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1、常州工学院成教院 毕业设计（论文）年级专业 10级机电一体化技术 学生姓名 指导教师 评 卷 人 教学地点 常州技师学院 2012 年 5 月 8 日目 录中文摘要1英文摘要2引言3第一章 刀具的简介3第一节 刀具的定义3第二节 刀具的发展历史3第三节 刀具的基本结构.4第四节 刀具的种类.4第五节 刀具的材料分类5第二章 刀具的广泛应用5第一节 复合刀具在汽车生产业中的实例5第三章 刀具在机械加工中的重要性10第一节 刀具在切削加工的重要性10第二节 刀具对提高机械制造效率的积极作用11第四章 刀具技术的现状分析12第一节 我国工具业的发展情况12第二节 刀具材料的创新与发展过程14第三节
2、刀具在制造中的成本分析16第四节 总结.18第五章 发展趋势和方向19第一节 高速加工（高速切削）发展的必然趋势19第二节 发展方向19结论19参考文献20致谢2121第 21 页 共 24 页 刀具在机械加工中的重要性常州技师学院 摘要：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4060m/min，直线电机可达90120m/min，精密数控加工中心的加工加速度可以达到2g（g为
3、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。刀具的结构、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。目前我国的刀具行业随着机械制造业的飞速发展，已经到了变革的关键时刻。本文主要阐述了刀具的简介、刀具在机械加工中的广泛应用及发展趋势，分析了我国刀具技术的现状，并就此提出了刀具在机械加工中的重要性。关键词：机械加工 金属切削 现代制造业 刀具行业 In machining, metal cutting mac
4、hine tools and tool cutting process equipment. Cutting machine tools constantly upgrading, high-speed spindle with ceramic bearings, hydrostatic bearings, aerostatic bearings, magnetic bearings, the spindle speed of up to 10000-50000/min, some even up to 150000r/min. A ball screw feed institutions s
5、peed up to 40 60m/min, linear motors up to 90 120m/min, precision CNC machining center processing acceleration can be achieved 2g (g is the acceleration due to gravity). The rapid development of cutting machine tools, the basic premise and technical support for the development of modern manufacturin
6、g, but no matter what kind of metal cutting machine tools, and must rely on direct contact with the workpiece, the tool can play a role in the removal of material from the workpiece. Tool structure, performance and quality directly affects the level of cutting machine tools production efficiency and
