任何一個強(qiáng)大的國家都必須具有包括金屬切削加工在內(nèi)的強(qiáng)大制造業(yè)基礎(chǔ)。在整個21世紀(jì)中,金屬切削加工仍是機(jī)械制造業(yè)的主導(dǎo)方法，切削加工（包含磨削）不僅占其90%以上的份額，而且刀具消耗費(fèi)用占制造成本的2%～5%。無論是專機(jī)設(shè)備還是柔性制造單元,CNC制造系統(tǒng)都是當(dāng)今金屬切削工業(yè)中的主流。而在CNC制造系統(tǒng)中,工具刀柄和切削刀具的投入可占整個系統(tǒng)投入的10%甚至更多。柔性制造單元和專機(jī)設(shè)備系統(tǒng)的效率和能力在很大程度上取決于所采用的刀具和工具輔助系統(tǒng)的技術(shù)水平。

    一、全球機(jī)械加工工業(yè)市場、機(jī)床市場和切削刀具工業(yè)

    全球機(jī)械加工工業(yè)市場變得既活躍又具有過度的全球競爭性。在貿(mào)易和技術(shù)的頻繁往來之中，發(fā)達(dá)國家與發(fā)展中國家在競爭能力上的差別也日趨混同。同時，對產(chǎn)品的低成本、高性能、高品質(zhì)、更快捷的交貨期的需求，使新產(chǎn)品和新技術(shù)的發(fā)展有了史無前例的發(fā)展速度和空間。
     近年來,金屬切削和金屬成型機(jī)床的消費(fèi)市場從390億美元減少到360億美元,其原因之一是加工中心的廣泛使用。在美國加工中心的擁有量由20世紀(jì)80年代初的11%提高到現(xiàn)在的25%。在世界范圍內(nèi),預(yù)期在1998年到2005年將由45億美元可望達(dá)到66億美元。在此同時，傳統(tǒng)的銑削機(jī)床市場預(yù)計在同期內(nèi)將從16億美元下降到15億美元。在未來的十年中,超過50%的制造業(yè)的加工需求可能將由加工中心來完成。
    世界切削工具的市場份額約為100億美元,預(yù)計工具的消耗量在近期內(nèi)將每年增長3%以上。1998年世界切削工具市場消耗比率如下:鉸刀2%、拉刀/滾刀7%、合金立銑刀7%、絲錐6%、車刀23%、高速鋼立銑刀7%、鏜刀8%、鋸片11%、鉆頭12%、銑削刀具17%。隨著高速加工理念被人們普遍接受,CBN和金剛石切削刀具的全球需求量預(yù)計從1998年的5%到2005年將提高到11%。
    2000年,許多刀具制造商都發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)合金刀具需求量的增長超過40%以上。這種增長可能標(biāo)志著HSS刀具越來越多地在許多制造領(lǐng)域內(nèi)被硬質(zhì)合金刀具取代而失去了往日的輝煌。

    二、國外金屬切削刀具的現(xiàn)狀和發(fā)展態(tài)勢

    1.切削工具材料和涂層技術(shù)
    不同種類的切削工具材料都有所進(jìn)步，包括高速工具鋼、硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷、聚晶立方氮化硼(PCBN)和聚晶金剛石(PCD)。高速工具鋼(HSS)是高韌性的刀具材料，能制作成其他材料不能制作的各種復(fù)雜幾何形狀和尺寸的鋒利切削刀具。而高耐磨性的CBN和PCD超硬材料則適用于高速、小進(jìn)給量加工。介于上述兩種材料之間的是硬質(zhì)合金、金屬陶瓷和陶瓷刀具材料，這些材料廣泛使用于各種切削速度和進(jìn)刀量需求的加工工業(yè)領(lǐng)域。
    與刀具材料同步發(fā)展的還有化學(xué)涂層CVD和物理涂層PVD技術(shù)，如今幾乎75%的硬質(zhì)合金刀具為涂層刀具,其中CVD涂層約占80%。
