yīng)用知識投入相當(dāng)多的資金,。

　　某些加工零件所面臨的挑戰(zhàn)也與某些行業(yè)有關(guān)。Sandvik Coromant公司的航空航天開發(fā)部項目經(jīng)理Chris Mills先生列舉了一個有關(guān)表面完整性的實例,。這是一個需要考慮的重要問題,，航空航天工業(yè)以外很少有加工車間會以同樣的方式面臨這類問題。然而,，在航空航天工業(yè)中,，加工力度和溫度會產(chǎn)生微硬變化、塑料形變和殘余應(yīng)力,，這些因素致使零件的精確度降低,。

　　該公司已經(jīng)研究了這一現(xiàn)象，特別分析了刀具后沿磨損對加工表面的影響,。刀具和切削技術(shù)的開發(fā)是為了以某種方式控制這一邊緣的磨損,，這種方法甚至讓飛機零件生產(chǎn)者滿足了大多數(shù)所需的表面完整性要求。

增加金剛石刀具應(yīng)用的百分比

　　金剛石刀具可提高機床的工作效率,，而且可提供專業(yè)的解決方案,，以滿足更多的需求應(yīng)用,。

　　無論在什么情況下，只要是生產(chǎn)能力緊張時,，就應(yīng)該考慮應(yīng)用聚晶金剛石(PCD)或立方氮化硼(CBN)刀具,。

　　先進的工件與先進的刀具之間存在著一種直接的聯(lián)系。正如汽車制造商那樣,，對于要求嚴(yán)格的零件,，開始越來越多地采用高性能材料。為了以最有效的方式加工這些材料,，金剛石刀具的使用也越來越普遍,。飛機制造工業(yè)的情況也是如此，他們也越來越多地采用金剛石刀具來滿足日益增長的鈦合金加工的需求,。

　　金剛石刀具的另一個重要應(yīng)用領(lǐng)域是復(fù)合材料的加工,，只要機床本身適合于金剛石刀具加工就行。Precision Dormer公司設(shè)計開發(fā)了一系列鉆頭,，如采用碳化物硬質(zhì)材料,、金剛石涂層和PCD材料等的鉆頭，以應(yīng)用不同等級的加工設(shè)備來鉆削加工復(fù)合材料上的不同孔徑,。

　　金剛石刀具和類似金剛石的刀具,，不管是PCD，還是CBN或是金剛石涂層刀具,，將越來越多地進入到加工應(yīng)用領(lǐng)域,。而且，采用這類材料制成的刀具應(yīng)用比例也將不斷增長,。

Diamond Innovations公司的產(chǎn)品加工部經(jīng)理Jim Graham先生說,，這是一種必然的發(fā)展趨勢。PCD和CBN材料的發(fā)展使這些材料的應(yīng)用方式不斷增加,，使刀具的品種更加豐富多彩,、成本效益不斷提高。同時,，這些刀具的加工速度和使用壽命也在繼續(xù)提高,，使其加工工藝達(dá)到了碳化物硬質(zhì)合金刀具從未達(dá)到過的性能水平。

　　事實上,，金剛石及其相關(guān)的刀具滿足了之前提到的“提高機床的工作效率”和“滿足應(yīng)用專業(yè)技術(shù)的需求”,。由于刀具的使用壽命延長、切削參數(shù)提高,，從而提升了刀具的加工能力,，減少了刀具更換的頻率，使機床能夠以更高的速度加工生產(chǎn)零件。同時,，在刀具中融入了更多的專業(yè)技術(shù)解決方案，進一步滿足了各應(yīng)用領(lǐng)域的需求,。

1.高性能零件的加工

　　在汽車零部件生產(chǎn)中,，汽車發(fā)動機向更高性能發(fā)展的同時，也促進了材料向更加難以加工的方向發(fā)展,。例如,，進氣閥和排氣閥的氣門座圈越來越多地采用特殊的合金制成。其他的發(fā)動機零件也開始采用高密度石墨鑄鐵(CGI),。對日益增加的普通鑄鐵零件的需求也產(chǎn)生了很大的影響,，因為新的鑄鐵要比經(jīng)過時效處理后的鑄鐵更難以加工。實踐證明,，在汽車制造領(lǐng)域所面臨的這類挑戰(zhàn),，采用CBN刀具是最好的解決辦法。

