1．汽車工業快速發展對刀具的需求

  近年來，中國汽車制造業發展異常迅速，國內各大汽車集團都在加大投資，不少民營企業也加入了汽車或其零部件制造的行列。世界各大汽車公司及著名的汽車零部件廠商幾乎都已來到中國，或是合資或是獨資，都設法加入在中國制造汽車及其零部件的熱潮。與汽車制造特別是汽車所需的發動機、變速箱、傳動軸、車橋等零部件制造相關的機械加工及金屬切削工作量激增，從而對與機械加工和金屬切削緊密相關的刀具的需求不斷上升，同時也出現了很多新的要求。當前汽車工業發展的特點是競爭加劇，對客戶滿意度的要求進一步提高，要求能夠根據市場的需求及時推出新的產品或轉換新的型號生產，生產的柔性化要求提高。當市場對某種產品有需求時，必須抓住機遇，生產出足夠滿足市場需要的產品，生產量的增長可能是陡增的，要求為生產作支持的刀具也必須適應這種要求和變化，能夠及時地提供并在數量和質量上保證滿足生產的需要。汽車零部件制造的質量要求也在不斷提高，無論是加工精度、形位要求還是表面質量要求都有了新的提高。同時，為了滿足新的產品量控制的要求，要求對所生產的產品有很好的追溯性，也就是對產品制造的全過程進行控制，當發現產品有質量問題時能清楚地了解在哪個環節出的問題，以及受到影響的產品有多少以及發生在什么地方，要求對產品制造過程中的重要影響因素——刀具進行完善的控制和追溯，刀具方面必須能對生產現場的問題作出及時、快速的響應，提供有力、高效的技術支持，并能控制和追溯刀具的制造過程。面對激烈的市場競爭，汽車工業正在全面實行精益生產，同時要求不斷降低刀具成本，對刀具物流、庫存等的要求也提高了。與此同時，由于環境保護、健康和職業衛生等方面標準和要求的提高，汽車工業對這些方面的考慮和控制也更多了，對金屬切削及刀具有了新的更高的要求。所有這一切都要求切削及刀具行業不斷開發新技術、新材料、新工藝及新的管理方法，以適應汽車制造過程中不斷出現的新技術、新材料和新工藝及新的管理體系。

2．向柔性化和高速加工發展

  為適應市場變化的需求，汽車產品及其零部件更新變化越來越快，過去大量采用的專機或剛性自動線由于其不便于更換生產品種或改造費用昂貴，已不能適應這種快速變化的市場需求。所以，現在汽車零部件加工的生產線已越來越多地采用柔性生產線，或柔性加工設備與專機結合組成的加工生產線，特別是在新的項目中更是傾向于采用柔性加工線，大量采用加工中心，在一條生產線上可生產不同規格的零件，以滿足不同的產品生產的需要，而且在產品更新換代時僅需改變加工程序及相關的刀具、夾具就可很方便地轉換為新的生產線，工序的調整和改進、刀具的增加和減少也很方便。在車間平面布置方面，盡量使車間地面保持完整，已很少開挖為集中冷卻而設置的地溝，機床等設備可很方便地安裝以及根據需要移動到新的位置，組成新的生產線。如上海通用汽車有限公司在建廠以來的幾年中已根據需要多次移動機床，減少能力過剩的生產線的設備，用于新項目的生產，或增加能力相對薄弱的生產線的設備，以最大限度地利用設備能力，以極高的柔性快速地滿足市場的需要。與此相適應的就要求刀具能適應這種高度柔性化的生產及快速變化的生產產量和生產品種，數控機床和加工中心用刀具因而獲得了極大的市場和高速發展，也引起了越來越多的企業和研究單位不斷投入大量人力物力進行切削新技術和新刀具的研究和開發。由于汽車及其零部件的生產量大、品種多、生產節拍快，盡管采用了柔性生產線，但節拍要求仍需滿足，故提高切削參數、采用高速切削成為必然要求，而加工中心設備的采用也為同時實現柔性和高效率生產提供了可能。汽車及其零部件制造特別是新工廠、新項目的制造過程正向著高速加工的方向發展，越來越多地采用數控高速加工中心，很多加工中心機床的主軸轉速已可達數萬轉，如鉆鏜鋁質汽缸蓋的進排氣導管底孔、座圈底孔的刀具轉速不少在1萬轉以上，線速度可達1500m/min左右，有的表面銑削線速度可達4000m/min。半精鏜、精鏜鑄鐵汽缸體缸孔的刀具轉速也已達300轉，線速度可達800m/min。上海通用汽車有限公司的1.6L發動機鑄鐵缸體加工中不少表面銑削線速度都已達到了1000ｍ/min以上。同時高性能切削也獲得很大發展，一次切削切除相當大的余量，特別是在粗加工中的大余量切削，切削效率提高，減少了切削工序，在某些工位的加工中將半精加工和精加工合并。與此相適應，刀具及切削技術也出現了很多新的變化。

