一、前言
　　1．制造業是國民經濟的支柱產業
　　美國制造業協會（AMT）2000年發表的報告指出，制造業是推動美國20世紀90年代經濟增長的第一大動力。1992～1997年美國國內生產總值增長的29%來自制造業，同期美國制造業的年增長率為5.2%，高于經濟的平均增長率3.1%。據統計，1992～1998年美國經濟增長的24%歸功于出口增長,其中制造業占整個出口的62%。制造業也是推動美國技術進步的主要力量，美國全部研究與開發投資的57%來自制造業。制造業也是我國經濟高速增長的發動機。我國制造業的增長率高出國民生產總值增長率約3～8個百分點。2001年的統計數據表明，中國制造業增加值為37613.1億元，占國民生產總值39.21%，占工業生產總值77.61%；上交稅金4398.17億元，占國家稅收總額的30%和財政收入的27%；制造業出口創匯2398億美元，占全國外貿出口總額的90%。可是我國制造業的勞動生產率只相當于美國的1/23、日本的1/25和德國和1/18，與發達國家存在著巨大差距。
　　2.刀具是制造業發展的重要基礎
　　美、德、日等制造業發達的國家無一例外都是刀具工業先進的國家。先進刀具不但是推動制造技術發展進步的重要動力，還是提高產品質量、降低加工成本的重要手段。刀具與機床一直是互相制約又相互促進的。今天先進的數控機床已經成為現代制造業的主要裝備，它與同步發展起來的先進刀具一起共同推動了加工技術的進步，使制造技術進入了數控加工的新時代。轎車發動機曲軸加工的進步是一個很好的例證：曲軸的加工方式在20世紀60年代為車削，70年代為銑削。前幾年我們還說曲軸車—拉刀的發明使切削效率成倍提高并帶來加工設備和加工方式的革命性變化，現在又出現了效率更高的曲軸高速銑刀。又如超硬刀具、陶瓷刀具和涂層刀具是和大功率、高剛性、高轉速、大進給量的機床相伴產生的。除了轎車工業以外，先進的切削技術和刀具也是制造業中航空航天、能源交通、模具、電子等部門迅速發展的重要基礎。
　　3.制造業的發展為刀具行業帶來了空前的機遇和挑戰近年來我國以轎車為代表的汽車工業取得了高速的增長。今年我國汽車和轎車的產量預計將分別達到400萬輛和150萬輛，中國已成為世界第五大汽車生產國。世界上汽車大國都是刀具大國，權威機構預測，到2010年中國將成為僅次于美國的世界第二大汽車生產國，隨之而來的必然是對先進切削技術及刀具更大的需求。轎車工業的發展帶動了我國制造業的發展和制造技術的進步，也給機床和刀具行業帶來了空前的發展機遇。1999年以來我國機床消費以每年27.6％的速度增長，2002年中國已超過德國和美國成為世界最大的機床消費國。可以預料，一個先進刀具需求和消費的高潮將很快到來。
　　二、世界切削技術取得了重大進展
　　從世界范圍看，隨著制造業和制造技術的發展刀具和切削加工技術取得了重大進展。近20年來，數控機床、數控系統、刀具材料、涂層都有很大發展，達到了新的水平，加上刀具結構的不斷創新使切削加工進入了高速切削的新階段，其主要技術特征是切削速度有5～10倍的提高。現階段工業生產中高速切削的實例見表1
　　表1.現階段高速切削實例
　　銑削：CBN銑削灰鑄鐵－1000～2000m/min；PCD銑削鋁合金－3000～4000m/min
　　車削：氮化硅陶瓷車削灰鑄鐵－500～700m/min；CBN車削淬火鋼(60HRC)－100～200m/min；CBN車削灰鑄鐵剎車盤－700～1000m/min
　　鉆削：整體硬質合金鉆頭鉆灰鑄鐵－100m/min
　　攻絲：鈷高速鋼絲錐加工可鍛鑄鐵(M14×1.5)－61m/min