     當(dāng)代CVD涂層的特點(diǎn)是多層涂層。其涂層結(jié)構(gòu)包括TiCN、TiC、TiN、ZrCN和Al2O3。通過對CVD工藝的良好控制,刀具制造商現(xiàn)在可提供質(zhì)量穩(wěn)定的從5μm到20μm厚度的涂層刀具，以及用于高硬度材料工件加工的單層涂層厚度不超過0.2μm的多層涂層合金刀具。
    PVD物理涂層技術(shù)使在金屬陶瓷和硬質(zhì)合金基體上的涂層厚度為2μm到5μm的硬質(zhì)涂層已經(jīng)進(jìn)入了商業(yè)化。典型的商業(yè)化涂層方式包括TiN、TiCN、 TiAlN、CrN、TiB2，還有諸如TiN/TiAlN的多層涂層。PVD涂層工藝具有的獨(dú)特優(yōu)勢是:可以給銳利的切削刃面提供超細(xì)晶粒、平滑、低摩擦和防止高溫?zé)崃训耐繉印＊?br />     納米PVD涂層（每層涂層厚度甚至薄到2nm，例如TiN/TiAlN涂層）和納米復(fù)合涂層（TiN或TiAlN納米結(jié)晶被植入Si3N4的矩陣之中）正處于研發(fā)階段。
     新近發(fā)展的硬質(zhì)合金刀具涂層包含外部用PVD TiN或者TiAlN涂層與內(nèi)部CVD TiN/TiCN/TiN涂層的結(jié)合。內(nèi)部CVD涂層可提供極好的基體粘合力和耐磨性，而外部PVD涂層提供一個堅固的、超細(xì)晶粒的、不易脆裂的、表面光滑的刀具表層。這種CVD-PVD相互結(jié)合的涂層有助于延長刀具在難加工金屬材料和鋼材加工的斷續(xù)切削時刀具使用壽命。新型的PVD TiCN或TiAlN涂層的金屬陶瓷刀具,在用于車削和銑削鋼材、不銹鋼和鑄鐵的精加工和半精加工過程中，其可靠性已經(jīng)得到改進(jìn)。它們的化學(xué)成分穩(wěn)定,具有高紅硬性和維持高速切削的能力,確保了降低被加工零件的尺寸誤差，獲得良好的表面質(zhì)量,高的效率以及更長的刀具使用壽命。
    陶瓷刀具也有了重要意義的發(fā)展。常規(guī)的Al2O3白色陶瓷刀具已被超細(xì)微粒的Al2O3-TiCN黑色陶瓷所取代。其高強(qiáng)度與高抗磨損性適用于硬度高達(dá)60HRC的鑄鐵、合金鋼、工具鋼和不銹鋼的車削和鏜削精加工。PVD TiN涂層已經(jīng)為這些工具的耐磨性的更進(jìn)一步的提高做出了貢獻(xiàn)。碳化硅強(qiáng)化Al2O3陶瓷的發(fā)展,使得高速加工鎳基合金已成為現(xiàn)實(shí)。
    純Si3N4基陶瓷所具有的高熱導(dǎo)率和堅韌性使用于鑄鐵(發(fā)動機(jī)氣缸，剎車鼓，剎車)的高速加工。CVD Al2O3涂層使Si3N4基陶瓷可應(yīng)用于加工灰口韌性鑄鐵。
     作為強(qiáng)化Al2O3金屬陶瓷的補(bǔ)充刀具材料,SIALON硅鋁氧氮聚合材料徹底更新了鎳基合金加工的生產(chǎn)力。例如:以3500sfm(英尺/分鐘)的表面速度加工高溫合金材料718鉻鎳合金和PH不銹鋼就是一個SIALON硅鋁氧氮聚合材料作為刀具材料的有力佐證。
    高速加工需要超硬的切削工具。其中聚晶金剛石(PCD)適用于加工非常耐磨損的高硅鋁合金(含Si>12%)、有色金屬材料和復(fù)合材料;聚晶立方氮化硼(PCBN)適用于硬的黑色金屬材料的車削、鏜削和銑削加工。
    涂層領(lǐng)域新近的發(fā)展是將純金剛石薄膜用CVD涂層的手段牢固地涂覆于硬質(zhì)合金基材上。金剛石涂層的硬質(zhì)合金刀具可具有PCD刀具的性能,又可以通過模具成型斷屑槽的方式使刀具在設(shè)計和使用工藝上更具靈活性。
    切削工具制造商正通過開發(fā)像MoS2或者WC/C這樣的固體潤滑劑來滿足這一需要。當(dāng)與PVD TiAlN涂層刀具和固體潤滑劑結(jié)合使用時,能顯著的提高金屬切削的性能，尤其是對于鋼和鋁合金進(jìn)行鉆孔和攻絲的加工。