7、 process quality is good or bad, directly affect the level of production technology and economic efficiency of the machinery manufacturing industry as a whole. Tool industry in China With the rapid development of machinery manufacturing industry has reached a critical moment of change. This article
8、focuses on the Introduction of the tool, the tool widely used in machining and development trend analysis of the status of our tool technology, and put forward the importance of the tool in machining.引 言在数控机床生产线上，与被加工零件最直接亲密接触的就是切削加工刀具，它可以切削各种金属，堪称“工业上的牙齿”，对机械制造业的发展起着至关重要的作用。也正是得益于这些性能日趋优异的切削加工刀具，航空
9、航天、汽车制造、医疗器械、电子产品等行业，才创造出一个个工业奇迹，加工效率更高、生产成本更低、产品性能更优。本文将分别对这几方面进行讨论。第一章 刀具的简介第一节 刀具的定义一、 刀具是机械制造中用于切削加工的工具，又称切削工具。广义的切削工具既包括刀具，也包括磨具。绝大多数的刀具是机用的，但也有手用的。因为机械制作中使用的刀具基本上都用于切削金属材料，故“刀具”一词一般就理解为金属切削刀具。切削木材用的刀具则称为木工刀具。第二节 刀具的发展历史一、 刀具的发展在人类进步的历史上占有重要的地位。中国早在公元前就已出现黄铜锥和紫铜的锥、钻、刀等铜质刀具。战国后期(公元前三世纪)，由于掌握了渗碳技
10、术，制成了铜质刀具。当时的钻头和锯，与现代的扁钻和锯已有些相似之处。然而，刀具的快速发展是在18世纪后期，伴随蒸汽机等机器的发展而来的。1783年，法国的勒内首先制出铣刀。1792年，英国的莫兹利制出丝锥和板牙。有关麻花钻的发明最早的文献记载是在1822年，但直到1864年才作为商品生产。那时的刀具是用整体高碳工具钢制造的，许用的切削速度约为5米/分。1868年，英国的穆舍特制成含钨的合金工具钢。1898年，美国的泰勒和怀特发明高速钢。1923年，德国的施勒特尔发明硬质合金。在采用合金工具钢时，刀具的切削速度提高到约8米/分，采用高速钢时，又提高两倍以上，到采用硬质合金时，又比高速钢提高两倍以
11、上，切削加工出的工件表面质量和尺寸精度也大大提高。由于高速钢和硬质合金的价格比较昂贵，刀具出现焊接和机械夹固式结构。19491950年间,美国开始在车刀上采用可转位刀片，不久即应用在铣刀和其他刀具上。1938年，德国德古萨公司取得关于陶瓷刀具的专利。1972年，美国通用电气公司生产了聚晶人造金刚石和聚晶立方氮化硼刀片。这些非金属刀具材料可使刀具以更高的速度切削。1969年，瑞典山特维克钢厂用化学气相沉积法生产碳化钛涂层硬质合金刀片，1972年，美国的邦沙和拉古兰发展了物理气相沉积法，在硬质合金或高速钢刀具表面涂覆碳化钛或氮化钛硬质层。表面涂层方法把基体材料的高强度和韧性，与表层的高硬度和耐磨性
