金屬切削加工技術(shù)的發(fā)展趨暢談
從刀具發(fā)展歷程看，從十九世紀(jì)末到二十世紀(jì)中期，刀具材料以高速鋼為主要代表；1927年德國(guó)首先研制出硬質(zhì)合金刀具材料并獲得廣泛應(yīng)用；二十世紀(jì)50年代，瑞典和美國(guó)分別合成出人造金剛石，切削刀具從此步入以超硬材料為代表的時(shí)期。二十世紀(jì)70年代，人們利用高壓合成技術(shù)合成了聚晶金剛石（PCD），解決了 金剛石數(shù)量稀少、價(jià)格昂貴的問題，使金剛石刀具的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到航空、航天、汽車、電子、石材等多個(gè)領(lǐng)域。
刀具材料的選擇是切削加工成功的基礎(chǔ)。與硬質(zhì)合金相比，PCD刀具速度可達(dá)4000m/min，而硬質(zhì)合金只有其1/4。從壽命上看，PCD刀具一般能提高20倍。從加工出的表面質(zhì)量看，PCD的效果比硬質(zhì)合金要好30%-40%。此外，CBN（立化氮化硼）超硬材料刀具和表面涂層刀具的發(fā)展對(duì)推動(dòng)切削加工技術(shù)的進(jìn)步也功不可沒。
100多年來，刀具的切削速度不斷提高，帶來了加工效率的變化，進(jìn)一步帶來了加工范圍的拓展。切削加工發(fā)展的最大標(biāo)志，就是高速切削加工（highspeedcutting，簡(jiǎn)稱HSC）的發(fā)展。
一個(gè)高速切削加工系統(tǒng)所涉及的方面很多。僅從加工過程上看，傳統(tǒng)的切削加工，一個(gè)被加工工件如模具，需要經(jīng)過毛坯退火—粗加工—精加工—淬火—EDM準(zhǔn)備—電火花加工—特別的精加工—人工拋光等程序。而高速加工僅需要毛坯的淬火—粗加工—半精加工—精加工以及超精加工等環(huán)節(jié)，從步驟上來說，就減少了三個(gè)，加工時(shí)間比傳統(tǒng)加工方法縮短30%-50%左右；在加工小尺寸部件時(shí)，這種優(yōu)勢(shì)尤其明顯。更有甚者，過去某些企業(yè)制作復(fù)雜的模具，基本上都需要3、4個(gè)月才能交付使用，采用高速切削加工後，只需要半個(gè)月便可完成。
一個(gè)高速切削加工系統(tǒng)，由刀具和技術(shù)兩部分組成。與刀具相關(guān)的因素有刀具材料的選擇、刀具系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、刀具需加工的邊緣形狀。而與技術(shù)密切相關(guān)的是CAD/CAM系統(tǒng)的選擇、刀具加工路徑的規(guī)劃、切削參數(shù)的設(shè)置以及冷卻與潤(rùn)滑環(huán)節(jié)。
自高速切削普及以來，從1950年至2000年的半個(gè)世紀(jì)內(nèi)，加工效率提高了4-5倍。當(dāng)然，需要提到的是，高速切削一般是由其加工物件來定義其“高速”的范圍。
刀具在全部加工成本中所占比重并不大。我們以汽車業(yè)某制造過程為例來分析：機(jī)床等設(shè)備投資占總成本35%；設(shè)備工作時(shí)的能耗占7%；企業(yè)的正常運(yùn)營(yíng)成本占27%；冷卻及潤(rùn)滑成本占17%；直接人工占9%；刀具占4%。無獨(dú)有偶，機(jī)床加工鋁合金工件的批量生產(chǎn)成本中，冷卻及潤(rùn)滑占16%；刀具4%；其他加工成本占80%。可以看出，刀具在整個(gè)成本中，僅占了極小的一部分。但是，不可忽視的是，這4%成本的刀具，卻可能影響到10%-15%的整體加工效率。
對(duì)刀具來說，最關(guān)鍵的因素有三個(gè)，成本、壽命、效率。有實(shí)驗(yàn)表明，若刀具成本降低30%，整體成本大約降低1%；若提高50%的刀具壽命，整體成本大約降低1%；但是，若盡可能的優(yōu)化切削參數(shù)，提高20%的刀具加工效率，那麼，每一個(gè)工件整體成本能降低15%以上。
當(dāng)然，要全面提高機(jī)床的生產(chǎn)效率，不僅應(yīng)通過高速切削減少工件的切削加工時(shí)間，還需大力壓縮加工輔助時(shí)間（含機(jī)床調(diào)整、程序運(yùn)行檢查、空行程、起制動(dòng)空運(yùn)轉(zhuǎn)、工件上下料和裝夾、換刀等時(shí)間）、待機(jī)時(shí)間和故障停機(jī)時(shí)間，因?yàn)樵诙嗥贩N小批量生產(chǎn)條件下，機(jī)床的有效切削時(shí)間一般只占其全部工時(shí)的25%-35%。可見，除高速切削外，如何更加有效的加工，是制造業(yè)面臨的重要課題之一。
目前，綠色加工技術(shù)已成為全球的熱點(diǎn)，這個(gè)綠色，包括了經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效。從環(huán)保角度看，一方面是高速高效加工帶來能耗的降低，另一方面，冷卻液與潤(rùn)滑液的選擇是非常關(guān)鍵。如上所述，冷卻液的成本在整體成本中所占比例頗高，達(dá)到16%左右。潤(rùn)滑與冷卻的效果與整體的加工效率也非常相關(guān)，尤其是對(duì)難加工材料，如鈦合金，切削到一定程度後， 須進(jìn)行適當(dāng)?shù)睦鋮s。隨高速切削的發(fā)展，冷卻液澆注時(shí)，刀具經(jīng)常出現(xiàn)熱裂的情況，導(dǎo)致刀具壽命降低，這一點(diǎn)需要改進(jìn)。
總之，在加工技術(shù)中，高精度、高效率、低成本、環(huán)保，及結(jié)果的可預(yù)見性，都將是明顯的趨勢(shì)。這個(gè)可預(yù)見性，是指加工結(jié)果 須是可預(yù)測(cè)的、可控制的，而不是隨機(jī)的。這就要求操作者對(duì)加工技術(shù)有更深的理解。