　　滾齒：硬質合金滾刀加工16MnCr5－350m/min；金屬陶瓷滾刀加工16MnCr5－600m/min
　　高速切削的優越性主要體現在以下方面：生產效率比10年前提高50%～100%以上；切削力小，提高了產品質量；降低了制造成本（因效率提高，加工單個零件的人工成本、機床費用大幅下降）；開發了干切削、硬切削等新工藝等。
　　下面就刀具材料、涂層和切削技術的發展及其對切削加工的影響作一簡要介紹。
　　1．刀具材料
　　刀具材料的發展從高速鋼→硬質合金→陶瓷→超硬材料，高性能材料不斷取代低性能材料，切削速度和加工效率不斷提高。表2是1998年和預測2005年刀具材料構成情況。表2.1998年和2005年刀具材料構成情況的比較
　　刀具材料－1998年－2005年
　　未涂層硬質合金－25%－17%
　　CVD涂層硬質合金－43%－38%
　　PVD涂層硬質合金－10%－15%
　　氧化鋁陶瓷－4%－4%
　　氮化硅陶瓷－4%－4%
　　金屬陶瓷－10%－11%
　　CBN－2%－5%
　　金剛石－3%－5%
　　金剛石涂層－0.2%－1%
　　（說明：1998年各部分比例合計大于1，原資料如此。）
　　(1)硬質合金是目前使用最多的刀具材料。為實現加工過程的優化，國內外都針對不同加工方式和被加工材料開發了系列硬質合金新牌號。各種涂層硬質合金刀具的應用范圍覆蓋了切削加工的大多數領域，可滿足鋼、鑄鐵、有色金屬、不銹鋼等各種材料的高速切削、干式切削和硬切削加工的要求。
　　細顆粒和超細顆粒硬質合金（以下統稱細顆粒硬質合金）的出現是近年硬質合金的技術發展上的一個重大突破。由于細顆粒硬質合金的性能比普通硬質合金有顯著的改善，使刀具的切削速度又有大的提高。此外用細顆粒硬質合金制造的中小規格鉆頭、絲錐和立銑刀帶動了量大面廣的通用刀具進入高速切削領域。上海大眾先后引進的兩條發動機生產線上的孔加工刀具從高速鋼進步到硬質合金，從而大大提高了加工效率就是一個很好的例子。
　　(2)陶瓷刀具主要應用于耐磨材料、淬硬材料和難加工材料等的車、銑粗精加工。陶瓷材料的耐磨性高于硬質合金但比較脆。從氧化鋁（Al2O3）陶瓷到混合陶瓷和氮化硅基陶瓷，一直在致力于改善陶瓷材料自身的韌性，也采取如滲入粘結材料或TiC晶須之類的措施增強韌性。現在有的陶瓷材料的性能已進入硬質合金強度和韌性的范圍，應用領域也有所擴大。
　　(3)超硬刀具中，PCD已成為高效加工鋁合金、非金屬材料、合成材料的主要刀具材料，而CBN則在硬切削、干切削、鑄鐵的精加工等領域得到更廣泛的應用。過去因脆性大性能不穩定而限制超硬刀具應用的瓶頸現已突破：汽車生產線上CBN刀具加工生鐵缸孔的速度已達到2000m/min，PCD刀具銑削鋁合金缸體的速度達到4000m/min；而航空航天部門銑削鋁合金的速度已達到7000m/min。
　　（4）高性能高速鋼在刀具材料中仍占有重要的一席之地。當前普通高速鋼用量不斷萎縮，而高性能的含鈷高速鋼和粉末冶金高速鋼的用量在增加。以M42和ASP30為代表的鈷高速鋼最高淬火硬度達70HRC，而且高速鋼具有強度高、刃口鋒利、抗沖擊、耐熱振性好的獨特優勢。切削中消耗能量少，切削溫度低，無加工硬化，工件表面質量好，在通用刀具、復雜刀具、難加工材料刀具上使用提高了切削速度和加工效率。
　　2．涂層技術
　　涂層技術的發展可以用三句話來概括：一是化學涂層目前仍是刀具涂層的主力；二是物理涂層取得了令人囑目的進展；三是涂層對刀具性能的貢獻在不斷上升。