12、结合起来，从而使这种复合材料具有更好的切削性能。第三节 刀具的基本结构一、 各种刀具的结构都由装夹部分和工作部分组成。整体结构刀具的装夹部分和工作部分都做在刀体上；镶齿结构刀具的工作部分(刀齿或刀片)则镶装在刀体上。刀具的装夹部分有带孔和带柄两类。带孔刀具依靠内孔套装在机床的主轴或心轴上，借助轴向键或端面键传递扭转力矩，如圆柱形铣刀、套式面铣刀等。带柄的刀具通常有矩形柄、圆柱柄和圆锥柄三种。车刀、刨刀等一般为矩形柄；圆锥柄锥度承受轴向推力，并借助摩擦力传递扭矩；圆柱柄一般适用于较小的麻花钻、立铣刀等刀具，切削时借助夹紧时所产生的摩擦力传递扭转力矩。很多带柄的刀具的柄部用低合金钢制成，而工作部分
13、则用高速钢把两部分对焊而成。刀具的工作部分就是产生和处理切屑的部分，包括刀刃、使切屑断碎或卷拢的结构、排屑或容储切屑的空间、切削液的通道等结构要素。有的刀具的工作部分就是切削部分，如车刀、刨刀、镗刀和铣刀等；有的刀具的工作部分则包含切削部分和校准部分，如钻头、扩孔钻、铰刀、内表面拉刀和丝锥等。切削部分的作用是用刀刃切除切屑，校准部分的作用是修光已切削的加工表面和引导刀具。刀具工作部分的结构有整体式、焊接式和机械夹固式三种。整体结构是在刀体上做出切削刃；焊接结构是把刀片钎焊到钢的刀体上；机械夹固结构又有两种，一种是把刀片夹固在刀体上，另一种是把钎焊好的刀头夹固在刀体上。硬质合金刀具一般制成焊接结
14、构或机械夹固结构；瓷刀具都采用机械夹固结构。刀具切削部分的几何参数对切削效率的高低和加工质量的好坏有很大影响。增大前角，可减小前刀面挤压切削层时的塑性变形，减小切屑流经前面的摩擦阻力，从而减小切削力和切削热。但增大前角，同时会降低切削刃的强度，减小刀头的散热体积。第四节 刀具的种类一、 刀具按工件加工的形式可分为五类：加工各种外表面的刀具，包括车刀、刨刀、铣刀、外表面拉刀和锉刀等；孔加工刀具，包括钻头、扩孔钻、镗刀、铰刀和内表面拉刀等；螺纹加工工具，包括丝锥、板牙、自动开合螺纹切头、螺纹车刀和螺纹铣刀等；齿轮加工刀具，包括滚刀、插齿刀、剃齿刀、锥齿轮加工刀具等；切断刀具，包括圆锯片、带锯、弓锯
15、、切断车刀和锯片铣刀等等。此外，还有组合刀具,复合刀具等。二、 按切削运动方式和相应的刀刃形状，刀具又可分为三类：通用刀具，如车刀、刨刀、铣刀(不包括成形的车刀、成形刨刀和成形铣刀)、镗刀、钻头、扩孔钻、铰刀和锯等；成形刀具，这类刀具的刀刃具有与被加工工件断面相同或接近相同的形状，如成形车刀、成形刨刀、成形铣刀、拉刀、圆锥铰刀和各种螺纹加工刀具等；展成刀具是用展成法加工齿轮的齿面或类似的工件，如滚刀、插齿刀、剃齿刀、锥齿轮刨刀和锥齿轮铣刀盘等。第五节 刀具材料的分类一、刀具材料通常被分为五大类：高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷和超硬材料。高速钢是一种具有强韧性的刀具材料，但其较低的抗磨损性能使
16、它只能在低速时使用。高速钢常用于制造需要高韧性、锋利的切削刃以及用其它材料不能制造的几何形状复杂的刀具，其典型的应用包括钻头、立铣刀、铰刀和齿轮加工刀具。而在刀具材料序列的另一端是超硬材料如聚晶立方氮化硼（PCBN）和聚晶金刚石（PCD）。聚晶立方氮化硼（PCBN）和聚晶金刚石（PCD）具有极高的耐磨损性能，可用于高速低进给加工。在这两极之间是硬质合金、金属陶瓷和陶瓷刀具材料，它们可以在一个较大的切削速度和进给量范围内广泛使用，以满足制造业的不同加工需求。从各种刀具材料的热硬性曲线可以注意到，与硬质合金相比，Si3N4/Sialon陶瓷和陶瓷显示出更高的抗磨损性和高速性能。 第二章 刀具的广泛
17、应用第一节 复合刀具在汽车生产业中的实例一、随着汽车、航空和航天等各方面技术的飞速发展，对刀具性能及加工技术的要求日益提高。新型刀具延长了它们进行机加工时刀具的寿命，加工效率，加工质量等。 目前，汽车零部件制造向着多品种、小批量的方向发展，发动机制造技术和工艺也发生了很大的变化，高速、高效、柔性是制造工艺当前的主要特点。为了应对这些挑战，除了采用先进的制造设备以外，大量地应用复合加工刀具也是提高动力总成工艺水平的重要途径。目前，我国轿车生产企业新建的发动机生产线大多是由通用高速加工中心组成的高速柔性生产线。高速加工中心具有高转速、高进给速度、高加速度和快速换刀等特点，因而柔性生产线实现了产品的