    如今超耐磨切削刀具的應(yīng)用，如金剛石刀具用于有色金屬、CBN刀具用于黑色金屬的高速切削和磨削等已成為典范。盡管其刀具采購成本高于傳統(tǒng)工具的20～50倍，但因其具有比其它刀具至少長100倍的使用壽命，采用此類超耐磨刀具還是相當(dāng)劃算的。
    2.切削刀具的設(shè)計
    高速加工的使用者要求經(jīng)過動平衡的切削刀具，以便減少調(diào)整刀具平衡的時間，延長刀具使用壽命，改進(jìn)被加工零件的精度以及增加主軸軸承的壽命。
     鉆削、鏜削工具系統(tǒng)也在不斷的改進(jìn)和發(fā)展。可更換鉆頭合金刀片已成趨勢，鉆尖磨損后鉆頭無需從刀架上卸下也可更換切削刃。現(xiàn)在市場已可以提供直徑小到 0.5英寸的這類鉆頭。目前工具制造商正在制造直徑為0.25英寸的此類鉆頭。帶有0.5μm調(diào)整機(jī)構(gòu)的高速精密微調(diào)鏜刀系統(tǒng)也已進(jìn)入市場。
    對于高的金屬去除率的鈦金屬類加工，新開發(fā)的重切削立銑刀可安裝多達(dá)72個可轉(zhuǎn)位刀片。這種刀具在設(shè)計上通過各個刀片的搭接提供各種變化多樣的刀具螺旋角和軸向刃傾度。這種變化擾亂了切削加工時的共振，從而可以無共振地進(jìn)行深度的銑削加工。
    3.工具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
     制造商對HSK工具系統(tǒng)支持高速機(jī)械加工的運(yùn)用越來越感興趣。雖然這種工具系統(tǒng)最初十分昂貴，但HSK似乎能夠提高系統(tǒng)的剛性和穩(wěn)定性以及在高速加工時的產(chǎn)品精度,并縮短刀具更換時間。工具供應(yīng)商正在不斷地改進(jìn)HSK工具系統(tǒng),使其適應(yīng)機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到60000r/min。
    4.刀具質(zhì)量與精度
     在20年前，CNC機(jī)床達(dá)到25μm的精度被視為極限。如今機(jī)床制造精度接近原精度值的1/10已不困難。與此同時,SPC控制和在線檢測對解決被加工零件質(zhì)量的一致性起到了很好的控制作用。在零部件裝配時不再需要根據(jù)零件加工誤差進(jìn)行分組選配。據(jù)報道高精密機(jī)床及被其加工的精密產(chǎn)品在過去的20年中對驅(qū)動美國生產(chǎn)力的提高起到了決定性的作用。雖然很多因素對于加工精度的重大改進(jìn)有重大的貢獻(xiàn)，但是在進(jìn)一步提升制造業(yè)的精度水平中，數(shù)據(jù)收集、計量設(shè)備、工序過程標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用等已經(jīng)起到關(guān)鍵的作用。
    5．切削工具制造商和服務(wù)
    近年來不斷出現(xiàn)一些綜合的工具制造商。一些主要切削工具供應(yīng)商更多的注重發(fā)展其核心業(yè)務(wù),并通過重組和收購擴(kuò)大其業(yè)務(wù)范圍。Sandivik公司在過去的十年中收購了35家公司，2002年又完成了對 Walter和Valenite等三家重點(diǎn)公司的收購。美國肯納公司也是如此。切削工具制造商能夠通過簡化現(xiàn)成的銷售和服務(wù)渠道提供更大范圍的產(chǎn)品和服務(wù)。