3．超硬刀具獲得廣泛應用

  刀具材料發生了很大變化，CBN(立方氮化硼)、PCD(聚晶金剛石)、陶瓷刀具等超硬刀具獲得了廣泛應用。PCD刀具由于其極高的硬度，在加工鋁制工件及其他有色金屬及其合金時使用壽命極高。近年來，隨著汽車制造業大量應用輕型材料(如鋁合金、復合材料、塑料等)，PCD刀具的應用也大量增加。現在汽車發動機的汽缸體、汽缸蓋、變速箱的殼體、閥體、槽體、側蓋等零件很多都采用鋁件，這些零件的加工大量采用了PCD刀具，取得很好的效果，一般每把刀的壽命都在加工幾千件工件左右，長的可達1.5至2萬件。
  CBN刀片的特點是硬度極高（僅次于金剛石），特別是其紅硬性好，在1000多度的高溫下仍能保持其硬度和良好的切削性能，適應了高速切削的需要，也滿足了一些高硬度難加工零件的加工需要，在發動機缸體等鑄鐵類零件和氣門閥座等粉末冶金零件的加工中獲得了較好的應用效果。如氣缸體缸孔的加工在半精鏜和精鏜工序中很多就采用了CBN刀片，切削速度可達800m/min，刀具壽命是硬質合金刀具的一倍以上。在氣缸體的缸蓋結合面的加工中，CBN銑刀切削線速度可達1200m/min以上，高的甚至可以達到2000m/min，進給速度可達1000～2000mm/min。
  目前，已有汽車零部件制造廠為降低一次性設備投資，減少生產線中的設備數量，同時又希望保證生產節拍，就采用具有高速加工能力的加工中心，顯著地提高切削用量，同時采用適合這種高速切削的CBN刀具。如在直列四缸發動機缸體的加工中，幾乎所有各個面的銑削都采用了CBN刀具，盡管CBN刀具價格較貴，但如考慮到其對于加工效率的提高和在投資成本上的節約，總的算起來還是很經濟的。上海通用汽車公司在變速箱殼體的加工中，將一把原來采用的硬質合金鏜刀改為PCD刀具，刀具壽命從原來的3000件提高到7萬件，其經濟效益是非常明顯的。
  CBN刀具可用于加工淬硬工件，因而可以實現以車代磨，如大宇汽車公司就在變速箱輸入輸出軸的加工中，用CBN刀具進行軸上槽的車加工，代替了原來要用成型砂輪進行的磨削加工。
  作為高硬材料刀具中的一種新型刀具，陶瓷刀具也是一種值得關注和正在不斷擴大應用領域的刀具，陶瓷刀具脆性大的缺陷正在得到改善，現在已有了增韌型的陶瓷刀具，可應用于鑄鐵工件的粗加工，如在發動機氣缸體缸孔的粗加工中，不論是V型6缸發動機還是直列4缸發動機都采用了陶瓷刀具進行缸孔的粗加工，顯著提高了加工效率，其鏜孔切削線速度可達700～800m/min。