　　（1）化學涂層（CVD）目前仍是硬質合金刀具涂層的主要方式。其優點一是與刀具基體的結合強度高；二是可以很容易實現復合涂層，即根據不同加工方式和切削不同材料的需要，把抗高溫氧化（Al2O3）、抗磨損（TiC、TiCN、TiBN等）和降低磨擦系數（TiN）的涂層復合起來，達到最佳的切削效果。化學涂層的不足是工藝處理溫度過高（1000℃），降低了刀具基體材料的抗彎強度，涂層薄膜內部呈拉應力狀態使用中易導致微裂紋的產生。涂層過程所排放的廢氣、廢液對環境有較大污染也制約了其發展。
　　20世紀90年代中期國外出現了中溫化學氣相沉積（MT-CVD）技術，它是以乙腈（CH3CN）為主要反應氣體，在700～900℃下與TiCl4、H2、N2產生化學反應生成TiCN的一種新方法。所生成的致密纖維狀結晶形態的涂層結構具有極高的耐磨損性、抗熱震性及韌性。還可以在一次裝爐中再通過常規CVD（高溫化學氣相沉積）在表層沉積上Al2O3、TiN等抗高溫、氧化性能好、與被加工材料親和力小、自潤滑性能好的材料。這種復合涂層刀具在高速、高溫、大負荷、干式切削條件下使用，其壽命可比普通涂層刀片提高1倍左右。不過乙腈（CH3CN）是一種劇毒物質，生產中必須有嚴格的環保措施。
　　化學涂層通過Al2O3與TiCN的復合、基體及其表層性能的改進使刀具獲得優良的綜合性能。CVD和MT-CVD主要用在硬質合金車、銑削類刀具上，適用于中型、重型、高速切削的粗加工及半精加工，特別在干式切削中占有很重要的地位。
　　（2）PVD涂層技術取得重大進展，品種增多，基本解決了多弧工藝的“液滴”問題，開發了納米涂層，涂層的性能顯著提高。物理涂層（PVD）因其處理溫度低（可控制在500℃以下）最初只用于高速鋼刀具的涂層，現在物理涂層已在硬質合金刀具上全面應用。PVD新型涂層牌號見表3。
　　表3.物理涂層新牌號
　　涂層－顏色－硬度(GPa)－厚度(μm)－摩擦系數－最高使用溫度（℃）－說明
　　TiAIN單層－紫黑－35－1～4－0.5－800－通用高性能涂層
　　TiAIN多層－紫黑－28－1～4－0.6－700－適用于斷續切削
　　TiCN-MP－紅-銅－32－1～4－0.2－400－高韌性通用涂層
　　MOVIC－綠-灰－/－0.5～1.5－0.15－400－MoS2基涂層
　　CrN－銀亮－18－1～4－0.3－700－適用于加工銅、鈦
　　TiAlCN－紅-紫－28－1～4－0.25－500－高性能通用涂層
　　CBC(DLC)－灰－20－0.5～4－0.15－400－潤滑涂層
　　CRADVIC－灰－28－1.5～6－0.15－400－TiAlCN+CBC
　　AlTiN－黑－38－1～4－0.7－800－屬高性能涂層
　　ΜAlTiN－黑－38－1～2－0.3－800－涂層表面質量好
　　AlTiN/SiN－紫蘭－45－1～4－0.45－1100－納米結構
　　在諸多物理涂層牌號中，TiAlN涂層占有重要地位。TiAlN在切削高溫下分解生成的Al2O3，具有耐高溫抗氧化的作用，能承受800℃的高溫，擴大了物理涂層刀具的使用范圍。復合涂層是物理涂層的重要發展方向：多層涂層結構可以防止裂紋擴散，使用復合涂層能獲得良好的綜合性能。例如，納米結構的AlTiN/SiN薄膜涂層不僅結合強度高、硬度接近CBN、抗氧化性能好，而且可有效地控制精密刀具刃口形狀及精度，可用于高精度加工。
　　與CVD工藝相比，PVD工藝處理溫度低，在600℃以下對刀具材料的抗彎強度沒有影響，薄膜內部為壓應力，更適合于硬質合金精密復雜類刀具的涂層；PVD工藝對環境沒有不利影響，符合目前綠色加工的發展方向。近兩年國內工具行業所引進的都是物理涂層工藝和設備。國內武漢大學武大弘毅新材料有限公司開發出納米氮化碳（CNx）超硬涂層工藝，已被國家列為重點產業化示范工程項目。