    世界先進(jìn)的工具生產(chǎn)商的經(jīng)營理念是積極地為顧客的生產(chǎn)效率的提高提供優(yōu)質(zhì)服務(wù),通過與R & D機(jī)構(gòu)(研究與開發(fā))密切合作，為顧客創(chuàng)造獨(dú)一無二的解決方案,讓顧客得到的是價廉物美的產(chǎn)品與服務(wù)，做顧客生產(chǎn)力提高的伙伴。

    三、國內(nèi)外金屬切削刀具行業(yè)的差異

    1．現(xiàn)代金屬切削刀具與傳統(tǒng)工具的對比分析
    我們稱謂的“數(shù)控刀具”，特指與加工中心、數(shù)控車床、數(shù)控鏜銑床、數(shù)控鉆等先進(jìn)高效的CNC制造系統(tǒng)相配套使用的刀具和工具輔具系統(tǒng)。它包括整體合金刀具、超硬刀具、可轉(zhuǎn)位刀片、工具輔助系統(tǒng)、可轉(zhuǎn)位刀具、超硬材料及涂層技術(shù)等。這些應(yīng)屬于現(xiàn)代金屬切削刀具范疇，其技術(shù)水平、性能和質(zhì)量直接影響到國內(nèi)數(shù)百萬臺昂貴的CNC制造系統(tǒng)的生產(chǎn)效率和加工產(chǎn)品質(zhì)量的好壞，直接影響到整個國家機(jī)械制造工業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)效益。其特征分析見下表。

    表 現(xiàn)代金屬切削刀具與傳統(tǒng)工具的對比分析
    刀具材料：
    傳統(tǒng)工具—普通工具鋼、高速鋼，焊接合金
    現(xiàn)代切削刀具（數(shù)控刀具）—硬質(zhì)合金，Co-HSS，陶瓷，CBN，PCBN，PCD，粉末冶金高速鋼，超硬材料+涂層
    刀具硬度：
    傳統(tǒng)工具—高速鋼：60HRC
    現(xiàn)代切削刀具（數(shù)控刀具）—可達(dá)90HRC以上
    被加工產(chǎn)品硬度：
    傳統(tǒng)工具—一般情況下≤28HRC
    現(xiàn)代切削刀具（數(shù)控刀具）—車削、銑削均可達(dá)到淬硬鋼60HRC以上
    切削速度：
    傳統(tǒng)工具—加工鋼、鑄鐵：Vc≤30m/min(70～80m/min)
    現(xiàn)代切削刀具（數(shù)控刀具）—加工鋼、鑄鐵：可轉(zhuǎn)位涂層合金刀片：Vcmax＝380m/min；CBN刀片：Vcmax＝1000～2000m/min；加工鋁合金：Vcmax＝5000m/min
    刀具制造精度：
    傳統(tǒng)工具—10微米級(0.0xxmm)
    現(xiàn)代切削刀具（數(shù)控刀具）—微米級(0.00xxmm)
    刀具和工具系統(tǒng)轉(zhuǎn)速:
    傳統(tǒng)工具—2000r/min
    現(xiàn)代切削刀具（數(shù)控刀具）—60000r/min
    關(guān)鍵技術(shù):
    傳統(tǒng)工具—一般機(jī)械制造、切削原理、熱處理、專機(jī)、專用工裝及工藝
    現(xiàn)代切削刀具（數(shù)控刀具）—CAD，CAM，材料科學(xué)，力學(xué)（動平衡，動剛度等），精密機(jī)械制造，數(shù)控加工技術(shù)，粉末冶金，納米技術(shù)，涂層技術(shù)及CAX、ERP等計算機(jī)信息化管理技術(shù)
    刀具消耗費(fèi)用和金屬切除量：
    傳統(tǒng)工具—高速鋼刀具約占全部刀具費(fèi)用的65%，切除的切屑僅占總切屑量的28%
    現(xiàn)代切削刀具（數(shù)控刀具）—可轉(zhuǎn)位刀具、合金刀具及超硬刀具占全部刀具費(fèi)用的34%，切除的切屑占總切屑量的68%