4．涂層技術和涂層刀具不斷發展

  伴隨表面工程和摩擦學的發展，涂層技術在近十多年來獲得了突飛猛進的發展，技術和設備都越來越成熟，在刀具上的應用也越來越廣泛，成效明顯，并且有越來越多的新型涂層開發出來。
  目前在汽車工業所用刀具上采用較多的涂層有TiN、TiC、TiCN、TiAlN、ZrCN等，在鉆頭、鉸刀、齒輪滾刀、絲錐上都獲得很好的應用效果，刀具壽命明顯提高。現在汽車行業所用的硬質合金刀具中幾乎75%的刀具進行了涂層，而且隨著對刀具重磨要求的提高，越來越多的重磨后刀具需要進行重新涂層，使涂層的應用有了更廣闊的前景。同時，如何使修磨后重新涂層刀具達到原有新刀具的性能水平，還需要涂層廠家和涂層刀具用戶共同付出更大的努力。由于單一涂層材料難以滿足提高刀具綜合性能的要求，因此涂成份將趨于多元化、復合化。在復合涂層中，各單一成分涂層的厚度將越來越薄，并逐步趨于納米化。涂層工工藝將為滿足不同的切削加工要求，更具針對性。目前涂層行業還在做更多的工作，以進一步改進各類涂層的性能，如把多弧工藝和濺射工藝組合起來，優化涂層的結構，開發多層涂層以提高韌性和結合力，添加其它合金元素如鉻、鋯、釩、硼、鉿以及硅等，以進一步提高韌性硬度和化學穩定性等各方面性能，同時努力開發納米多層涂層。
  涂層領域新近的發展是將金剛石薄膜用CVD等方法涂覆于硬質合金刀具上，使具有復雜形狀、或開有斷屑槽的刀具也能具有金剛石刀具的性能。另外現在也在嘗試將如MoS2這樣的軟涂層應用于刀具上，以改善切削過程中的潤滑狀態，提高金屬切削的性能。

5．新型刀柄和刀具夾持技術的應用

  與數控機床的應用和高速加工的發展相適應，切削過程中很多問題都要從高速的角度重新加以考慮，如刀具和刀柄的連接、刀柄和機床主軸的連接、快速換刀問題、切削系統的振動問題以及相應的刀具系統的動平衡問題，由此各種新型刀柄和刀具夾持技術也迅速發展起來。
  目前在汽車工業中用得比較多的有德國的HSK系列刀柄。HSK刀柄是一種新型的高速錐型刀柄，其接口采用了錐面和端面同時定位的過定位方式，消除了軸向定位誤差，刀柄為中空，錐體長度較短，有利于加工中心換刀輕型化及高速化，有比較高的重復安裝精度，刀柄與主軸間由擴張爪鎖緊，在高速轉動產生的離心力作用下，刀柄能牢固鎖緊，在高速加工中心上應用很普遍。
    CAPTO刀柄也是一種新型的刀柄，這種刀柄不是圓錐型，而是三角體錐型，其棱為圓弧型，錐度為1:20的空心短錐結構，這種刀柄也同樣實現了錐面與端面同時接觸定位，錐型多角體結構可實現兩個方向都無滑動的轉矩傳遞，不再需要傳動鍵，有利于動平衡。這種刀柄不易變形，磨損小，因而具有始終如一的位置精度。
  另外，在高速加工中應用的刀柄還有美國的KM系列刀柄、日本的BIG-PLUS刀柄等。但在汽車工業生產所使用的加工中心機床上大多還是采用HSK刀柄。
  在刀具的夾持技術方面，熱套刀柄是近幾年新發展起來的一門技術，其特點是具有液壓刀柄相當或更高的精度，但價格比液壓刀柄便宜得多，只是如要調整刀具長度，需要有專門的熱套刀具調刀儀，但如果在生產中采用的熱套刀具批量大，在經濟上就很劃算，同時也有可能提高刀具壽命。現在已有奇瑞汽車、神龍汽車等公司在新項目中采用這種熱套刀柄。

