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在过去五年里，德国刀具工业的销售状况，除了正常的波动以外，总的趋势是持续上升的，但是产品的供货期延长了。随着经济情况的进一步好转，必须加快新产品开发并重视关系着刀具制造业前途的研究开发工作。使2000年以后制造业能应用更高效的刀具。
那么，当前哪些课题对刀具工业最重要呢?可以列出以下十个方面：
(1)如何加工新出现的工件材料；
(2)关于硬-干-高速加工；
(3)关于电泳沉积工艺，以及梯度结构的硬质合金；
(4)关于多层涂层、纳米级涂层；
(5)关于润滑性涂层和微量润滑技术；
(6)一次性刀具；
(7)智能刀具；
(8)提供具有管理功能的切削技术；
(9)互联网对刀具工业带来的影响；
(10)专利技术与推广普及的关系。
新的刀具要加工什么样的工件材料
在未来十年里，新开发的刀具应能加工什么样的工件材料呢?从与刀具工业关系最密切的两个工业部门--汽车工业和航空工业可以得到明确的答复。
在汽车工业里，铝合金占主导地位，图1是瑞典Volvo汽车厂工件材料构成的变化趋势。铝合金还是制造飞机机身的主要材料。在飞机发动机制造业，除了铝合 金外，主要材料还有镍基合金和钛基合金，图2是瑞典Volvo飞机发动机厂工件材料构成的变化趋势。此外，上述材料构成的格局还正在发生变化，预计蠕虫状 石墨铸铁(GGV)和镁合金在今后将起重要作用。
表1是这两种材料与普通灰铸铁(GG)、铝合金性能的比较，它们将影响切削加工的效率和刀具的寿命。
a 灰铸铁 b 球墨铸铁 c 锻钢 d 铝合金 e 其它a 钢 b 铝合金 c 钴基合金 d 镍基合金 e 钛合金 f 合成材料图1 轿车工业工件材料发展趋势图2 飞机发动机工业工件材料发展趋势
表1 材料性能比较工件材料灰铸铁GG25GGV铸铁 (70%珠光体)GGV铸铁 (95%珠光体) 铝合金AlSi9Cu3镁合金AZ91HP强度MPa230440480255225弹性模量Gpa1301451457445硬度 HB19020025010072汽缸盖毛重kg40.4303027.521.5汽缸盖净重kg35.224.524.52217
硬-干-高速切削：干切削的十个相关技术
硬加工，主要是指渗碳淬火钢的加工，目前能达到的技术水平见表2。当前制造技术中最重要的趋势肯定是干切削。下面列出经济地应用这项技术的十个最重要的相关技术：
(1)只有可通用的干式或准干式切削工艺才有价值，由于在孔加工(钻、攻丝、铰)的切削区有很高的切削温度，因此孔加工是干式切削能否通用的关键。
(2)必须采用新的特殊的刀具几何角度，以减少刀具与工件之间的摩擦，有利于切屑的流动。
(3)刀具材料应适合磨出锋利的刃口，以降低切削温度。
(4)采用含TiAlN的多层涂层，阻止热量传入刀具。
(5)用减摩涂层降低切屑流动的摩擦。
(6)外部的微量润滑方法只对不经常更换刀具的加工是简单且有效的。
(7)对于频繁更换刀具的加工中心机床，需要采用经主轴-刀具的内部微量润滑供给方式。
(8)要有抽吸切屑和油雾的装置。
(9)适用于干切切削的机床应有利于切屑的落下，并能很快将切屑从加工区清除。工作台的移动有高的加(减)速度，以提供最佳的进给速度。
(10)必须采用高的切削速度，使热量由切屑带走。