    刀具制造用關(guān)鍵設(shè)備：
    傳統(tǒng)工具—專機(jī)和一般機(jī)械加工設(shè)備為主；剛性生產(chǎn)
    現(xiàn)代切削刀具（數(shù)控刀具）—CNC機(jī)床為主：工具磨床及加工中心，數(shù)控車床，合金型材和刀片壓制燒結(jié)專用設(shè)備，刀片深度加工數(shù)控磨床；柔性生產(chǎn)
    刀具使用機(jī)床：
    傳統(tǒng)工具—一般的金屬切削機(jī)床：車床、銑床、刨床、鏜床等
    現(xiàn)代切削刀具（數(shù)控刀具）—數(shù)控車床，數(shù)控銑床，加工中心，流水線專機(jī)，柔性生產(chǎn)線
    資金投入和企業(yè)規(guī)模：
    傳統(tǒng)工具—追求低成本，大規(guī)模生產(chǎn)，資金總量投入不限，屬勞動密集型
    現(xiàn)代切削刀具（數(shù)控刀具）—追求差異化，多品種、小批量，資金投入數(shù)千萬元以上，屬知識、技術(shù)、人才、資金密集型
    銷售與市場：
    傳統(tǒng)工具—市場層面涉及所有機(jī)械加工業(yè)和維修業(yè)；商店倉儲式，分銷商為主，市場成熟，買來即用；主要競爭方式：價格競爭
    現(xiàn)代切削刀具（數(shù)控刀具）—與數(shù)控機(jī)床配套，與被加工產(chǎn)品的數(shù)控加工工藝相結(jié)合采購刀具，技術(shù)配套銷售，商店式市場網(wǎng)絡(luò)，分銷商，甚至有專業(yè)的為企業(yè)配套的刀具管理公司；主要競爭方式：綜合性價比及技術(shù)服務(wù)，降低制造成本，提升效率
    人力資源：
    傳統(tǒng)工具—產(chǎn)業(yè)工人占多數(shù)，單一技術(shù)，專機(jī)制作，整體素質(zhì)要求不高
    現(xiàn)代切削刀具（數(shù)控刀具）—技術(shù)開發(fā)、營銷、技術(shù)服務(wù)、數(shù)控技術(shù)工人、財務(wù)、管理等占絕大多數(shù)，人才綜合素質(zhì)要求高。

    2．國內(nèi)刀具行業(yè)的現(xiàn)狀
    由于我國機(jī)床工具行業(yè)對現(xiàn)代金屬切削刀具與傳統(tǒng)刀具的差別缺乏足夠的認(rèn)識,長期以來重主機(jī)、輕工具，在發(fā)展戰(zhàn)略上數(shù)控刀具與數(shù)控機(jī)床的發(fā)展嚴(yán)重脫節(jié)，使我國工具技術(shù)的發(fā)展和行業(yè)水平與現(xiàn)代制造業(yè)的要求相去甚遠(yuǎn)。
     據(jù)2002年中國機(jī)械工業(yè)年鑒,工具行業(yè)29個重點(diǎn)骨干企業(yè)2002年完成工業(yè)銷售產(chǎn)值14.3億元（RMB現(xiàn)行價，約等于Sandivik公司2002 年投入研發(fā)費(fèi)用的8.6%）,共虧損3960.04萬元(RMB)。從業(yè)職工平均人數(shù)3.26萬人，人均銷售產(chǎn)值4.38萬元（RMB），職工人均年收入 8626元。95%以上的國內(nèi)工具企業(yè)的現(xiàn)狀停留在傳統(tǒng)的金屬切削刀具制造水平上。（Sandivik集團(tuán)公司2002年員工人數(shù)3.7萬人，實(shí)現(xiàn)銷售 50.4億美元。）

    3．國內(nèi)數(shù)控刀具生產(chǎn)企業(yè)情況
