我國數控刀具發展的探討
任何一個強大的國家都必須具有包括金屬切削加工在內的強大制造業基礎。在整個21世紀中,金屬切削加工仍是機械制造業的主導方法，切削加工（包含磨削）不僅占其90%以上的份額，而且刀具消耗費用占制造成本的2%～5%。無論是專機設備還是柔性制造單元,CNC制造系統都是當今金屬切削工業中的主流。而在CNC制造系統中,工具刀柄和切削刀具的投入可占整個系統投入的10%甚至更多。柔性制造單元和專機設備系統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的技術水平。
一、全球機械加工工業市場、機床市場和切削刀具工業
全球機械加工工業市場變得既活躍又具有過度的全球競爭性。在貿易和技術的頻繁往來之中，發達國家與發展中國家在競爭能力上的差別也日趨混同。同時，對產品的低成本、高性能、高品質、更快捷的交貨期的需求，使新產品和新技術的發展有了史無前例的發展速度和空間。
近年來,金屬切削和金屬成型機床的消費市場從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80年代初的11%提高到現在的25%。在世界范圍內,預期在1998年到2005年將由45億美元可望達到66億美元。在此同時，傳統的銑削機床市場預計在同期內將從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,預計工具的消耗量在近期內將每年增長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現硬質合金刀具需求量的增長超過40%以上。這種增長可能標志著HSS刀具越來越多地在許多制造領域內被硬質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狀和發展態勢
1.切削工具材料和涂層技術
不同種類的切削工具材料都有所進步，包括高速工具鋼、硬質合金、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、小進給量加工。介于上述兩種材料之間的是硬質合金、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刀量需求的加工工業領域。
與刀具材料同步發展的還有化學涂層CVD和物理涂層PVD技術，如今幾乎75%的硬質合金刀具為涂層刀具,其中CVD涂層約占80%。
當代CVD涂層的特點是多層涂層。其涂層結構包括TiCN、TiC、TiN、ZrCN和Al2O3。通過對CVD工藝的良好控制,刀具制造商現在可提供質量穩定的從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物理涂層技術使在金屬陶瓷和硬質合金基體上的涂層厚度為2μm到5μm的硬質涂層已經進入了商業化。典型的商業化涂層方式包括TiN、TiCN、 TiAlN、CrN、TiB2，還有諸如TiN/TiAlN的多層涂層。PVD涂層工藝具有的獨特優勢是:可以給銳利的切削刃面提供超細晶粒、平滑、低摩擦和防止高溫熱裂的涂層。
納米PVD涂層（每層涂層厚度甚至薄到2nm，例如TiN/TiAlN涂層）和納米復合涂層（TiN或TiAlN納米結晶被植入Si3N4的矩陣之中）正處于研發階段。
新近發展的硬質合金刀具涂層包含外部用PVD TiN或者TiAlN涂層與內部CVD TiN/TiCN/TiN涂層的結合。內部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、超細晶粒的、不易脆裂的、表面光滑的刀具表層。這種CVD-PVD相互結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，其可靠性已經得到改進。它們的化學成分穩定,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展。常規的Al2O3白色陶瓷刀具已被超細微粒的Al2O3-TiCN黑色陶瓷所取代。其高強度與高抗磨損性適用于硬度高達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涂層已經為這些工具的耐磨性的更進一步的提高做出了貢獻。碳化硅強化Al2O3陶瓷的發展,使得高速加工鎳基合金已成為現實。