表2 硬切削的技术状况(由汉诺威工业大学提供)用陶瓷、CBN硬车削用超细颗粒硬质合金+TiN涂层硬铣削用超细颗粒硬质合金+TiAlN涂层硬铣削切削速度 Vc(m/min)120～250200～35040～60进给量f mm 0.05～0.150.1～0.20.02～0.1粗糙度Ra μm1～42～5 2～4 精度IT5～7 IT7～10图3 干式切削在德国机械制造行业发展前景
上述十条中有几条还要进一步说明，其中最重要的是第10条，因为只有当干式切削在不降低生产率的前提下，它的优点才有现实意义，并得到广泛应用。实践证 明，采用干式切削必须提高切削速度，使热量由切屑带走。实际情况比预期的还好，生产率不但没降低，甚至还提高了。关于该项技术推广的速度会有多快，专家们 的看法不完全相同，图3为德国机械制造行业干式切削所占的比例：目前为6%，到2003年最佳的估计可达40%，而现实的估计为20%。
为了加快干式切削的推广工作，德国第二大汽车制造厂的做法可供借鉴，其项目实施安排的原则是：
凡是可采用干式切削的工序，必须投入适合干式切削的机床，否则可按以下原则进行加工：
①首先采用微量润滑，看加工是否可行。
②如果必须采用冷却，则应优先考虑乳化液。
③只有在迫不得已情况下才使用油冷却。
关于干式切削机床的开发，目前至少已有12家机床厂能提供新开发的可适用干式切削的加工中心或近期将推出样机。
可替代高速钢和焊接式PCD的硬质合金
目前在市场上占主导地位的刀具材料还是传统的格局：P类用于加工钢，K类用于加工铸铁和铝合金。这样的格局即将过时，P类硬质合金的优点仅仅在于，在加工 钢材时重磨后可不重涂。实际上，这个优点已显得无关紧要，如果采用涂层的超细颗粒硬质合金，与P类硬质合金相比，在重磨前寿命的增加远远超过重磨后的寿命 损失，因此总寿命有很大提高，见图4。
为提高硬质合金的韧性，通常是增加钴的含量，由此带来的硬度降低现在可通过细化粒度得到补偿(见图5)，从而使超细颗粒硬质合金受到青睐。尤其在机床刚性 较差或加工条件不稳定的场合，如果用普通硬质合金刀具迟早会打刀。图6是用超细颗粒硬质合金制造的曲轴油孔钻，孔深为25d，代表了此类刀具当前的最高水 平。
a TiN涂层 b 重磨后图5 K类硬质合金的硬度和强度图4 K40UF与P40刀具耐用度比较图6 用超细颗粒硬质合金制造的曲轴油孔钻图7 梯度硬质合金K40UF金相结构
细颗粒硬质合金的另一个优点是刀具的刃口锋利，适合加工那些很粘的工件材料。高的强度和锋利的刃口，即使在加工条件恶劣的场合也可取代高速钢刀具，从而使硬质合金刀具的应用范围更加广泛。
尽管用纳米级细颗粒制造的硬质金硬度和强度都达到了最高值，但价格太贵。于是开发了一种芯部韧、表面硬的梯度性能硬质合金材料(图7)。目前这种材料还只能用粗颗粒硬质合金制造。这样连续的(无级的)梯度结构材料很适合制造刃口圆弧不变的刀具(如立铣刀、铰刀)。
对于有端刃的刀具，如钻头、锥铣刀等，其横刃磨损很快，对此，电脉沉积能够带来突破。该项技术能够以很小的变化率改变涂层的韧性和硬度的比例，它可将梯度 性能的颗粒沉积到刀具任意形状的表面上。当能沉积致密的金刚石涂层时，焊接式的金刚石刀具，由于其价格昂贵、不利环保、以及在复杂外形上焊接质量不稳定等 弊端，将会被淘汰。
多层涂层和纳米级涂层能取代TiN吗?
