我國(guó)制造業(yè)經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的艱苦努力，取得了長(zhǎng)足的發(fā)展和進(jìn)步，建立了門類齊全、具有相當(dāng)規(guī)模和一定水平的工業(yè)生產(chǎn)體系，已成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要的支柱產(chǎn)業(yè)。但是，雖然我國(guó)已是位居全球第四位的“制造大國(guó)”，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是“制造強(qiáng)國(guó)”。我們的自主創(chuàng)新能力不強(qiáng)，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力較弱，制造業(yè)的人均勞動(dòng)生產(chǎn)率僅為美國(guó)的1/23，日本的1/25，德國(guó)的1/18。許多高端重大技術(shù)裝備（尤其是其中的關(guān)鍵核心技術(shù)）主要依賴從國(guó)外進(jìn)口。
　　國(guó)務(wù)院在“關(guān)于加速振興裝備制造業(yè)的若干意見”中指出：要以結(jié)構(gòu)調(diào)整為主線，優(yōu)化裝備制造業(yè)的產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，有計(jì)劃、有重點(diǎn)地研究開發(fā)重大技術(shù)裝備所需的關(guān)鍵共性制造技術(shù)、關(guān)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(shù)正是制造業(yè)（特別是裝備制造業(yè)）應(yīng)用最廣泛的關(guān)鍵共性制造技術(shù)。全世界每年消耗的加工費(fèi)用約為1000億美元，約有10%的金屬被切成切屑。通過開發(fā)和應(yīng)用先進(jìn)加工技術(shù)，節(jié)約20%是完全可能的。發(fā)展毛坯精密成形和高效切（磨）削加工技術(shù)是提高加工制造水平最有效的途徑。
　　一、切削加工制造領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)
　　機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是高效率、高精度、高柔性和綠色化。高速切削、高性能（大進(jìn)給）切削、硬切削、干（準(zhǔn)干）切削、復(fù)合切削等是最主要的高效率、高質(zhì)量切削加工技術(shù)，在發(fā)達(dá)國(guó)家已成為切削加工的主流和發(fā)展方向。在國(guó)外，采用先進(jìn)刀具材料加工鋁合金時(shí)切削速度為2000～5000m/min（最高可達(dá)7500m/min）；加工鑄鐵時(shí)為800～1500m/min（最高可達(dá)2200m/min）；加工鋼時(shí)為350～700m/min；加工鈦合金時(shí)為100～400m/min；加工鎳基合金時(shí)為60～150m/min。車削加工的每轉(zhuǎn)進(jìn)給量達(dá)4mm/r，銑削加工的每齒進(jìn)給量達(dá)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(guó)的汽車、航空、模具、動(dòng)力機(jī)械、紡織機(jī)械、工程機(jī)械等行業(yè)購(gòu)置了一大批進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床與加工中心，其主軸轉(zhuǎn)速在7000～8000r/min（一部分達(dá)到12000～30000r/min），工進(jìn)速度為5～10m/min。這些行業(yè)已不同程度地采用了高速切削、大進(jìn)給切削、硬切削和干（準(zhǔn)干）切削等高效切削技術(shù)，在汽車和飛機(jī)制造業(yè)還部分采用了由高速加工中心組成的生產(chǎn)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(gè)別具有國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平的汽車制造廠高速鋼涂層刀具的使用率達(dá)85%，可轉(zhuǎn)位刀具的使用率達(dá)75%以上。先進(jìn)切削技術(shù)的應(yīng)用提高了加工效率和表面質(zhì)量，加快了新產(chǎn)品開發(fā)，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
　　但是，目前國(guó)內(nèi)切削加工技術(shù)的總體水平仍然很低，傳統(tǒng)的切削加工方式尚未得到根本轉(zhuǎn)變。國(guó)內(nèi)刀具材料的使用情況表明，立銑刀、鉆頭、絲錐、滾刀等復(fù)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(zhì)合金滾動(dòng)僅占6%，且主要是未涂層滾刀）；車刀、鏜刀、面銑刀的刀片材質(zhì)主要為普通的YG、YT硬質(zhì)合金；涂層刀具的比例約為15%（發(fā)達(dá)國(guó)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(diào)查發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床和加工中心的使用效率普遍較低。