刀具技术在现代制造中的作用分析

0 引言

    当今世界正处在先进制造技术快速发展的时期。随着数控机床的问世，现代制造业发展了一系列的数控加工技术，如加工中心(MC)、柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS)、并联机床等。这些技术与高速加工技术、刀具技术、切削加工工艺紧密结合，使机械加工中的劳动强度大大降低，辅助时间大大缩短，产品质量和生产效率大大提高，对制造业乃至全球经济的发展起到巨大的推动作用。目前切削加工约占整个机械加工工作量的90％，现代切削技术是制造技术的主力军之一，切削加工(含磨削)在整个21世纪仍是机械制造业的主导加工方法。作为切削加工中重要的基础工艺装备，刀具技术对现代制造的发展起着至关重要的作用。

1 刀具在切削加工中的重要性

    在机械加工中，金属切削机床和刀具是切削加工的基础工艺装备。目前切削机床不断更新换代，高速主轴采用陶瓷轴承、液体静压轴承、空气静压轴承、磁浮轴承后，其主轴转速可达10000-50000／min，有的甚至可达150000r／min。采用滚珠丝杠的进给机构其速度可达40～60m／min，直线电机可达90～120m／min，精密数控加工中心的加工加速度可以达到2g(g为重力加速度)。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。

    正因为如此，国外制造业才有“企业的红利在刀刃上”的说法，汉语成语中的“工欲善其事，必先利其器”、“磨刀不误砍柴功”也对刀具在切削加工中的重要性进行了生动而深刻的描述。如一根20万千瓦发电机转子轴，其净重为30吨，而其锻件毛坯达60～70吨，需切除的切屑占了零件毛重的50％以上，很难想象如果没有高效的刀具如何能完成这样的加工任务。国际上一位切削与机床方面的权威专家对切削刀具的作用作了如下评价：“改进刀具对降低切削成本比其它任何单一过程的改变更具有潜力。合理地选择和应用现代切削刀具是降低生产成本，获得主要经济效益的关键。”美国的N·兹拉丁曾说过： “一台价值25万美元的NC机床，其效率的发挥在很大程度上取决于一把价值30美元立铣刀的性能”。

2 刀具在制造中的成本分析

    随着现代科技水平的提高，设备更新换代速度越来越加快，目前更新换代的速度可达10-15年更换一代。要在这样短的时间内赚回设备投资并创造利润，必须充分挖掘刀具的潜力。据有关资料分析：刀具费用占制造成本的2.4～4％，但它却直接影响占制造成本中20％的机床费用和38％的人工费用。

    还有一种算法是机床与刀具投入比为9：1到7：3，只要刀具投资到位，切削速度和进给速度每提高15～20％可使制造成本降低10～15％。有资料对切削加工进行经济分析指出：由于刀具成本在零件制造成本中所占的比例仅为3％～5％，如果把刀具的购买价格降低30％，企业只节省了1％的零件成本；如果购进了较好的刀具，使刀具寿命延长50％，企业也只节省1％的零件成本；但是如果购进了性能优异的刀具，从而改善切削能力，提高加工效率(假设提高20％)，那么就能节省15％的零件成本。至今，这个理论已经被很多切削加工的实例所证实。

    有资料曾就采用不同的刀具进行加工做过一个比较：在1900年，采用碳素工具钢的刀具，加工一根直径由lOOmm，长500mm的碳钢轴件，需要100分钟才能完成，而在100年后的今天，采用硬质合金涂层刀具或立方氮化硼刀具，加工上述同样的轴，仅需要1分钟就能完成，切削效率提高100倍。由此可见刀具在提高切削效率方面的潜力是相当巨大的。

3 我国刀具技术现状分析

    大力发展数控加工技术及装备，已成为世界各国政府的战略决策，用数控装备武装现代工业和改造传统工业也成为世界各国制造业发展的方向。改革开放后，我国制造业的发展举世瞩目，机床总产量和技术水平已迈入世界第一方阵，机床的进口消费量近年已达世界之首，我国已跨入世界制造大国之列，但还不是制造强国。其中我国目前制造业的劳动生产率只相当于美国的1／23，日本的1／25，德国的1／18，与先进的工业国家相比，还存在着巨大差距。

    工业发达国家的数控机床在两班制工作条件下开动率达到60-70％，而我国国内许多企业往往只能达到20-30％，造成我国数控机床使用率低的原因是多方面的，除了设备配备不合理、技术人员综合素质有待提高、数控机床的工作环境差、生产技术准备工作滞后等原因外，最重要的一点是机床与刀具的技术含量不匹配，有相当一部分生产企业还普遍地采用焊接式刀具用于数控机床加工，不讲究“门当户对”、“好马配好鞍”，致使先进的机床配备落后的刀具，造成设备潜力没有充分发挥出来，从而造成巨大的浪费。因此，更新观念，广泛应用先进刀具巳成当务之急。在投资机床的同时，一定要配备相应的刀具，才能保证设备的高效运转，有效地提高生产率，从而获取更大的利润。

    建国以来，我国刀具行业为机械制造业的发展做了大量的工作，取得了很大的成绩，但随着切削加工速度的提高，难切削加工材料的大量使用，数控设备的普及，对切削加工刀具的要求越来越高。国产刀具在使用寿命、可靠性等方面都与国外发达国家存在明显差距，无论是在产品的品种还是性能和质量上都远远满足不了我国制造业发展的需求。近年来，我国每年进口刀具的金额增长率高达50％以上，这一事实值得我们认真思考和努力改进。

4 我国刀具技术发展展望

    当前应用创新的切削工艺，采用先进的刀具，适当地增加刀具费用的投入，提高加工效率和加工质量，降低制造的整体成本，从而提高劳动生产率和企业的竞争实力已成为工业发达国家机械加工企业的共识，也引起我国机械加工企业的关注。合理的刀具投入，可以成倍地提高生产率和产品质量，对于提升企业的竞争力是很值得的投资。制造业企业只有转变传统观念，正确理解降低成本的实质，克服片面控制刀具费用的做法。因此，从刀具应用技术人手，提高企业切削刀具的应用水平，在我国具有重要的现实意义。

    国内刀具企业应转变观念，提高市场意识、品牌意识，抓住机遇，加快自身的技术创新、技术改造力度，加大研发力度，提高产品质量，以优质的产品、优良的服务赢得客户的信任，以先进的切削刀具、新型的刀具材料和涂层技术不断满足机械制造业的需求。只有这样，国内刀具企业才能在激烈的市场竞争中确定自己的优势，赢得更多的市场份额。