在各种涂层中，TiN涂层占主导地位，而最新的涂层研究探索将刀具涂层的三个最重要的优点合在一起。
以 TiN为底层构筑多层涂层，可保证涂层的最佳性能。这种涂层的生产效率也不低，因为刻蚀和涂层工序可部分地同时进行。在TiN底层上沉积的TiAlN和 TiN多层结构对裂缝的吸收有最好的效果。在多层结构中，层与层之间的变化越大则使裂缝改变走向的效果越好，因而增加了裂缝向基体扩展的路程。
目前，多涂层的表层一般都是TiAlN，因为TiAlN的导热率最低。此外，由于TiAlN表层生成的氧化物为刚玉，它比由TiN表层生成的氧化物强度高。
多层涂层必须采用曾被否定的多弧工艺，多弧工艺的生产率不成问题，问题是涂层中所存在的大颗粒，这些大颗粒会阻碍切屑的流动，因此不适于涂复深孔加工刀具。
为了定量地评价这种颗粒的影响，引入了涂层滑动系数的概念，以反映涂层中颗粒的影响程度。方法是对钻削时所测得的进给力进行分析，用相应的钻削深度来表 示。通过对刻蚀工艺的改进和利用较小颗粒的多层结构，可极大地改善多弧涂层的滑动性能。同时，还可通过自抛光效应提高涂层的滑动性能。在解决了多弧涂层存 在的颗粒问题以后，多层涂层比通常的TiN涂层可大大提高加工效率。
纳米级涂层使刀具的硬度和耐磨性进一步提高，因此，有可能在将来放弃使用焊接式CBN、PCD刀具。纳米级涂层的技术已经掌握，即控制放电的时间与被涂刀具的旋转速度，使两者精确同步。但纳米级涂层的实用性还局限于批量涂复相同几何形状的刀具。
那些独立运行的涂层公司，通常要同时处理不同的工件，因此还不能涂纳米级。对这些公司来讲，当前最重要的是开发有实用价值的退涂技术。目前很多涂层公司还不掌握退涂和细化颗粒的技术。因此，在今后相当长的一段时间内，其主要业务还是简单的重涂。
一种更有发展前途的涂层工艺是离子注入(PII)，其原理是通过金属离子的轰击强化晶格，使硬度提高而不改变刀具的尺寸，这对精加工刀具很有利。把现有工 艺与离子注入相结合能够产生新型涂层，那就是首先应用离子注入在基体上生成作为后面常规涂层的"根"，这样可达到最佳的涂层性能。
关于润滑性涂层与微量润滑的发展
润滑性涂层与微量润滑有同样的效果：减少刀具与工件之间的摩擦，防止积屑瘤的形成，因此也形成两者之间的竞争。它们的发展主要是因为干式切削工艺的推广应用。
润滑性涂层在与硬涂层结合使用时，可以发挥充分的作用，其发展方向为：
1 有很高硬度的类金刚石涂层， 粗糙的表面、太大的涂层厚度以及主要是被涂硬质合金允许的最大的钴含量(约6%)阻止了金刚石涂层的形成，而新型的热弧工艺能在很低温度下沉积出非晶态的 类金刚石涂层。它可以涂覆任何硬质金属、钢、甚至铝制零件。这种涂层的摩擦系数非常低，能够实现"无油传动"。
2 形成中等硬度的润滑性涂层，如WC/C基涂层。这种涂层在摩擦的跑合阶段显示较高的摩擦系数。然而它比MoS2涂层有更高的耐磨性，它的这种特性使刀具在耐用度后期其表面润滑性也不会由于自抛光效应而变坏。
3 形成可供使用的真正的软涂层，如MoS2基涂层。它的优点是刀具的跑合过程非常有效，甚至热弧涂层工艺留下的大颗粒也不会堵塞切屑，只要在MoS2被磨掉以前切屑已抛光了这些大颗粒。
a 刀具涂层 b 装饰涂层 c 工件涂层
图1 一个中型涂层公司的涂层业务发展状况
从涂层应用领域的整体来看，涂层的发展将保持很大的增长速度(见图1)，因此出现了象Pilze这样的大涂层中心，但它们不能只靠刀具涂层生存下去，必须以低得多的涂层价格招徕零件制造业。相反，那些从事经济地涂覆重磨刀具的小型涂层服务点，倒是经常门庭若市。
微量润滑很适合制造技术的现状，它只要相当少的费用(2000～20000DM)就可实施，方便地附加到现有的机床上，所需要的前提条件也不难解决。
微量润滑是利用流体力学文氏管原理：高速的空气流把油雾化成几乎"无质量"的液滴。它有两种使用方式：外部的和内部的，与浇注式冷却比较，其微量润滑有很多优点：