　　國外有人把超硬涂層、高韌性超硬材料和高韌性陶瓷稱做切削刀具的未來。突破CBN和CNx(氮化碳)涂層技術；開發納米結構的涂層和新型復合涂層將對切削刀具的發展做出更大的貢獻。
　　3．刀具結構的創新
　　以提高加工效率和產品質量、降低成本為目的而開發新的加工工藝、開發新的刀具結構，稱之為刀具結構的創新。下面以幾個例子來說明。
　　（1）插銑刀：變徑向進給為垂直進給（插銑），使切削力主要沿著主軸方向（剛性最好的方向），用于切除大的余量，提高生產效率；
　　（2）大進給銑刀：這是一種小切深大進給的高效刀具，每齒進給量達3.5mm；
　　（3）多功能車刀片：減少車削加工中換刀時間，提高加工效率；
　　（4）不等分齒硬質合金立銑刀：減少銑削過程中的振動，提高加工效率和加工質量，延長刀具壽命。
　　（5）多功能銑刀：一把刀可以做縱向、橫向、斜向和螺旋進給。減少換刀時間，提高銑削加工效率；
　　（6）立銑刀、鉆頭、絲錐等通用刀具，隨著五軸聯動數控工具磨床的普及，突破了標準刀具的束縛，可以根據被加工材料和改善加工條件的需要創新通用刀具的結構，達到最佳的加工效果。
　　從以上例子可看出通過刀具結構的創新往往在不增大刀具成本的前提下達到提高生產效率、提高產品質量和降低加工成本的效果。
　　三、切削工作者的歷史責任
　　中國現在是一個制造大國、一個刀具使用大國，但還遠遠不是一個制造強國和刀具強國。國內制造業的快速發展以及切削技術的重大進步為我國切削刀具的發展提供了空前的機遇。抓住機遇在未來的5～10年間進一步提高我國切削刀具的研發和應用水平，是包括刀具技術研究、產品開發、生產制造和使用部門在內的廣大切削工作者的歷史重任。
　　1.大力推廣先進刀具，促進產業結構調整
　　在機械加工中刀具費用雖只占很小的比例，但刀具技術的進步對加工成本的降低和產品質量的提高常常能起到事半功倍的作用。以轎車生產為例，刀具的消耗只占其制造成本的3%，但是卻影響到整個制造成本的25%或更多。其原因是先進刀具的使用提高了生產效率，減少了分攤在每個零件上的人工、設備、管理、輔料等的消耗，降低了總的制造成本和提高了產品質量。
　　先進刀具的推廣需要生產商和用戶兩個積極性。一些成功的刀具生產企業開展成功案例分析，結合用戶的實際把使用高效先進刀具后增加刀具費用、提高產品質量、降低生產成本、解決生產瓶頸等算一本細賬。用戶在使用先進刀具后得到實實在在的好處。在生產商和用戶雙贏的基礎上推廣先進刀具。
　　越來越多的制造業的用戶從推廣先進刀具中得到實惠以至于更多地使用先進刀具，必定形成一個巨大的市場導向作用，推動我國工具行業的產業結構的升級。工具行業的一些大型企業圍繞數控刀具正在進行新一輪的大規模技術改造，一批民營企業已經在數控刀具上樹立了自己的品牌，還有的通過控股的方式進入了復雜刀具領域。他們都是先進刀具市場的先知先覺和先行者。
　　2.重視人才培養提高行業技術創新能力
　　行業的興盛要靠不斷的技術創新，而人才則是技術創新的根本動力。這些年工具行業引進了不少先進的硬質合金生產設備和涂層設備，還引進了各種加工中心和數控工具磨床，但是國內的轎車生產線和數控加工中使用的多數還是洋品牌的刀具。不是說用洋刀具不對，都加入WTO了，為了提高生產效率和產品質量誰的刀具好就用誰的。問題是同樣的裝備為什么做不出同樣水平的產品。可想問題出在“軟件”上，差距差在創新能力上，而創新的關鍵要有人才。