　　然而,，在航空航天業(yè)的生產(chǎn)中,，采用復(fù)雜的刀具也許是提高生產(chǎn)率的一個極好機會。新型的飛機設(shè)計將對鈦合金,、包括鈦合金復(fù)合材料加工的零件提出更高的需求,。由于其需求量是如此之大，以至于加工車間無法采用現(xiàn)有的加工工藝來滿足這一需求,。為了提高生產(chǎn)能力,，許多加工車間將不得不提高他們的生產(chǎn)速度來加速零件的加工。如果應(yīng)用得當(dāng),，金剛石刀具和金剛石涂層可以使這些車間以更高的速度加工鈦合金零件,。

　　2.復(fù)合材料的鉆削加工

　　金剛石刀具在航空航天領(lǐng)域的另一個應(yīng)用也許超越了理論上的“金屬加工”，因為它涉及到復(fù)合材料,，而且用這類材料制造的零件已開始越來越多地代替某些金屬零件,。從事鉆削加工專業(yè)的Precision Dormer公司發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的加工也是一個十分關(guān)鍵的領(lǐng)域，采用金剛石刀具以及其他高性能刀具可以大大提高生產(chǎn)效率,。

　　Gary Kirchoff先生是該公司的產(chǎn)品經(jīng)理,，負(fù)責(zé)復(fù)合材料相關(guān)的刀具生產(chǎn)。他謹(jǐn)慎地解釋說,， 并不是每一種鉆削工藝都具有讓金剛石刀具良好工作所必需的剛性,、穩(wěn)定性和較低的徑向跳動誤差。該公司繼續(xù)不斷地開發(fā)適合于各種復(fù)合材料加工設(shè)備的鉆頭設(shè)計,，其設(shè)備范圍包括從手工進給的鉆削加工單元到最復(fù)雜的數(shù)控機床,。

　　然而，當(dāng)金剛石涂層刀具或PCD刀具應(yīng)用于復(fù)合材料的鉆削加工時,，其成本和生產(chǎn)率方面的提高也是很驚人的,。因為碳化物硬質(zhì)合金刀具在加工研磨性很強的復(fù)合材料時,，其磨損速度很快，而金剛石刀具的使用壽命則要比前者高好幾倍,。它的加工速度是如此之高,，因此對需要加工很多孔徑的工件來說，加工每一個零件,，即可節(jié)約很多時間,。事實上，同樣的金剛石刀具可以繼續(xù)鉆削加工某些金屬材料,，可讓金剛石刀具有效地加工復(fù)合材料/鋁合金組件或復(fù)合材料/鈦合金疊層材料,。

　　然而，并不是每一種金屬或每一種材料都適合制作PCD,、CBN或金剛石涂層刀具,。除了加工航空航天業(yè)應(yīng)用的復(fù)合材料之外，其他合適的材料還包括鈦金屬,、鋁金屬和硬質(zhì)鋼材,。當(dāng)然，所使用的機床也必須非常合適,，因為這類刀具需要較高的速度,。速度較低的機床可能無法發(fā)揮這類刀具應(yīng)有的潛能。同時,，對機床的剛性也有一定的要求,，盡管其剛性要求并不是像許多人想象的那么高。近幾年來,，這些刀具材料的韌性已有相當(dāng)大的改進,。

　　另外，金剛石刀具及其相關(guān)的刀具產(chǎn)品特別適合于長時間的切削加工和大批量的生產(chǎn),。其原因非常簡單,，因為刀具的壽命大大提高。該刀具的使用壽命可以達(dá)到如此之長,，因此加工車間可以盡情地發(fā)揮刀具的有效壽命進行切削加工,。

　　那么使用者如何知道自己的加工車間是否已經(jīng)獲利?Graham先生說，航空航天領(lǐng)域鈦金屬的一個加工實例可以給我們一點啟示,。簡單地說,，可以與車間所面臨的需求進行比較，看一看車間的生產(chǎn)能力局限于哪些地方,。在加工零件過程中,，你所采用的工藝必須能適應(yīng)更多的訂貨要求或達(dá)到更高的產(chǎn)量，通過提高速度，采用CBN和PCD刀具就可以讓你實現(xiàn)這些生產(chǎn)率目標(biāo),，而不必購置新的機床,。