(1)比浇注乳化液效果更佳，可使每一滴介质完全进入工作区。
(2)避免了对刀具的热冲击。
(3)和浇注式冷却方式相比，只消耗1／60000的润滑油。
(4)工件和切屑都是干的。
(5)辅以抽吸装置，可以实现保护环境和维护操作者的健康。
但持怀疑和反对的人也提出了新的异议和指责：
(1)要有效地使用微量润滑的内冷却方式，需要新的机床和昂贵的主轴。
(2)为了试验微量润滑，有关的机床必须停产较长时间，并需进行复杂的改装。
(3)油雾不象浇注式那样可是以收集回来再泵出去，会极大地污染工作环境。
(4)油雾的粒度在10μm以下，甚至1μm，会进入肺里，影响人的健康。
对于上述几点异议的答复是：
(1)实践证明，对现有机床进行微量润滑改装，其高速主轴在高达40000r／min时仍能可靠工作；
(2)为微量润滑开发的ECD刀具夹头，可实现内部的微量润滑方式，而不必改装机床，它用一个旋转装置吸进周围的空气，再从油池里带走油液，送到刀具的内冷却通道里；
(3)用浇注式冷却方式，其损耗、输送和使用的费用需要高得多；
(4)由小液滴组成的油雾只在密封的管道中流动，从刀具里喷出来时已变成大得多的颗粒。
在微量润滑有上述一些优点的情况下，还需要润滑性涂层吗?回答是肯定的，因为它能使刀具减少摩擦，而微量润滑却达不到这个目的，两者一起可形成有效的组合，其应用已不局限于切削加工。
a 汽车制造业 b 汽车配件业 c 机床制造业 d 手工业 e 其它工业
f 高速加工铣床 g 加工中心 h 专机 i 普通机床 k 其它机床
图2 微量润滑的应用状况
在德国，微量润滑装置目前每年有10000套的市场(见图2)，而且还将进一步增加。市场的业绩主要取决于服务的成套程度，那些能迅速提供整个加工过程中 有关干式切削成套技术的，包括刀具、微量润滑、涂层，将在市场竞争中取胜。可以预测，在五年之内，德国制造的加工中心中将有5%用微量润滑与润滑性涂层相 结合来取代浇注式冷却。
关于旋转刀具的一次性使用问题
刀具使用一次以后，在什么情况下可以丢弃?应该是在修理、维护不可能或者很复杂(如特殊的波形刃刀具的重磨必须送到刀具制造厂)，或者修理、维护费比买新 的还贵时。没有人认为，价格便宜的硬质合金可转位车刀片、铣刀片应该重磨。现在已把直径较大的钻头做成可转位式，其理由既有技术上的也有经济上的。一方 面，对于直径大于16mm的刀具，其刀体所需求的精度用近净成形工艺(如精密压力铸造)已很容易达到；另一方面，用整体硬质合金制作大直径的刀具，其材料 的费用太高。
相反，对于小直径刀具，如制成可转位式就没有竞争力，一是刀片槽定位面的尺寸精度只有磨削才能达到；二是这个尺寸段刀具的硬质合合金材料所占的成本较少。 而整体硬质合金刀具还具有高的加工效率和精度，以及可很好的重磨和重涂的优势。如果一次性使用，很不经济。但前提是要有一个组织得很好的重磨和重涂服务， 使质量和供应都有保障。为此，可把内部的刀具管理委托给外部的公司来承担。
关于智能化刀具
数控机床配上可执行动作的智能化刀具涉及很多时髦的概念，带有测量功能并可自调的切削头，以及可适应控制的和能自学习的数控机床，在理论上不是新的，新的是所使用的测量、驱动和计算技术。
借助于地球上空的卫星，全球定位系统(GPS)能够确定物体的位置，微米级的全球定位测量系统以同样的原理用到房间里的机床上。在日益流行的六条腿机床上，很需要这种技术，因为这种机床每根轴的位置测量很困难，关键是能否达到这些数控轴所必需的分辨率。
设在刀具和机床里的传感器和执行元件，通过与机床控制器的无线耦合，能够实现尺寸偏差的调整及对刀具耐用度的识别(见图3)。
图3 在加工中心里安装压电晶体测力转台
图4 可转位刀片上的测量涂层
图4所示是一种具有测量功能的刀片涂层，由于刀具的磨损、变形或温度变化会改变涂层的电阻，并转化成电讯号。
还有一种可控的消振器，利用凝胶和压电晶体可调整刀具的不平衡，以防颤振。