18、变型生产，便于更换生产品种。这种生产线不仅可加工同样产品范围内的零件，而且可加工变型产品、换代产品以及新产品，真正具备了柔性的意义。同样作为其必不可少的配套的复合加工刀具在一定程度上帮助高速柔性生产线克服了高柔性和低效率之间的矛盾。其原因是复合加工刀具与通用高速加工中心的配合使用，具有以下几个突出的特点：高效率、高质量、高稳定性和低成本。高效率在汽车行业零部件加工制造成本统计中，刀具成本仅占总成本的3%5%，但它却能影响总成本的20%30%。是什么原因带来刀具成本的放大效应呢？原因就在于复合加工刀具在提高生产效率上发挥了巨大的作用。复合加工刀具一般是将几个加工内容组合在一把刀具上，从而只通过一
19、次进给，便可完成全部的加工内容。这样就在很大程度上减少了加工时间，降低了生产节拍，提升了生产力。如在发动机曲轴芯轴端的加工中（图1），传统的工艺安排是车床粗车、半精车、倒角等，这一套工序完成需要耗时40s左右。而通过在CNC加工中心上采用了复合加工刀具后（图2），加工效率得到了极大地提高，加工时间减少了约70%，仅需12s。同时，不仅可以节省了一台车床，而且在不增加机床的情况下，将产量提高了3倍。高质量采用复合加工刀具不仅可以提高加工效率而且还可以提高加工质量。发动机零部件的加工要求十分苛刻，在加工过程中，不仅要保证相关尺寸的精度，同时还要保证相关尺寸要求之间的位置、轮廓等精度要求。为了达到这
20、些尺寸要求如果采用几把刀具进行加工，那么在加工过程中很难保证各尺寸之间的位置精度，这就不得不停机花费大量的时间调整机床，但如果采用了复合加工刀具，就能轻松解决这些问题。图3所示零部件加工要求，从图中可以看出，各相关尺寸具有很高的同心度要求，用来保证后续刀具的加工工艺性。采用图4所示的复合刀具，该专用刀具具有集成的多处加工内容的刃口，刀具本身是一次磨削成形，各刃口之间的位置精度很高，可以在生产中一次加工完成所有的工艺要求，很好地保证了尺寸精度和位置精度，排除了机床多次换刀加工带来的重复定位精度误差的影响。高稳定性汽车发动机的加工制造即有规模化生产的特点，同时又对质量有着极高的要求，尤其是在大批量
21、生产中，质量的稳定性尤为重要。汽车行业是实行召回制度中影响最大的行业，召回制度中汽车零部件的可追踪性是非常重要的，但更重要的是从保证制造质量开始的预防工作。高稳定性的制造质量才是针对召回制度的预防工作中的最重要的一环，对此各大汽车制造厂商都给予了高度的重视。例如，在发动机零部件的加工中对关键尺寸的工程能力指数要求Ppk1.67，一般尺寸也要求达到Ppk1.33。对加工机床设备的主要要求是：高速度、高精度、高精度保持性高机床工程能力指数（Cm/Cmk值）；对复合加工刀具的要求是通过特殊的设计，满足高速度、高精度、高精度保持性的要求。例如为适应高速加工的要求，复合加工刀具都必须经过严格的动平衡处理
22、和验证。为了保证满足高精度、高精度保持性的要求，复合加工刀具对刀柄的选择、刀具本身的制造精度、刀具材料的选择等都有特殊的规范。如发动机缸盖的导管、座圈加工工序是汽车行业中难加工的典型。其特点是尺寸公差小，圆度、同心度要求高，加工表面的形状精度要求高。通过采用有导条的专用复合加工刀具（图5）加工，很好地满足了加工要求。该复合加工刀具具有如下特点： 采用多处导条，减少了跳动，提高了加工精度； 使用PCD铰刀，刀具磨损小，零件尺寸的抑制性得到保证； CBN刀片加工难加工材质，保证表面质量； 以上各刀具组合在一把HSK刀柄上，即提高加工效率，又保证了导管、座圈加工的精度稳定性，实现了高可靠性。低成本降