純Si3N4基陶瓷所具有的高熱導率和堅韌性使用于鑄鐵(發動機氣缸，剎車鼓，剎車)的高速加工。CVD Al2O3涂層使Si3N4基陶瓷可應用于加工灰口韌性鑄鐵。
作為強化Al2O3金屬陶瓷的補充刀具材料,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。
涂層領域新近的發展是將純金剛石薄膜用CVD涂層的手段牢固地涂覆于硬質合金基材上。金剛石涂層的硬質合金刀具可具有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計和使用工藝上更具靈活性。
切削工具制造商正通過開發像MoS2或者WC/C這樣的固體潤滑劑來滿足這一需要。當與PVD TiAlN涂層刀具和固體潤滑劑結合使用時,能顯著的提高金屬切削的性能，尤其是對于鋼和鋁合金進行鉆孔和攻絲的加工。
如今超耐磨切削刀具的應用，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劃算的。
2.切削刀具的設計
高速加工的使用者要求經過動平衡的切削刀具，以便減少調整刀具平衡的時間，延長刀具使用壽命，改進被加工零件的精度以及增加主軸軸承的壽命。
鉆削、鏜削工具系統也在不斷的改進和發展。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調整機構的高速精密微調鏜刀系統也已進入市場。
對于高的金屬去除率的鈦金屬類加工，新開發的重切削立銑刀可安裝多達72個可轉位刀片。這種刀具在設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行深度的銑削加工。
3.工具系統結構
制造商對HSK工具系統支持高速機械加工的運用越來越感興趣。雖然這種工具系統最初十分昂貴，但HSK似乎能夠提高系統的剛性和穩定性以及在高速加工時的產品精度,并縮短刀具更換時間。工具供應商正在不斷地改進HSK工具系統,使其適應機床主軸轉速達到60000r/min。
4.刀具質量與精度
在20年前，CNC機床達到25μm的精度被視為極限。如今機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零件加工誤差進行分組選配。據報道高精密機床及被其加工的精密產品在過去的20年中對驅動美國生產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有重大的貢獻，但是在進一步提升制造業的精度水平中，數據收集、計量設備、工序過程標準化的應用等已經起到關鍵的作用。
5．切削工具制造商和服務
近年來不斷出現一些綜合的工具制造商。一些主要切削工具供應商更多的注重發展其核心業務,并通過重組和收購擴大其業務范圍。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成的銷售和服務渠道提供更大范圍的產品和服務。
世界先進的工具生產商的經營理念是積極地為顧客的生產效率的提高提供優質服務,通過與R & D機構(研究與開發)密切合作，為顧客創造獨一無二的解決方案,讓顧客得到的是價廉物美的產品與服務，做顧客生產力提高的伙伴。
三、國內外金屬切削刀具行業的差異
1．現代金屬切削刀具與傳統工具的對比分析
我們稱謂的“數控刀具”，特指與加工中心、數控車床、數控鏜銑床、數控鉆等先進高效的CNC制造系統相配套使用的刀具和工具輔具系統。它包括整體合金刀具、超硬刀具、可轉位刀片、工具輔助系統、可轉位刀具、超硬材料及涂層技術等。這些應屬于現代金屬切削刀具范疇，其技術水平、性能和質量直接影響到國內數百萬臺昂貴的CNC制造系統的生產效率和加工產品質量的好壞，直接影響到整個國家機械制造工業的生產技術水平和經濟效益。其特征分析見下表。
