任何一个强大的国家都必须具有包括金属切削加工在内的强大制造业基础。在整个21世纪中，金属切削加工仍是机械制造业的主导方法，切削加工（包含磨削）不仅占其90%以上的份额，而且刀具消耗费用占制造成本的2%－5%。无论是专机设备还是柔性制造单元，CNC制造系统都是当今金属切削工业中的主流。而在CNC制造系统中，工具刀柄和切削刀具的投入可占整个系统投入的10%甚至更多。柔性制造单元和专机设备系统的效率和能力在很大程度上取决于所采用的刀具和工具辅助系统的技术水平。

 

一、全球机械加工工业市场，机床市场和切削刀具工业

 

全球机械加工工业市场变得既活跃又具有过度的全球竞争性。在贸易和技术的频繁往来之中，发达国家与发展中国家在竞争能力上的差别也日趋混同。同时，对产品的低成本、高性能、高品质、更快捷的交货期的需求，使新产品和新技术的发展有了史无前例的发展速度和空间。

 

在近年来，金属切削和金属成型机床的消费市场从390亿美元减少到360亿美元，其原因之一是加工中心的广泛使用。在美国加工中心的拥有量由20世纪80年代初的11%提高到现在的25%，在世界范围内，预期在1998年到2005年将由45亿美元可望达到66亿美元。在此同时，传统的铣削机床市场预计在同期内将从16亿美元下降到15亿美元。在未来的十年中，超过50%的制造业的加工需求可能将由加工中心来完成。

 

世界切削工具的市场份额约为100亿美元，预计工具的消耗量在近期内将每年增长3%以上。1998年世界切削工具市场消耗比率如下：铰刀2%。拉刀/滚刀7%、合金立铣刀7%、丝锥6%、车刀23%。高速钢立铣刀7%、镗刀8%、锯片11%、钻头12%、铣削刀具17%。随着高速加工理念被人们普遍接受，CBN和金刚石切削刀具的全球需求量预计从1998年的5%到200年将提高到11%。

 

在2000年，许多刀具制造商都发现硬质合金刀具需求量的增长超过40%以上。这种增长可能标志着HSS刀具越来越多地在许多制造领域内被硬质合金刀具取代而失去了往日的辉煌。

 

二、国外金属切削刀具的现状和发展态势

 

1. 切削工具材料和涂层技术

 

不同种类的切削工具材料都有所进步，包括高速工具钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、聚晶立方氮化硼（PCBN）和聚晶金刚石（PCD）。高速工具钢（HSS）是高韧性的刀具材料，能制作成其他材料不能制作的各种复杂几何形状和尺寸的锋利切削刀具。而高耐磨性的CBN和PCD超硬材料则适用于高速、小进给量加工。介于上述两种材料之间的是硬质合金、金属陶瓷和陶瓷刀具材料，这些材料广泛使用于各种切削速度和进刀量需求的加工工业领域。

 

与刀具材料同步发展的还有化学涂层CVD和物理涂层PVD技术，如今几乎75%的硬质合金刀具为涂层刀具，其中CVD涂层约80%。

 

当代CVD涂层的特点是多层涂层。其涂层结构包括TiCN、TiC、TiN、ZnCN和Al2O3。通过对CVD工艺的良好控制，刀具制造商现在可提供质量稳定的从5μm到20μm厚度的涂层刀具，以及用于高硬度材料工件加工的单层涂层厚度不超过0.2μm的多层涂层合金刀具。

 

PVD物理涂层技术使在金属陶瓷和硬质合金基体上的涂层厚度为2μm到5μm的硬质涂层已经进入了商业化。典型的商业化涂层方式包括TiN、TiCN、TiAlN、CrN、TiB2，还有诸如TiN-TiAlN的多层涂层。PVD涂层工艺具有的独特优势是：可以给锐利的切削刃面提供超细晶粒、平滑、低摩擦和防止高温热裂的涂层。

 

纳米PVD涂层（每层涂层厚度甚至薄到2纳米，例如 TiN/AlN涂层）和纳米复合涂层（TiN或TiAIN纳米结晶被植入Si3N4的矩阵之中）正处于研发阶段。

 

新近发展的硬质合金刀具涂层包含外部用PVDTiN或者TiAlN涂层与内部 CVD TiN/TiCN/TiN涂层的结合。内部CVD涂层可提供极好的基体粘合力和耐磨性，而外部PVD涂层提供一个坚固的、超细晶粒的。不易脆裂的、表面光滑的刀具表层。这种CVD－PVD相互结合的涂层有助于延长刀具在难加工金属材料和钢材加工的断续切削时刀具使用寿命。

 

新型的 PVD TiCN或者TiAlN涂层的金属陶瓷刀具，在用于车削和铣削钢材、不锈钢和铸铁的精加工和半精加工过程中，其可靠性已经得到改进。它们的化学成分稳定，具有高红硬性和维持高速切削的能力，确保了降低被加工零件的尺寸误差，获得良好的表面质量，高的效率以及更长的刀具使用寿命。

 

陶瓷刀具也有了重要意义的发展。常规的Al2O3白色陶瓷刀具已被超细微粒的Al2O3-TiCN黑色陶瓷所取代。其高强度与高抗磨损性适用于硬度高达60HRC的铸铁、合金钢、工具钢和不锈钢的车削和镗削精加工。PVD TiN涂层已经为这些工具的耐磨性的更进一步的提高做出了贡献。碳化硅强化Al2O3陶瓷的发展，使得高速加工镍基合金已成为现实。