例如，某飛機(jī)制造企業(yè)在主軸轉(zhuǎn)速24000r/min的龍門式加工中心上加工大型機(jī)身整體鋁合金件時(shí)，多年來一直使用φ20～32mm高速鋼立銑刀（未涂層）以6000～7000r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行加工；某紡織機(jī)械廠在多臺(tái)主軸轉(zhuǎn)速6000～7000r/min的立式加工中心上加工鑄鐵工件時(shí)，長(zhǎng)年使用高速鋼立銑刀以2000～3000r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行加工，加工效率很低。調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)不少企業(yè)常常把加工中心當(dāng)作一般數(shù)控機(jī)床使用，加工時(shí)不用刀庫(kù)，轉(zhuǎn)換工序或在同一工序中加工另一個(gè)工件時(shí)，仍采用人工換刀。調(diào)查表明，國(guó)內(nèi)加工中心開動(dòng)率平均僅為58.7%（國(guó)外一般在70%～80%以上）。
　　總之，使用普通刀具的傳統(tǒng)切削加工目前仍是國(guó)內(nèi)切削加工技術(shù)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(yán)峻的事實(shí)是，雖然國(guó)內(nèi)已有一批工具企業(yè)從生產(chǎn)傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)高速鋼刀具發(fā)展到以生產(chǎn)硬質(zhì)合金刀具為主，使國(guó)產(chǎn)高效切削刀具在國(guó)內(nèi)開始占有一席之地，但在整個(gè)國(guó)內(nèi)高效切削刀具市場(chǎng)上，國(guó)產(chǎn)刀具的占有率仍然只有10%左右。除個(gè)別刀具國(guó)產(chǎn)化工作開展較好的企業(yè)外，國(guó)內(nèi)大部分轎車生產(chǎn)企業(yè)幾乎所有的刀具全部依靠進(jìn)口（國(guó)外有名的刀具制造商幾乎都在國(guó)內(nèi)設(shè)有工廠或代理商）。國(guó)內(nèi)高效刀具生產(chǎn)現(xiàn)狀與國(guó)外先進(jìn)水平的差距甚至比在數(shù)控機(jī)床方面的差距更大。
　　國(guó)內(nèi)制造業(yè)尤其是裝備制造業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)能力弱、周期長(zhǎng)，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力差的原因比較復(fù)雜，但歸根結(jié)底，主要是對(duì)堅(jiān)持自主創(chuàng)新，發(fā)展先進(jìn)制造技術(shù)，提高研究開發(fā)新產(chǎn)品的能力和加工制造水平的重大意義認(rèn)識(shí)不清，科技投入不足。不少企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)比較重視購(gòu)買先進(jìn)設(shè)備，而忽視先進(jìn)制造工藝的研發(fā)和應(yīng)用，認(rèn)為我國(guó)勞動(dòng)力便宜，加工制造效率不是大問題，生產(chǎn)任務(wù)緊張時(shí)大多采用工人加班加點(diǎn)及增添設(shè)備的措施來應(yīng)付，而很少著眼于研究開發(fā)和推廣應(yīng)用先進(jìn)加工制造技術(shù)，充分發(fā)揮設(shè)備潛力，大力提高生產(chǎn)效率。
　　面對(duì)制造業(yè)全球化、市場(chǎng)化、信息化和綠色化的挑戰(zhàn)以及我國(guó)切削加工行業(yè)存在的問題，堅(jiān)持自主創(chuàng)新與引進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，發(fā)展和應(yīng)用先進(jìn)制造技術(shù)，大力提高開發(fā)及制造新產(chǎn)品的能力和水平，是我國(guó)做強(qiáng)制造業(yè)（特別是裝備制造業(yè)）的必由之路。
　　二、高速切削加工技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用
　　在切削加工領(lǐng)域，加工時(shí)間包括切削時(shí)間和非切削輔助時(shí)間（如裝夾工件、換刀等）。為了減少切削時(shí)間，必須大力發(fā)展和推廣應(yīng)用高速切削、大進(jìn)給高性能切削和硬切削等高效切削加工技術(shù)；為了縮短非切削輔助時(shí)間，應(yīng)發(fā)展復(fù)合切削加工（包括多功能復(fù)合加工機(jī)床）、工件快速自動(dòng)裝卸和自動(dòng)換刀技術(shù)等，以減少工件裝卸和刀具換刀的次數(shù)與時(shí)間。
　　1．高速切削加工的理論基礎(chǔ)及特點(diǎn)
　　（1）高速切削加工的速度范圍
一般主軸轉(zhuǎn)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(chǔ)
　　高速（超高速）切削是一種在切削過程能量應(yīng)用中高硬度的刀具（切削部分）對(duì)工件的作用導(dǎo)致其表面層產(chǎn)生高應(yīng)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(xué)行為形成熱力耦合不均勻強(qiáng)應(yīng)力場(chǎng)的制造工藝。高速切削技術(shù)研究的主要目標(biāo)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(zhì)量以及系統(tǒng)在可能的最好穩(wěn)定條件下可使最大應(yīng)用能量達(dá)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(xué)是高速切削加工技術(shù)研究的兩個(gè)基本科學(xué)問題。