6．切削摩擦學的提出及其在金屬切削加工中的應用

  金屬切削理論的發展已有了很多年的歷史，摩擦學自從六十年代產生以來也有了不小的發展。但摩擦學界的研究大多集中在一般運動副的摩擦、磨損及潤滑的研究和相應的摩擦學技術的開發上，對刀具與工件所組成的這樣一對特殊摩擦副及在切削過程中所發生的各種摩擦學現象、摩擦學特性以及相應的摩擦學解決方法還研究不多。在金屬切削理論中，雖然經常談到切削過程中所發生的摩擦和潤滑，也不可避免地要談到刀具的磨損，卻也很少利用當代摩擦學已積累起來的理論和技術，因此有必要提出切削摩擦學這樣的概念，將摩擦學理論和金屬切削理論結合起來，建立適應切削過程這樣特殊的摩擦過程的切削摩擦學理論，通過實踐進行驗證，并反過來指導生產和金屬切削加工問題的解決和刀具的優化。
    事實上，刀具和被加工的工件組成了一對摩擦副，其中的潤滑介質或切削過程中形成的各種產物組成了一個摩擦學系統，在金屬切削過程中，這個系統發生著劇烈的摩擦，發生希望得到的工件上的摩擦磨損效應，也產生不希望產生的刀具磨損，而這個系統的影響因素有設備、夾具、工件材料、潤滑介質、潤滑方式、刀具材料、刀具幾何參數、切削參數等。切削液在機械加工中的應用是非常普遍的，但其具有的潤滑、冷卻等多種功效對于切削加工的重要性并不是所有人都了解的。最近我們曾在一種鋁質直列四缸發動機缸蓋的加工中遇到過這樣一個問題，該工件的液壓挺柱孔的加工采用帶導條的PCD鉸刀，采用水基乳化液，有人在換液時將一種表面上類似的另一種牌號的乳化液用到了該工序，結果加工出來的工件表面粗糙度一下子變差，超出圖紙規定的要求，無論如何改進刀具的刃磨或調整方法，或改變不同的切削參數，就是不能加工出合格產品，于是不得不將該工序切削液又換回原來的切削液，令人驚訝的是，工件表面光潔度馬上變好，完全符合圖紙要求，為了得到試驗結果的高置信度，又接著繼續試驗了一次，再將前一次試驗效果不好的切削液換入機床，同樣發現完全加工不出合格零件，于是在這道工序只能使用原來一直在使用的那種切削液，再一次證明了試驗結果的正確性，也說明了摩擦學系統的配副性、正確的潤滑介質和潤滑方法的重要性。所以在金屬切削加工的工藝過程控制中，必須將切削液及其潤滑方式包括切削液品種、濃度、清潔度、PH值、流量、壓力等作為過程控制參數嚴加控制，這樣才能確保受控的切削加工性能和好的加工質量及高的生產效率。
  控制和改善刀具的潤滑和冷卻條件，還有利于切屑的排出，降低由于切屑與工件已加工表面或刀具表面的摩擦，由此減少可能產生的產品表面質量問題的風險，還能防止由此造成的刀具破損或斷裂。有過這樣的實例，發動機缸體長油孔的加工，原來采用的是麻花鉆，經常發生鉆頭折斷，造成經常更換刀具的停機損失，還會由此造成工件報廢。將該鉆頭改成帶內冷卻孔的直槽鉆后，由于冷卻條件大為改善，切屑能順利排出，鉆頭發生折斷的情況就很少發生，既提高了生產率，又降低了刀具成本。
  由于對資源和環境保護的關注及對操作者健康保護的要求不斷提高，如何減少潤滑液的消耗，降低由于潤滑液揮發到空氣中所造成的對操作者健康的影響，已日益成為一個關注的焦點，人們正在思考和研究是否能盡量少用切削液或干脆不用切削液，于是一種利用油霧潤滑進行切削的方法出現了，干切削又被重新重視起來。德國和美國的一些大學、研究所和企業開展了這方面的研究和試驗，不少企業已開始了這方面的應用探索，如在發動機曲軸長油孔的加工中，就突破帶內冷鉆頭在鉆削過程中采用冷卻液進行冷卻和潤滑的傳統做法，而采用了噴油霧和壓縮空氣的方法實現潤滑、冷卻和排除切屑的多種功效。當采用了這些新的方法后，切削摩擦學系統的摩擦學特性會有很多新的變化，產生對刀具的新的要求，其規律值得我們去進一步探討。
  根據切削摩擦學的理論，我們可以更好地研究刀具幾何角度、刀具材料對刀具壽命和被加工件表面形貌的影響，研究開發出適合具體切削摩擦學系統的新型涂層，或找到已有涂層的最佳適用工況條件和適用的切削參數，對切削加工過程實施更有效的控制。