23、低成本是企业一直追求的目标。在发动机生产中，低成本的要求从最初的生产线立项开始就贯穿于发动机的整个项目过程中，始终如一。而复合加工刀具的采用以及合理使用，可以有效减少设备投资，赢得最大的经济效益。例如零部件上有斜孔需要加工时，常规方法是在CNC加工中心上增加一个轴，使零件被加工面旋转到与主轴垂直的位置，以便加工，但成本约4万美元。相比之下，如采用复合刀具的方案：专用角度头（图6）标准刀具标准CNC加工中心，也完全能达到同样的工艺要求，而专用角度头的成本约3000美元。可见，成本下降是非常巨大的。结束语汽车产业传统上是典型的规模经济产业，但随着时代的发展，人们对于自我的追求，对于个性化的要求越来
24、越高。这也要求汽车产业必须适应顾客的要求，进行多品种、小批量的生产。发动机是汽车的关键部件，其制造工艺非常的复杂。正像发动机是汽车的心脏一样，发动机制造技术的优劣是汽车制造技术的集中体现。随着发动机制造趋向于轻量化、结构简单化、高性能化，发动机制造技术和工艺也发生了很大的变化，高速、高效、柔性是制造工艺当前的主要特点。这也符合了现代汽车工业多品种、小批量的生产要求。为了应对这些挑战，除了采用先进的制造设备以外，大量地应用复合加工刀具也是提高动力总成工艺水平的重要途径。第三章 刀具在机械加工中的重要性第一节 刀具在切削加工中的重要性一、 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。
25、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4060m/min，直线电机可达90120m/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
26、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6070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
27、30美元立铣刀的性能”。第二节 刀具对提高机械制造效率的积极作用一、 进入新世纪以来，我国的制造工业获得持续高速的发展，目前总量仅次于美国和日本，居世界第三，已成为名副其实的世界制造大国，并在发展中逐步加快了与国际接轨的步伐，使用了大量数控高效机床和先进刀具，明显提高了生产加工技术和生产效率。一些先进制造行业，如汽车工业大量引进了现代先进生产技术，电站设备制造、航空航天器制造、大型和高精度模具制造等通过引进技术和自主开发，采用先进切削技术和高效刀具，有效提高了加工技术和劳动生产率，提高了企业的竞争力。 但是我国制造业“大而不强”，很多企业制造技术不高，严重制约了我国制造业的进一步发展。到目前为
28、止，对机械行业中使用现代切削技术和高效先进刀具提高生产效率降低成本的认识还很不足，因此在我国，现代切削技术和高效先进刀具的应用发展还很不平衡，很多企业仍然只注意依靠廉价劳动力降低成本，而不重视通过提高加工技术来提高生产效率。近年来我国的机床生产发展迅速，制造业的机床拥有量在世界遥遥领先，稳居第一，但刀具工业却远远落后。先进的高效机床配不到高效先进刀具，仍使用传统的标准刀具，切削技术落后，使高效机床的加工效率得不到发挥，严重影响生产效率的提高，制约了制造业的现代化。 我国切削技术和刀具工业的发展受到制约，很大原因是企业对刀具的使用停留在落后的传统观念上，即采用廉价刀具来控制成本，而不是用高效刀具
29、提高加工效率来降低成本。很多企业花了大价钱买数控高效机床，却舍不得花不多的钱购买先进高效刀具，致使切削技术落后，机床加工效率甚低，实际上是省了小钱，却浪费了昂贵的机床工时，得不偿失。 现代切削技术和高效先进刀具是制造业提高生产效率的最重要、最活跃的因素之一。在发达国家，大量使用高效先进刀具，平均刀具费用约占制造成本的4%，而我国制造业因使用价廉的传统刀具，平均刀具费用不到制造成本的3%，致使我国机械工业的生产效率远远低于国外。据统计，采用高效先进刀具，刀具费用可能要提高50%或更多，将使零件成本提高约1%，但高效先进刀具可明显提高切削加工效率，有可能使零件生产成本下降10%15%，因此使用高效