　　（3）高速切削加工的突出特點(diǎn)
　　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(dá)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(jī)理
　　高速切削刀具的失效不是最大等效應(yīng)力造成的，而是在二維熱力耦合不均勻強(qiáng)應(yīng)力場(chǎng)作用下引起裂紋擴(kuò)展造成的后期疲勞破損。
　　（2）高速切削刀具的磨損機(jī)理
　　高速切削刀具的主要磨損機(jī)理為熱－力學(xué)磨損（磨粒磨損、粘結(jié)磨損）和熱－化學(xué)磨損（擴(kuò)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(tǒng)包括刀具、工件和機(jī)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(jī)理是合理應(yīng)用刀具材料的理論基礎(chǔ)，而刀具與工件材料的力學(xué)、物理和化學(xué)性能則是合理應(yīng)用刀具材料的依據(jù)。
　　（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(zhì)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(zhì)合金，陶瓷等。復(fù)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(rùn)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(xì)晶粒硬質(zhì)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(diǎn)
　　①力學(xué)性能
　　硬度：PCD＞PCBN＞Al2O3基陶瓷＞Si3N4基陶瓷＞TiC（N）基硬質(zhì)合金＞W(wǎng)C基超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金＞HSS。
抗彎強(qiáng)度：HSS＞W(wǎng)C基超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金＞TiC（N）基硬質(zhì)合金＞Si3N4基陶瓷＞Al2O3基陶瓷＞PCD＞PCBN。
斷裂韌性：HSS＞W(wǎng)C基超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金＞TiC（N）基硬質(zhì)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(zhì)合金>WC基超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金＞HSS。
　　②物理性能
　　耐熱性：PCBN（1400～1500℃）＞陶瓷（1100～1200℃）＞TiC（N）基硬質(zhì)合金（900～1100℃）＞W(wǎng)C基超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金（800～900℃）＞PCD（700～800℃）＞HSS（600～700℃）。
導(dǎo)熱系數(shù)：PCD＞PCBN＞W(wǎng)C基超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金＞TiC（N）基硬質(zhì)合金＞HSS＞Si3N4基陶瓷＞Al2O3基陶瓷。
熱脹系數(shù)：HSS＞W(wǎng)C基超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金＞TiC（N）基硬質(zhì)合金＞Al2O3基陶瓷＞PCBN＞Si3N4基陶瓷＞PCD。
抗熱震性：HSS＞W(wǎng)C基超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金＞Si3N4基陶瓷＞PCBN＞PCD＞TiC（N）基硬質(zhì)合金＞Al2O3基陶瓷。
　　③化學(xué)性能
　　抗粘結(jié)溫度（與鋼）：PCBN＞陶瓷＞硬質(zhì)合金＞HSS。
　　抗粘結(jié)溫度（與鎳基合金）：陶瓷＞PCBN＞硬質(zhì)合金＞PCD＞HSS。
　　抗氧化溫度：陶瓷＞PCBN＞硬質(zhì)合金＞PCD＞HSS。
　　擴(kuò)散強(qiáng)度（對(duì)鋼鐵）：PCD＞SiC＞Si3N4基陶瓷＞PCBN＞Al2O3基陶瓷（Si3N4基陶瓷加工鋼時(shí)不如Al2O3基陶瓷）。
　　擴(kuò)散強(qiáng)度（對(duì)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(shí)的溶解度（1027℃）：SiC＞Si3N4基陶瓷＞PCD＞W(wǎng)C基硬質(zhì)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(fù)雜刀具可選用整體超細(xì)晶粒硬質(zhì)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(xì)晶粒硬質(zhì)合金及其TiCN、TiAlN、TiN涂層刀具和TiC（N）基硬質(zhì)合金（尤其是整體復(fù)雜刀具）適合高速切削鋼和鑄鐵。
　　③加工超級(jí)合金：增韌補(bǔ)強(qiáng)（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(xì)晶粒硬質(zhì)合金及其涂層刀具（特別是復(fù)雜刀具）。
　　④加工鈦合金：WC基超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金和金剛石刀具。采用潤(rùn)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(fā)體系