7．刀具業的挑戰和快速發展

  隨著中國汽車制造業的高速發展，國內刀具行業也異常活躍，蓬勃發展。國內外的刀具公司都看中了中國這個大市場，國際上著名的刀具和刀輔具公司及其產品幾乎都進入了中國，如瑞典的Sadvik攜旗下Coroman、Titex、Walter等公司，德國的Mapal、laitz、Guhring,，以色列的Iscar，日本的OSG、大昭和等，美國的Valinite、Ingosoll,等。這些外國刀具公司在剛進入中國時，對中國刀具市場的發展估計不足，有的僅是委托中國代理商銷售一部分刀具，售后服務等工作還未能有力跟上，但他們逐漸認識到這個市場的重要性，開始在中國設立辦事處，并進而在中國進行直接銷售，原來實行的單一代理方式也開始變化，近兩年更有了新的本質的變化，很多國外刀具公司開始在中國設廠，直接在中國當地制造刀具、提供各種服務。如山高公司在上海設立了制造工廠，山特維克在廊坊設立了工廠，住友電氣在天津設立了工廠，肯納、歐士機等在上海都設有工廠，藍幟公司最近在南京新擴建了其工廠，增加了刀具制造和刃磨設備，格林公司在上海的具有珩磨刀具制造和修磨功能的工廠也即將正式開業。這樣的做法其好處是明顯的，首先是可以對市場作出迅速反應，了解客戶的需求并及時作出響應，供貨時間縮短；其次是可以利用中國的勞動力成本優勢，其制造的刀具不僅供應中國客戶，也出口至世界各地，設在中國的工廠成為其具有同樣質量、同樣性能而制造成本卻低得多的國際著名品牌刀具的生產基地。刀具制造和服務的本土化，使得供應商更靠近最終用戶，更好地提供對用戶的現場支持。刀具的銷售和供應決不僅是將刀具銷售給客戶或將刀具送到用戶現場就行了，刀具的售后服務和現場技術支持有時顯得更為重要。特別是因生產現場有時會因各種原因發生刀具的非正常損耗而引起對刀具的緊急需求，此時能否對用戶的需求作出及時快速的響應，并幫助用戶分析問題的原因，提出解決問題的方法和措施，并設法采取某些特殊手段在盡可能短的時間內提供合適的刀具或刀輔具，保持生產線的正常運轉，將直接影響到客戶的滿意度和能否建立和保持長期的合作伙伴關系。同時，絕大部分刀具供應商也已認識到幫助用戶降低刀具成本和提高用戶員工對刀具技術的了解以及提高使用水平的重要性，因此近一二年來，不少刀具供應商由不斷舉辦各種技術講座和到用戶處進行培訓，進而發展到在中國的一些重要城市設立培訓中心和刀具修磨中心。如山特維克在上海設立了名為“效率中心”的設備齊全的大型培訓中心(培訓車間200平方米，多個培訓教室面積達180平方米)，是其全球第19個效率中心，蒂泰克斯也在上海設立了修磨中心，而日本的名古屋刀具公司則早就看中中國國內對刀具快速制造的巨大需求，很早就在上海設廠，專門制造和修磨各種客戶需求的特殊刀具，其特點是反應快，不管批量大小，都能及時到現場進行直接技術支持。另外舒伯哈特公司也同樣在上海設立了修磨工廠，專門進行超硬刀具如金剛石刀具和CBN刀具的加工和修磨工作，其業務量也很大，幫助不少客戶解決了超硬刀具的修磨工作。阿諾公司在蘇州、鈷領公司在常州都設立了工廠，為客戶進行各種刀具刃磨工作，并提供上門收集舊刀具與送刃磨后的刀具到現場的服務。與此同時，為刀具進行涂層的專業涂層公司也來到中國設廠，一方面為其原配套的刀具制造商進行刀具涂層，一方面為有刀具涂層需要的刀具最終用戶進行刀具涂層，為修磨過后的刀具或需要優化的刀具進行涂層。這方面已有Balzars、CemeCom等公司在蘇州等地設廠，并已提供采用當前最先進技術進行涂層的服務，所提供的涂層刀具經過試驗有的已獲得很好的效果。