30、先进的刀具经济效益是极为显著的。 使用现代切削技术对提高加工效率效果是极为明显的。如目前的航空工业中使用新型的铝合金整体薄壁构件来代替原来的焊接、铆接的组装构件，加工这些铝合金整体薄壁构件需要铣去大量的金属，采用高速切削新工艺使加工效率提高多倍。哈尔滨汽轮机厂生产国内首台60万千瓦超临界汽轮机组时，在高合金钢上加工大直径深孔，采用肯纳金属公司的一种新型钻头，使加工一个孔的工时从6.7小时缩短到0.5小时，解决了生产关键问题。在加工高强度石油管螺纹时，原用三齿梳刀车削，后来开发了新的3个三齿梳刀的套齿工艺，提高加工效率多倍。 再如在高速加工中心上，采用新的“圆周螺旋铣削”，实现传统复合刀具难以完
31、成的一次钻铣螺孔、倒角和切槽，扩大了复合刀具的使用范围，大大提高了加工效率。这种螺孔钻铣新工艺已应用于汽车发动机缸盖和变速箱体上的螺孔加工，在加工发动机缸盖上深度为14.1mm的M6螺孔时，采用主轴转速20000r/min，进给量700mm/min，加工一个螺孔仅需1.2秒。在加工铝合金变速箱体上的带凸台和上下倒角的M241.5螺孔时，原来要用7把传统刀具，7道加工工序来完成，德国Jel精密刀具公司推荐使用一把钎焊聚晶金刚石刀片的螺孔钻铣复合刀具，在主轴转速20000r/min时，自动依次完成加工，整个加工时间仅用4秒。 新材料刀具的使用使切削效率大大提高，高钴高钒高性能高速钢刀具的耐用度可比
32、普通高速钢提高1.53倍。粉末冶金高速钢的强度可提高20%30%，韧性提高1.52倍，并且可靠性比普通高速钢明显提高，国外在加工中心上已普遍使用这种粉末冶金高速钢制造的小钻头、丝锥和铣刀等，而我国还甚少使用。国外近年来发展了多种新成份、新牌号的硬质合金，发展了高强度高韧性的0.51m超细颗粒的硬质合金，开发了多种新涂层硬质合金，使硬质合金的切削性能显著提高，代替了部分过去只能用高速钢制造的较复杂的刀具。陶瓷、立方氮化硼和聚晶金刚石等超硬材料刀具，国外应用日广，切削速度可比硬质合金提高数倍，大大提高加工效率，在德国，已有约70%的铸件用陶瓷刀具加工，日本陶瓷刀具的年消耗量已占刀具总量的8%10%
33、，而我国超硬材料刀具用得还很少。 2005年，美国消费机床58.2亿美元，消费刀具30亿美元；同一年我国消费机床107.8亿美元，而消费刀具仅17亿美元。这反差明显说明我国的机械制造业，对先进切削技术和高效刀具对提高生产效率的作用，不够重视，并大大地低估了。充分认识并努力推广应用先进切削技术和高效刀具，提高加工生产效率，降低成本，加强企业的竞争力，已是我国机械制造业发展所面临的需要尽快解决的重大问题。第四章 刀具技术的现状分析第一节 我国工具工业的发展情况一、我国2005年消费刀具约17亿美元。2006年消费刀具约20亿美元，其中进口刀具约10亿美元。2007年工具工业空前高速发展，销售收入增
34、加达28%左右。2008年前三季度工具工业仍继续高速发展，增长超过20%，但10月以后下滑明显，但全年增长仍在12%以上。受世界经济危机影响，2009年上半年工具工业继续下滑，但78月以后整个经济形势已开始回暖，工具工业亦已逐步好转。 近年我国工具工业虽也有不小发展，但远落后于机床业的发展。生产中使用的高效先进刀具，大部分是从国外进口的（含外国资企业在中国生产的刀具）。我们现在也出口不少刀具，但主要是廉价低挡的标准刀具。2004年我国生产刀具约25亿件，其中20亿件是廉价低挡刀具（大部分出口），这以后几年出口的仍基本是中低挡刀具。在美国市场上中等规格麻花钻，每个价约10美元，而市场上中国生产的