表 現代金屬切削刀具與傳統工具的對比分析
刀具材料：
傳統工具—普通工具鋼、高速鋼，焊接合金
現代切削刀具（數控刀具）—硬質合金，Co-HSS，陶瓷，CBN，PCBN，PCD，粉末冶金高速鋼，超硬材料+涂層
刀具硬度：
傳統工具—高速鋼：60HRC
現代切削刀具（數控刀具）—可達90HRC以上
被加工產品硬度：
傳統工具—一般情況下≤28HRC
現代切削刀具（數控刀具）—車削、銑削均可達到淬硬鋼60HRC以上
切削速度：
傳統工具—加工鋼、鑄鐵：Vc≤30m/min(70～80m/min)
現代切削刀具（數控刀具）—加工鋼、鑄鐵：可轉位涂層合金刀片：Vcmax＝380m/min；CBN刀片：Vcmax＝1000～2000m/min；加工鋁合金：Vcmax＝5000m/min
刀具制造精度：
傳統工具—10微米級(0.0xxmm)
現代切削刀具（數控刀具）—微米級(0.00xxmm)
刀具和工具系統轉速:
傳統工具—2000r/min
現代切削刀具（數控刀具）—60000r/min
關鍵技術:
傳統工具—一般機械制造、切削原理、熱處理、專機、專用工裝及工藝
現代切削刀具（數控刀具）—CAD，CAM，材料科學，力學（動平衡，動剛度等），精密機械制造，數控加工技術，粉末冶金，納米技術，涂層技術及CAX、ERP等計算機信息化管理技術
刀具消耗費用和金屬切除量：
傳統工具—高速鋼刀具約占全部刀具費用的65%，切除的切屑僅占總切屑量的28%
現代切削刀具（數控刀具）—可轉位刀具、合金刀具及超硬刀具占全部刀具費用的34%，切除的切屑占總切屑量的68%
刀具制造用關鍵設備：
傳統工具—專機和一般機械加工設備為主；剛性生產
現代切削刀具（數控刀具）—CNC機床為主：工具磨床及加工中心，數控車床，合金型材和刀片壓制燒結專用設備，刀片深度加工數控磨床；柔性生產
刀具使用機床：
傳統工具—一般的金屬切削機床：車床、銑床、刨床、鏜床等
現代切削刀具（數控刀具）—數控車床，數控銑床，加工中心，流水線專機，柔性生產線
資金投入和企業規模：
傳統工具—追求低成本，大規模生產，資金總量投入不限，屬勞動密集型
現代切削刀具（數控刀具）—追求差異化，多品種、小批量，資金投入數千萬元以上，屬知識、技術、人才、資金密集型
銷售與市場：
傳統工具—市場層面涉及所有機械加工業和維修業；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
現代切削刀具（數控刀具）—與數控機床配套，與被加工產品的數控加工工藝相結合采購刀具，技術配套銷售，商店式市場網絡，分銷商，甚至有專業的為企業配套的刀具管理公司；主要競爭方式：綜合性價比及技術服務，降低制造成本，提升效率
人力資源：
傳統工具—產業工人占多數，單一技術，專機制作，整體素質要求不高
現代切削刀具（數控刀具）—技術開發、營銷、技術服務、數控技術工人、財務、管理等占絕大多數，人才綜合素質要求高。
2．國內刀具行業的現狀
由于我國機床工具行業對現代金屬切削刀具與傳統刀具的差別缺乏足夠的認識,長期以來重主機、輕工具，在發展戰略上數控刀具與數控機床的發展嚴重脫節，使我國工具技術的發展和行業水平與現代制造業的要求相去甚遠。
據2002年中國機械工業年鑒,工具行業29個重點骨干企業2002年完成工業銷售產值14.3億元（RMB現行價，約等于Sandivik公司2002 年投入研發費用的8.6%）,共虧損3960.04萬元(RMB)。從業職工平均人數3.26萬人，人均銷售產值4.38萬元（RMB），職工人均年收入 8626元。95%以上的國內工具企業的現狀停留在傳統的金屬切削刀具制造水平上。（Sandivik集團公司2002年員工人數3.7萬人，實現銷售 50.4億美元。）
3．國內數控刀具生產企業情況
國內數控刀具的研制從80年代初開始，最早為幾個機床附件廠為加工中心主機輔具配套生產制造。但由于其技術、資金、設備和人力資源的投入不夠，對現代金屬切削工具認識不足，起點低，多年來發展緩慢，甚至已經面臨被淘汰出局的威脅。