　　高速切削刀具材料的研究開發(fā)理論體系以刀具材料的切削可靠性為基礎(chǔ)，融切削學(xué)與刀具材料學(xué)于一體，為刀具新材料的研究開發(fā)提供了理論指導(dǎo)。
　　4．高速切削刀具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和創(chuàng)新
　　以刀具的可靠性、安全性、高效率、長(zhǎng)壽命為目標(biāo)，在結(jié)構(gòu)參數(shù)、幾何形狀、可轉(zhuǎn)位刀具的刀體材料和裝夾結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和創(chuàng)新。例如，在安全性方面，可轉(zhuǎn)位面銑刀在高速切削時(shí)會(huì)因旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)優(yōu)于平裝銑刀，鋁合金刀體優(yōu)于鋼制刀體。又如混合刀齒的面銑刀和大進(jìn)給切削的立銑刀均因考慮結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。
　　5．高速切削加工的刀柄系統(tǒng)
　　高速切削加工常用的刀柄系統(tǒng)有單面接觸的BT系統(tǒng)（刀柄錐度7∶24）和雙面接觸的HSK系統(tǒng)（刀柄錐度1∶10）等。目前以HSK刀柄應(yīng)用較為普遍。
　　BT40刀柄聯(lián)接的最佳轉(zhuǎn)數(shù)范圍為0～12000r/min，在12000～15000r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)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(zhuǎn)速范圍為0～30000r/min，超過這個(gè)范圍精度會(huì)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(xiàn)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(diǎn)。
　　6．高速切削刀具的動(dòng)平衡
　　旋轉(zhuǎn)刀具系統(tǒng)在高速切削（6000r/min以上）時(shí)必須保持平衡，要求平衡品質(zhì)G≤2.5（mm/s），以保證加工安全。
　　三、高速硬切削加工技術(shù)
　　高速硬切削是高速切削加工技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，在汽車、航空航天、模具制造等行業(yè)的應(yīng)用日益廣泛。高速硬切削對(duì)刀具材料的硬度、耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性均有較高要求，可以根據(jù)不同的工件材料選用PCBN、陶瓷等刀具進(jìn)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(shí)間。
　　四、高效復(fù)合加工技術(shù)
　　高度集中（復(fù)合）的加工理念已成為制造業(yè)新的發(fā)展趨勢(shì)。為了提高加工效率和加工質(zhì)量，可以通過一次安裝工件，用復(fù)合刀具進(jìn)行多工序復(fù)合加工；也可以在同一臺(tái)機(jī)床上同時(shí)進(jìn)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(shí)間。例如，日本最新開發(fā)的Integrex200－Ⅲ數(shù)控機(jī)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(tái)機(jī)床就相當(dāng)于一個(gè)“小車間”。德國(guó)DMG公司生產(chǎn)的DMU系列加工中心可由CNC系統(tǒng)控制或CAD/CAM直接或間接控制，通過一次裝夾完成5個(gè)加工面的五軸聯(lián)動(dòng)加工。
　　五、結(jié)束語
　　針對(duì)我國(guó)制造業(yè)尤其是裝備制造業(yè)存在的自主創(chuàng)新能力弱、制造技術(shù)水平落后、對(duì)外技術(shù)依存度高的嚴(yán)峻局面，“十一五”規(guī)劃提出了加快發(fā)展裝備制造業(yè)的戰(zhàn)略目標(biāo)和指導(dǎo)方針，為此，國(guó)務(wù)院頒發(fā)了“關(guān)于加速振興裝備制造業(yè)的若干意見”。切削加工技術(shù)作為裝備制造業(yè)的關(guān)鍵共性技術(shù)，表現(xiàn)加快發(fā)展步伐。高效加工技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家已成為加工技術(shù)的主流，發(fā)展和應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)是振興裝備制造業(yè)的必由之路。我國(guó)在高速數(shù)控機(jī)床、高效切削技術(shù)基礎(chǔ)理論及刀具技術(shù)方面已有一定的基礎(chǔ)，只要我們轉(zhuǎn)變觀念，抓住振興裝備制造業(yè)的大好機(jī)遇，勇敢地迎接挑戰(zhàn)，堅(jiān)持自主創(chuàng)新與引進(jìn)消化相結(jié)合，大力發(fā)展和推廣應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)，完善和壯大現(xiàn)代機(jī)床工具工業(yè)體系，經(jīng)過若干年的努力，一定可以實(shí)現(xiàn)建設(shè)制造業(yè)強(qiáng)國(guó)的宏偉目標(biāo)。

　　來源：《工具展望》 作者：山東大學(xué) 艾興