35、低挡麻花钻价仅1美元，仅被用作手工工具。我国现在有世界第一的汽车工业，但汽车工业从国外引进的高效生产线，所用的刀具80%90%至今仍是进口刀具（含国内的外资企业产品）。现在我国刀具生产供销情况是，高端先进刀具产品主要依靠从国外进口，而低挡刀具产品恶性膨胀（大部出口），这种情况必须尽快改变。 我国机械制造业生产中大量使用标准刀具，而发达国家则大量使用高效先进刀具，致使我国加工效率远低于国外。我国工具厂仍大量生产传统标准刀具，一些小工具厂还大量生产低挡刀具，据统计，我国消耗全世界40%的工具材料，销售收入却只占全世界工具业的1215%。国外工具企业的毛利率都在40%左右，而我国工具厂的利润很低，部
36、分工具厂还亏损。 现在我国的工具厂，以大量生产传统标准刀具为主。从机械制造业的技术发展趋势来看，今后我国工厂中的高效数控机床的比重将逐年增加，高效先进刀具的需求量将随之迅速增加，而传统标准刀具的需要量将逐年减少。此外。由于我国人工成本增加，中低挡的标准刀具出口的价格优势将逐渐丧失，出口量必将随之减少。如工具企业仍以生产传统标准刀具为主，则销售量必将逐渐委缩（一些民营的小工具厂大量生产传统标准刀具，大工具厂因成本较高，无法竞争而逐渐失去这部分市场），将没有发展前途。因此，我国的工具工业必须改变理念，大力发展高效先进刀具的生产，用国产高效先进刀具代替国外产品，夺回被进口刀具占有的这部分市场，重视售
37、后生产服务，只有这样，我国的工具企业才有发展前途，我国的工具工业才能得到振兴。二、机械制造业的总形势近年来，我国的制造工业获得持续高速的发展，中国已是一个制造大国：世界各国都在大量进口中国产品，并且中国的出口中，机电产品已占多数。在当前的经济寒潮和危机中，机械工业虽受到较大影响，但总规模和总产量仅次于美国，超过日本，居世界第二，出口已超过德国，达到世界第一位，2009年中国汽车产量已超过美国而居世界第一。中国已成为名符其实的世界制造大国。2010年全球制造业白皮书公布的全球10大制造强国排行榜中，中国名列第三。今年世界机械500强中，美国以126家企业入选而居榜首，日本以124家居第二，我国入
38、选企业77家居第三。但今年世界机械500强前10名中，中国无一入选；世界机械100强中，中国仅入选9名。应该认识到，我国制造业大而不强，虽然是制造大国，但不能称为制造强国。例如钢铁，我们大量出口低价钢材而进口高附加值的合金钢。机床也是出口廉价的中低档机床，而进口昂贵的数控和精密机床。近年来，我国五金工具工业虽有不小发展，但远落后于机床业的发展。生产中使用的高效先进刀具，大部分是从国外进口的（含外国资企业在中国生产的刀具）。我们现在也出口不少刀具，但主要是廉价低档的标准刀具。2004年我国生产刀具约25亿件，其中20亿件是廉价低档刀具（大部分出口），这以后几年出口的仍基本是中低档刀具。在美国市场
39、上，中等规格的麻花钻每支价格约10美元，而市场上中国生产的低档麻花钻价格仅1美元，被用作手工工具。我国现在有世界规模第一的汽车工业，但汽车工业从国外引进的高效生产线，所用的刀具8090至今仍是进口刀具（含国内的外资企业产品）。现在我国刀具生产供销情况是，高端先进刀具产品主要依靠从国外进口，而低档刀具产品恶性膨胀（大部出口），这种情况必须尽快改变。我国机械制造业生产中大量使用标准刀具，而发达国家则大量使用高效先进刀具，致使我国加工效率远低于国外。我国五金工具厂仍大量生产传统标准刀具，一些小工具厂还大量生产低档刀具，据统计，我国消耗全世界40的工具材料，销售收入却只占全世界工具业的1215。国外工
40、具企业的毛利率都在40左右，而我国工具厂的利润很低，部分工具厂还亏损。现在我国的工具厂，以大量生产传统标准刀具为主。从机械制造业的技术发展趋势来看，今后我国工厂中的高效数控机床的比重将逐年增加，高效先进刀具的需求量将随之迅速增加，而传统标准刀具的需要量将逐年减少。第二节 刀具材料的创新与发展过程一、 涂层硬质合金由于硬质合金兼具强韧性和抗磨损性，因此是一种主要的刀具材料。今天在美国使用的金属切削刀具中涂层硬质合金刀具几乎占了80%。通过延缓各种磨损过程（前刀面磨损、月牙洼磨损、缺口磨损、粘结磨损等），超硬涂层延长了硬质合金刀具的使用寿命，提高了被加工零件的表面精度，通过高速、高进给加工显著提高