    國內(nèi)數(shù)控刀具的研制從80年代初開始，最早為幾個機(jī)床附件廠為加工中心主機(jī)輔具配套生產(chǎn)制造。但由于其技術(shù)、資金、設(shè)備和人力資源的投入不夠，對現(xiàn)代金屬切削工具認(rèn)識不足，起點(diǎn)低，多年來發(fā)展緩慢，甚至已經(jīng)面臨被淘汰出局的威脅。
     從20世紀(jì)80年代中期至90年代末，成量數(shù)控刀具廠、哈工量數(shù)控有限公司、上海機(jī)床附件一廠、株洲601廠、自貢764廠等是國內(nèi)數(shù)控刀具、工具系統(tǒng)、可轉(zhuǎn)位合金刀片的主要生產(chǎn)廠。成都工具研究所生產(chǎn)可轉(zhuǎn)位螺紋刀片、梳刀和涂層技術(shù)；大連富士等合資企業(yè)以非標(biāo)異形刀具出口產(chǎn)品和技術(shù)圖紙到日本。后起之秀是成都英格數(shù)控刀具模具有限公司、陜西品鼎硬質(zhì)合金有限公司等。
    多年來，在國內(nèi)眾多的數(shù)控刀具專業(yè)生產(chǎn)廠的共同努力下，一般精度（10 微米級）和轉(zhuǎn)速在8000r/min以下的加工中心用工具系統(tǒng)和可轉(zhuǎn)位刀具已經(jīng)可以部分替代進(jìn)口刀具，滿足大多數(shù)CNC加工用戶的需要，其差距主要在工具壽命、外觀和包裝上。601廠的可轉(zhuǎn)位刀片在產(chǎn)品開發(fā)、切削性能、市場占有率上與進(jìn)口刀片差距也在逐步減小。成都英格以高起點(diǎn)的軟、硬件投入,嶄新的經(jīng)營理念和快速發(fā)展使其“EG·NC”牌數(shù)控刀具在國內(nèi)獨(dú)樹一幟。雖然與國外現(xiàn)代切削刀具相比有很大的差距，但近年來各家均有長足的進(jìn)步。為降低市場上進(jìn)口刀具價格、與國內(nèi)各行各業(yè)數(shù)控加工相配套立下了汗馬功勞。
    但是,這些專業(yè)和非專業(yè)的刀具制造廠與世界上任何一家現(xiàn)代工具企業(yè)相比，其技術(shù)實(shí)力、生產(chǎn)能力和資產(chǎn)規(guī)模、全員生產(chǎn)率和市場份額都小得可憐。且硬質(zhì)合金材料生產(chǎn)、涂層技術(shù)研究和加工、刀片制造與刀具、工具系統(tǒng)制造各自為營，“隔行如隔山”，沒有形成切削刀具產(chǎn)業(yè)鏈的緊密聯(lián)合，孤軍奮戰(zhàn),甚至互相進(jìn)行低價低水平低檔次競爭。
    這些企業(yè)在不同程度面臨諸多困難：（1）資金短缺。數(shù)控刀具是一項(xiàng)高投入、高起點(diǎn)的資金密集型行業(yè)；（2）財務(wù)稅費(fèi)過高。國家實(shí)行生產(chǎn)型增值稅，數(shù)控刀具屬附加值較高的高新技術(shù)產(chǎn)品，進(jìn)項(xiàng)稅少，增值稅稅賦達(dá)10%以上，與發(fā)達(dá)國家實(shí)行消費(fèi)型增值稅和收入型增值稅相比，在企業(yè)創(chuàng)業(yè)初期稅賦太重，嚴(yán)重影響了企業(yè)的發(fā)展速度；（3）沒有核心技術(shù)和研發(fā)實(shí)力，缺乏核心競爭力；（4）多年來國產(chǎn)數(shù)控刀具品質(zhì)低下造成的顧客信任度危機(jī)，使其市場拓展難度加大；（5）專業(yè)技術(shù)人才奇缺；6）國內(nèi)高校在刀具技術(shù)的理論和應(yīng)用研究水平和試驗(yàn)手段也遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于世界先進(jìn)水平，使工具行業(yè)發(fā)展缺乏足夠的技術(shù)支撐和后勁。

    四、對我國數(shù)控刀具發(fā)展的探討?yīng)?/strong>