 

纯Si3N4基陶瓷所具有的高热导率和坚韧性，可应用于铸铁（发动机气缸，刹车鼓，刹车）的高速加工。CVD Al2O3涂层使Si3N4基陶瓷可应用于加工灰口韧性铸铁。

 

作为强化Al2O3金属陶瓷的补充刀具材料，SiAlON硅铝氧氮聚合材料彻底更新了镍基合金加工的生产力。例如：以3500SFM（3500英尺/分钟约合1068m/min）的表面速度加工高温合金材料718铬镍合金和PH不锈钢就是一个SiAlON硅铝氧氮聚合材料作为刀具材料的有力佐证。

 

高速加工需要超硬的切削工具。其中聚晶金刚石（PCD）适用于加工非常耐磨损的高硅铝合金（含Si>12%）、有色金属材料和复合材料；聚晶立方氮化硼（PCBN）适用于硬的黑色金属材料的车削、镗削和铣削加工。

 

涂层领域新近的发展是将纯金刚石薄膜用CVD涂层的手段牢固地涂覆于硬质合金基材上。金刚石涂层的硬质合金刀具可具有PCD刀具的性能，又可以通过模具成型断屑槽的方式使刀具在设计和使用工艺上更具灵活性。

 

切削工具制造商正通过开发像MoS2或者WC/C这样的固体润滑剂来满足这一需要。当与PVD TiAlN涂层刀具和固体润滑剂结合使用时，能显著的提高金属切削的性能，尤其是对于钢和铝合金进行钻孔和攻丝的加工。

 

如今的超耐磨切削刀具，金刚石刀具用于有色金属，CBN刀具用于黑色金属的高速切削和磨削已成为大量的典范。尽管其刀具采购成本高于传统工具的20到50倍，但因其至少具有比其它刀具长100倍的使用寿命，采用此类超耐磨刀具也是相当合算的。

 

2．切削刀具的设计

 

高速加工的使用者要求经过动平衡的切削刀具，以便减少调整刀具平衡的时间，延长刀具使用寿命，改进被加工零件的精度以及增加主轴轴承的寿命。

 

钻削、镗削工具系统也在不断的改进和发展。可更换钻头合金刀片已成趋势。因钻尖磨损后钻头无需从刀架上卸下也可更换切削刃。现在市场已可以提供直径小到0.5英寸的这类钻头。目前工具制造商正在制造直径为0.25英寸的此类钻头。带有0.5微米调整机构的高速精密微调镗刀系统也已进入市场。

 

对于高的金属去除率的钛金属类加工，新开发的重切削立铣刀可安装多达72个可转位刀片。这种刀具在设计上通过各个刀片的搭接提供各种变化多样的刀具螺旋角和轴向刃倾度。这种变化扰乱了切削加工时的共振，从而可以无共振地进行深度的铣削加工。

 

3．工具系统结构

 

制造商对HSK工具系统支持高速机械加工的运用越来越感兴趣。虽然这种工具系统最初十分昂贵，但HSK似乎能够提高系统的刚性和稳定性以及在高速加工时的产品精度，并缩短刀具更换的时间。工具供应商正在不断地改进HSK工具系统，使其适应机床主轴转速达到60000r/min。

 

4．刀具质量与精度

 

在20年前，CNC机床达到25μm的精度被视为极限。如今机床制造精度接近原来精度值的1/10已经不困难。与此同时，SPC控制和在线检测对解决被加工零件质量的一致性起到了很好的控制作用。在零部件装配时不再需要根据零件加工误差进行分组选配。据报道高精密机床及被其加工的精密产品在过去的20年中对驱动美国生产力的提高起到了决定性的作用。虽然很多因素对于加工精度的重大改进有重大的贡献，但是在进一步提升制造业的精度水平中，数据收集、计量设备、工序过程标准化的应用等已经起到关键的作用。

 

5．切削工具制造商和服务

 

在近年来不断出现一些综合的工具制造商。一些主要切削工具供应商更多的注重发展其核。已业务，并通过重组和收购扩大其业务范围。Sandivik公司在过去的十年中收购了35家公司，2002年又完成了对Walter和Valenite等三家重点公司的收购。美国肯纳公司也是如此。切削工具制造商能够通过简化现成的销售和服务渠道提供更大范围的产品和服务。

 

世界先进的工具生产商的经营理念是积极地为顾客的生产效率的提高提供优质服务，通过与R&D机构（研究与开发）密切合作为顾客创造独一无二的解决方案，让顾客得到的是价廉物美的产品与服务，做顾客生产力提高的伙伴。

 

三、国内外金属切削刀具行业的差异

 

1. 现代金属切削刀具与传统工具的对比分析

 

我们称谓的“数控刀具”，特指与加工中心、数控车床、数控镗铣床、数控钻等先进高效的CNC制造系统相配套使用的刀具和工具辅具系统。它包括整体合金刀具、超硬刀具、可转位刀片、工具辅助系统、可转位刀具、超硬材料及涂层技术等。这些应属于现代金属切削刀具范畴，其技术水平、性能和质量直接影响到国内数百万台昂贵的CNC制造系统的生产效率和加工产品质量的好坏，直接影响到整个国家机械制造工业的生产技术水平和经济效益.