從20世紀80年代中期至90年代末，成量數控刀具廠、哈工量數控有限公司、上海機床附件一廠、株洲601廠、自貢764廠等是國內數控刀具、工具系統、可轉位合金刀片的主要生產廠。成都工具研究所生產可轉位螺紋刀片、梳刀和涂層技術；大連富士等合資企業以非標異形刀具出口產品和技術圖紙到日本。后起之秀是成都英格數控刀具模具有限公司、陜西品鼎硬質合金有限公司等。
多年來，在國內眾多的數控刀具專業生產廠的共同努力下，一般精度（10 微米級）和轉速在8000r/min以下的加工中心用工具系統和可轉位刀具已經可以部分替代進口刀具，滿足大多數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廠的可轉位刀片在產品開發、切削性能、市場占有率上與進口刀片差距也在逐步減小。成都英格以高起點的軟、硬件投入,嶄新的經營理念和快速發展使其“EG·NC”牌數控刀具在國內獨樹一幟。雖然與國外現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步。為降低市場上進口刀具價格、與國內各行各業數控加工相配套立下了汗馬功勞。
但是,這些專業和非專業的刀具制造廠與世界上任何一家現代工具企業相比，其技術實力、生產能力和資產規模、全員生產率和市場份額都小得可憐。且硬質合金材料生產、涂層技術研究和加工、刀片制造與刀具、工具系統制造各自為營，“隔行如隔山”，沒有形成切削刀具產業鏈的緊密聯合，孤軍奮戰,甚至互相進行低價低水平低檔次競爭。
這些企業在不同程度面臨諸多困難：（1）資金短缺。數控刀具是一項高投入、高起點的資金密集型行業；（2）財務稅費過高。國家實行生產型增值稅，數控刀具屬附加值較高的高新技術產品，進項稅少，增值稅稅賦達10%以上，與發達國家實行消費型增值稅和收入型增值稅相比，在企業創業初期稅賦太重，嚴重影響了企業的發展速度；（3）沒有核心技術和研發實力，缺乏核心競爭力；（4）多年來國產數控刀具品質低下造成的顧客信任度危機，使其市場拓展難度加大；（5）專業技術人才奇缺；6）國內高校在刀具技術的理論和應用研究水平和試驗手段也遠遠落后于世界先進水平，使工具行業發展缺乏足夠的技術支撐和后勁。
四、對我國數控刀具發展的探討
1．面臨的機遇與挑戰
（1）環境的機遇
中國加入WTO以后將成為世界的加工中心。加入WTO的競爭壓力會極大地激勵機械加工行業加快技術改造的步伐，提高制造業的效率和技術水平，縮小與發達國家之間的差距。加快產品結構調整使得固定資產投資繼續加大，更新改造速度加快。2002年全社會固定資產投資首破4萬億元,達4.3202萬億元，比上年增長16.1%，為1996年以來的最高增速。2003年 1～2月全國工業生產增長了17.5%。
數控機床產、銷兩旺。2002年是中國機床行業的又一個黃金年，全年數控機床產量24803 臺，同比增長了31.6%；進口數控機床25097臺，金額為18.84億美元，同比增長了33.53%；機床市場消費額56億美元；2003年數控機床將達到30000臺，機床工具行業總產值增長15％左右，產值達840～850億元，我國金屬加工機床消費將超過60億美元。事實上，2003年上半年幾乎國內所有數控機床制造生產廠的訂單都已接滿，開足馬力加班生產，一個產銷兩旺的機床工具消費市場正在形成。機床需求的增長除了需要新刀具配備，還帶來了持續的長久的刀具消耗，給數控刀具市場提供了非常廣闊的發展空間。
汽車工業高速發展。2002年比2001年汽車產量增長了38.9%。目前國內幾條汽車生產線上的刀具目前基本依賴進口。而加入WTO以后，汽車工業面臨汽車在提升品質同時大幅度降價的壓力,刀具采購的本地化是其必然的趨勢。
（2）挑戰和威脅
①進口刀具的不斷涌入和降價
中國的工具行業很早就面臨全面對外開放，國內市場早就實現了刀具采購全球化。外國工具商進入中國市場已有十幾年的歷史，銷售網絡、技術服務體系已相當建全,在中國各大城市都有若干辦事處，銷售和技術服務從業人員逾千人。他們以其優質的產品、完善的技術服務、不斷降低的產品銷售價（現在的進口刀具價格幾乎已經降到10年前的2/3～1/2）幾乎壟斷了中國的高檔刀具市場。在經濟全球化進程中，跨國工具公司已占有越來越明顯的技術、資源、信息服務等綜合優勢，國產刀具的實力相差越來越遠。