41、了金属切削生产率。CVD（化学涂层）已占涂层硬质合金刀具的60%65%，其余的为PVD（物理涂层）。（一） CVD涂层 现代CVD涂层具有以下特征：包括TiCN、TiC、TiN、ZrCN和Al2O3等各种化合物的多层涂层，具有可控的晶体结构（alpha-alumina或kappa-alumina）和优化的颗粒尺寸以满足各种加工应用。通过对CVD工艺过程控制的改进，刀具制造商目前可以在一个较大的厚度范围内（425m）提供具有良好一致性和复现性的涂层。各单层厚度仅为0.2m的多层涂层可适合于加工具有强韧性的工件材料。CVD涂层可以在高温（1000）、中温（MT-CVD，850左右）下沉积，或者通过
42、等离子体辅助工艺（PA-CVD，约600）获得。中温化学涂层较低的工艺温度和较快的沉积速率使得涂层与基体分界面上的脆性相最小化，同时减少了在高温CVD涂层中常见的由高温导致的拉伸（thermallyinducedten-sile）裂纹。目前MT-CVDTiCN涂层已成为在硬质合金基体上进行多层CVD涂层的一个主要成分。CVD涂层刀具被广泛应用于各类机械加工包括车削、钻削、螺纹加工、切槽加工、切断加工以及铣削加工，可适应不同的切削速度和进给量。 （二） PVD涂层上世纪80年代中期，低温下（500）采用PVD在硬质合金工具上进行超硬TiN涂层就已进入商业应用。涂层在低压的等离子区沉积，该离子区具
43、有源于磁控溅射、电弧蒸发以及电子束蒸发所衍生的金属元素。经过蒸发或溅射处理的金属元素（钛、铝、铬等）与气体类物质（如氮气、甲烷等）反应，从而沉积形成硬涂层。典型的商业涂层包括TiN、TiCN、CrN、TiAlN、AlTiN、TiB2以及多层物质如TiN-TiAlN。PVD工艺具有独特的优点，它能在锋利的切削刃上涂覆细颗粒、光滑、低摩擦、抗热裂的涂层。同时，PVD涂层具有的残余压应力使它在抗裂纹扩展、防止刀具早期失效方面更具优势。更新的PVD纳米涂层和PVD纳米结构涂层尚处在开发阶段。 PVD TiN和TiAlN涂层已经显著提高了高速工具钢在用于钻头、立铣刀时的性能。经过PVD涂层的硬质合金刀具
44、在螺纹加工、切槽加工、切断加工、精车、铣削、钻孔等操作中被应用于加工各种各样的工件，包括碳钢、合金钢、奥氏体、铁素体和马氏体不锈钢、钛合金、耐高温合金、铸铁以及非铁金属材料。PVD涂层工具特别适合抵抗在低碳钢、奥氏体不锈钢的加工过程中出现的积屑瘤和微小崩刃。经过PVD TiAlN涂层的硬质合金刀具所具有的高热硬性、高化学稳定性和抗氧化的性能，更适合用于高温合金的高速加工。PVD TiB2涂层工具因其具有防止积屑瘤生成的能力，所以在加工铝镁合金方面更胜一筹。 （三） PVD-CVD复合涂层 在20世纪80年代末研制成功的PVD-CVD复合涂层，既有一个具有高结合强度的CVD TiN-TiCN内层
45、涂层，同时又有硬度高、颗粒精细、防裂纹、表面光滑的带有残余压应力的PVD TiN外层涂层。这种复合涂层使刀具在断续切削钢件和难加工材料方面表现出众。其它包含PVD TiAlN的PVD-CVD复合涂层也已经进入了商业化应用。（四） 固体润滑涂层考虑到对切削液安全处理的环境保护方面的要求，迫使切削工具的用户把冷却液的使用减到最少甚至完全不用切削液（采用干切削）。切削工具制造商则通过应用固体润滑涂层（如MoS2和WC/C）来满足这种需要。当与硬涂层底层（如PVD TiAlN）结合时，固体润滑涂层可使硬质合金刀具在钢件、铝合金件上钻孔、攻丝时的金属切削性能得以提升。 二、 超细颗粒硬质合金 具有硬度（抗磨损性）与强度（抗弯强度）完美结合的超细颗粒硬质合金