  與此同時，國內的刀具制造企業和銷售企業也在快速發展，獲得了長足的進步。株洲鉆石刀具公司現已發展成為刀具制造設備完善、能向國內各大汽車制造企業提供多種整體式硬質合金刀具和不同規格硬質合金刀片的刀具制造企業。自貢硬質合金有限責任公司是世界硬質合金和鎢鉬制品生產的大型企業，擁有從鎢鉬冶煉到硬質合金制品、工具的完整生產體系，集多年硬質合金生產經驗和技術優勢，利用當今世界一流的硬質合金生產設備和工藝，成系列地為客戶提供各種車、鏜、銑、鉆等加工用的可轉位刀片及其配套工具。
成都工具研究所一直從事精密切削刀具的共性技術研究及其高新技術產品的生產與銷售，其科研產品的產業化生產基地成都工研科技股份有限公司生產的各種型號的硬質合金可轉位刀片等刀具，已批量向國內外用戶供貨。
但目前國產刀具不足的方面是質量還不夠穩定，往往有的批次壽命很好，完全不亞于進口刀具，但有時壽命又特別低，這樣對于汽車行業的加工來說很難進行生產控制，因汽車行業基本上都是大批量生產，流水作業，對生產節拍和生產率有嚴格要求，所以一般實行的都是強制換刀，如果質量水平不穩定就很難進行控制，或者不得不將刀具設定壽命縮短，這樣將會加大刀具成本，也會帶來由于頻繁換刀所帶來的生產效率損失。
隨著汽車市場日益激烈的競爭，汽車生產的成本必須不斷下降，相應地要求刀具成本也必須下降，降低方法之一就是實現刀具供應的當地化，由此既能降低成本又能縮短供貨時間，這就給眾多的刀具企業提供了很好的機會，同時也將會是一場巨大的挑戰。

8．結語

  汽車工業正在繼續高速發展，高質量、高效率、低成本的生產成為市場竟爭的基本要求，新產品、新技術、新工藝、新材料不斷出現，與此相應的對切削技術和刀具也不斷提出了新的要求。目前對于切削加工中的表面光潔度要求比以前更高，因而對拋光工序及其使用的拋光帶、拋光石要求比以前更高，對去毛刺這樣的工序也提出了新的質量標準，使人們更為重視表面清理及其所用去毛刺的毛刷等并不起眼的刀具的重視；CBN砂輪的大量使用，又使昂貴的砂輪的修整次數及其對砂輪工作壽命的影響成為關注的課題；曲軸加工用車車拉刀具和外銑刀具需要更好地實現本土化；為適應高速加工的發展，切削系統的振動、刀具的動平衡及相應的刀具動平衡設備也成為解決生產中加工問題時的重要考慮因素；對刀具修磨技術及刀具修磨質量的控制成為各汽車制造廠和刀具供應廠家共同關注的問題；刀具新材料，涂層技術更是一直成為各刀具廠家的研究開發熱點，也是汽車制造企業進行刀具優化和刀具試驗最多的項目。汽車制造發展到今天，對刀具供應商的要求已不是簡單的供應刀具或刀具買賣關系，現在要求的是能提供切削加工整體解決方案，并能提供及時有效的現場技術支持．由此，近年來，一種刀具管理的新模式即刀具外包管理也正在汽車行業應用和作進一步的探索，充分發揮社會化大分工的作用，讓掌握刀具技術和刀具管理的專業企業來進行刀具的采購、調整、修磨、現場技術支持、問題解決和刀具優化，形成與汽車制造企業的一種合作伙伴關系，以達到雙贏的目的。對于汽車制造企業和刀具制造。服務企業來說，面臨著極大的挑戰，也將會獲得前所未有的發展機遇。我們相信，汽車制造企業和刀具企業都將會很好地迎接這場挑戰，從而發展到更高的層次。