②臺灣刀具——價格殺手
由于國際金融環境的影響，臺灣的工具行業近年來虧損面達80%以上。由此，他們開始以低價大力沖擊中國的數控刀具市場,有的刀具售價甚至低于國產數控刀具售價；以微利和低成本戰略打拼擠占市場，被稱為數控刀具市場的價格殺手。
③顧客信任度的威脅
由于長期依賴進口，國內數控刀具與進口刀具在技術、服務、品質和宣傳上的差距，數控刀具在被加工產品的最終產品質量中的重要地位等因素，國內的顧客對國產數控刀具的信任度十分低下。往往寧愿花重金進口也不愿冒風險省錢購國產刀具。畢竟幾十萬甚至上千萬一臺的數控機床的幾十元～幾百元的小時費用與刀具購置費用相比，如果沒有十足的把握，都寧愿選擇進口刀具。汽車制造廠和航空航天企業就是典型的例子。在國產刀具不夠成熟的今天,他們幾乎不會提供機會讓國內刀具上CNC生產線去試用。
④顧客競價能力威脅
加入WTO以后，全球化采購將使大量價格合理，技術成熟的切削刀具繼續涌入中國市場，讓顧客有了更大的選擇空間和競價能力提升，使國內數控刀具生產廠商市場開發難度加大。
⑤自身產業鏈不完整，供方依賴度風險
國內數控刀具企業生產經營規模都太小，沒有形成自身的切削刀具產業鏈的緊密聯合，尤其是工具系統的生產廠家不生產刀片，刀片生產廠家不生產工具，幾乎完全依賴于供方；沒有一家真正意義上的行業內產業聯盟。
⑥專業技術人才奇缺
數控刀具是技術密集、知識密集、人才密集的行業，其發展對人才的依賴度很大，尤其在公司生產經營規模不大時更是明顯。國內數控刀具技術人才、管理人才、營銷人才、數控機床操作工都奇缺，一般培養周期為3～5年。而高校又沒有很好地擔當起培訓CNC數控加工和數控刀具專業人才的責任，都靠企業自身花漫長的時間去培養，往往事倍功半，還不一定能留住。
⑦行業水平低下，缺乏核心競爭力
中國的工具行業的整體綜合實力與發達國家相比差距太大。
2．我國數控刀具發展對策
（1)打造企業具有求實創新精神和學習力的管理和員工團隊，這個團隊的成員要有數控刀具專有技術、有經營管理經驗，更有將數控刀具作為畢生的事業為之奉獻的信念。
（2）高投入高起點，大手筆快發展。加快產品研發，打造企業核心競爭力，實施差異化戰略。在產品品質上，要么不干，要干必須一流。選擇自己的核心產品，追求精品，縮小與進口刀具差距；產品定價堅持優質優價原則，不打價格戰和低成本戰略；技術開發模仿加創新，自成體系，有自身的獨創特點；注重包裝及企業CI 策劃，提升企業形象，打造優質刀具品牌。
（3）技術服務為先導，為用戶提供數控加工的解決方案。利用自身的技術和服務成本低的優勢，與進口刀具商比服務質量和速度，以服務去拼市場；首先要承認我們與世界先進刀具的差距,用自己掌握的國內外先進數控刀具技術和信息，整合國內外先進刀具的特點，針對不同的用戶做技術和刀具配套服務，給用戶做選刀、用刀、降低成本、確保品質和效率的參謀。用優質的技術服務和快速的反映能力來彌補自己刀具制造中暫時的不足并從中去學習和提升。
（4）系統思考，尋求產業化聯盟和國際化合作，站在巨人的肩上求自身的發展。我國的工具行業很早就對外開發，早在十多年前，跨國工具制造廠就提前享受國民待遇，沒有準入制度，進口關稅僅8%左右，加之大量走私刀具、刀片沖擊占領中國的數控刀具市場90%以上。前些年工具行業無序的市場競爭，生存的壓力迫使很多刀具企業亮出最后一張底牌——價格戰，殺得你死我活，使原本效益還過得去的工具企業元氣大傷，無力做技術改造和培養人才、用好人才和留住人才。國內的工具行業有覆沒的危險,確不是危言聳聽。
當我國要想成為制造業強國，當CNC制造系統已是當今金屬切削工業中的主流，當刀具與金屬切削機床一起擔當著在機械加工中十分重要的角色，當面臨著整個工具行業與世界切削工具業的巨大差距,我國的數控刀具企業應當冷靜思考，求差異、抓品質、創品牌、重服務、實施精品戰略和人才戰略，積極尋求國內和國際聯盟，使我國的工具產業重新崛起。