　　現在高校機制專業教學大綱中把切削原理、刀具、機械零件、公差等歸并到機械設計一門課中，極大地弱化了在機械加工中占重要地位的切削技術的基礎教學。加上多年培養的刀具人才大量流失，不少人到效益好的企業去從事銷售工作，國內切削技術和刀具的技術研究開發后繼乏人。要把我國從刀具使用大國變成刀具大國、刀具強國，就必須加快人才培養和提高行業的技術創新能力。否則我國先進刀具的推廣將會成為無源之水、無本之木。以上現象已經開始引起重視，一些有戰略目光的企業已開始行動：有的設立了博士后流動站，采取措施留住和吸引人才；還有的正委托中國刀協組織國內高校和企業的教授專家為員工開展培訓。中國刀協將責無旁貸地和全行業一起做好這方面的培訓工作，除舉辦各類先進刀具研討、講學和為企業開展人才繼續教育外，還要和大家一起呼吁高校機制專業中要重視切削理論及刀具知識的教學，也要呼吁刀具制造和應用企業加強刀具專業人才的培養。
　　行業的技術創新要靠我們全體切削工作者的共同努力。刀具行業的國有企業、外資企業和民營企業有不同的企業文化背景，有各自的優勢和不足。大家既是市場上的競爭對手又是合作伙伴。有個外資企業提出要與用戶和競爭對手建立共贏的合作關系，表明他們既注重競爭更重視合作，并且深知只有共贏才能長期繁榮。一段時間我國工業行業通過技術引進擁有了許多先進技術和裝備，近些年國外知名工具公司在國內建廠，帶來了更多的先進刀具產品也帶來先進的經營理念。但是“拿來主義”不適用于技術創新。況且外資企業的核心技術開發部門并沒有進入我國。我們要痛下決心，在引進和自主開發的基礎上搞好技術創新工作。希望經過全行業3～5年的努力，培養和吸引一批人才，在刀具材料、涂層和刀具結構上取得一批有自主知識產權的成果，使本土的工具企業真正具有強大的技術創新能力。
　　3.產學研用同心協力,提高我國金屬切削刀具水平
　　當前國內刀具行業技術和市場競爭格局已現雛形。跨國刀具公司加大在中國的投資和營銷力度，既帶來先進的產品和技術也引發了高檔刀具市場空前激烈的競爭。工具行業國有重點骨干企業為迎接市場競爭正進行新一輪的技術改造，如上海工具廠有限公司投資1.2億的數控和超硬刀具項目，株洲硬質合金廠興建的鉆石工業園等。一批民營刀具企業已經崛起，創立了自己數控刀具的品牌。星羅棋布的中、小刀具企業都有各自的市場定位，找到了自己的生存空間。開放的市場，競爭的動力，互補的優勢，合作的意愿，必將加快我國切削刀具的發展。
　　提高我國的切削技術水平，繁榮我國的刀具產業，要依靠我國境內從事切削刀具科研、生產、教學、推廣、應用、管理或銷售的企事業單位和個人的共同努力。中國刀協愿搭建國內切削刀具產、學、研、用互相依托、長期合作、共同繁榮的舞臺。我們的教育和科研機構要以開放的姿態積極參與行業的技術創新活動，為行業培養人才，更要幫助企業提高技術創新能力；刀具行業的國有企業、外資企業和民營企業在競爭中要更注重合作，在提供先進產品的同時也提供先進的技術；應用單位要采用先進的切削技術和大力推廣先進刀具，提高切削水平。
　　在十六大振興加工制造業的方針指導下，我國制造業將持續快速發展。提高我國金屬切削水平是我國境內從事刀具科研教學、產品開發、生產制造、推廣應用的單位和個人的共同責任。中國刀協是“國內從事切削刀具科研、生產、教學、推廣、應用、管理和銷售的企事業單位和個人組成的行業學術團體”，聯系著包括企業、高校、科研院所、地區刀協和媒體在內的廣大會員單位，專業范圍涵蓋切削技術、刀具材料、涂層技術等方面。中國刀協將努力搭建切削領域產、學、研、用之間的橋梁，組織廣大會員從研究—開發—生產—應用的全過程為國家重點產業服務。讓我們共同努力為提高我國的切削技術水平，建設制造強國而不懈努力！