这方面工作的最大进展是参与这类工作的范围扩大了。80年代仅在实验室的试验装置上做少量试验，而现在为了找到实用方法，德国机械制造业的专家们在更大的领域里共同努力工作。
智能化不仅指刀具本身，今天应用神经网络技术可有效地实现人工智能，即在集合专家经验的基础上，推导出对新情况的解决办法。对于刀具工业，首先是收集足够 的带有基础应用数据的经验知识，供给数控机床的神经网络。将来刀具工业不仅提供刀具，而且是带有切削"知识"的刀具。
关于引入刀具管理的问题
从大多数汽车制造商各自所做的计算中得出，直接刀具成本大约占制造成本的4%，而为了刀具保管、准备、重磨及供应管理的费用却高得多，约12%。请外面的 公司来管理刀具的出发点是，那些较小的、独立的及灵活的小公司比大型汽车厂内部的主管刀具的部门能更好地低成本地承担刀具管理(尤其是当这种小公司，背靠 着具备刀具制造、准备、重磨、重涂经验的刀具制造商时)。是否引入刀具管理取决于人员费用的高低。通常这些小公司的人员工资低，工会的一些很高的要求也不 必总被采纳，加班加点也较容易通过，养老保险也低。如果刀具用户内部的人员工资能降下来，就不一定要从外面引入刀具管理。请外面公司管理刀具是对被迫签订 的内部工资协议的合法回避。人员的工资问题与制造业所在地有关。
对于一个具体的切削加工，在什么情况下引入刀具管理在经济上是可取的呢?在切削现场的生产机床旁有半自动的刀具柜，刀具管理商在技术上和供应上照料好柜子 里的刀具，始终保持良好的状态，为用户提供高效的切削能力，而不仅仅是刀具。当刀具管理商在专门负责供应一段生产线上刀具时，可达到最好的供应效果和生产 率。此外，当刀具管理商与有实力的合作者共同参与工程项目时，而且在刀具、工艺设计方面的合作者又恰好是刀具制造商或是得到他们支持的，则对刀具管理商提 出的要求较为合理。
当刀具制造商承担刀具管理时，用户倾向于选择精加工刀具制造商，因为工件关键尺寸的精加工应该用有特色的刀具来保证，并且在粗加工时就选用正确的刀具。因 此，精密刀具制造商在刀具管理里起着更关键的作用。 作为刀具管理商还有一个重要前提是，能够正确应用复杂的可转位刀片。目前他们只精通所需刀具中的一小部分，以后会更多。
汽车工业会引入更多的外部资源来从事内部的工作，这种趋势已不可阻档，下表是这种做法的极端的例子。多数企业也知道这么做的风险，懂得至少要持有制造的关键技术，并避免供应工作的完全独立。图5为在汽车工业里项目合作的状况。
a 汽车制造商 b 机床制造商 c 刀具制造商 d 科研单位(资料来源：科隆福特汽车公司)
图5 在汽车工业里项目合作的状况
汽车厂外协比例的变化
1980年汽车制造厂
1998年汽车装配厂
2005-2010年汽车-设计-总成厂
外协比例
30～50%
～70%
80～90%
业务特征
研究开发零件制造装配
概念车开发 发动机、传动器关键零件制造装配
项目策划与管理、部件总装、市场营销、财务管理服务
极端的例子
通用汽车公司用30%零件外购
克莱斯勒公司有70%零件外购
Smart公司、Fiat公司（巴西）、 VW公司（巴西）
趋 势
汽车厂与核心供应商以"并行工程"的方式合作制造
有更多的汽车厂不再生产关键零部件
由互联网带来的变化
要预测互联网在刀具工业推广的势头需考虑两个重要因素：(1)必须尽快根据互联网的特点变革销售、生产的信息交换结构。(2)要有大量的专业人员从事网页设计和通讯。
刀具工业利用互联网首先是企业的自我介绍和产品的广告宣传，在线样本目前还很少可供使用的，网上销售还处于开始阶段。
近期已有大的客户提出了对在线样本的需求，因为CD样本不能很好地取代印刷的样本。由于安全上的考虑大公司并没有把CD-ROM样本放在网上，并且其内容 对于一个具体的用户来说有许多多余的东西。还没有一个互联网的在线样本是及时地介绍企业的最新信息，这要求企业对它的网页进行不断的维护，这种样本主要是 能与企业进行直接接触。
与在线样本相反，电子商务--在互联网上直接销售刀具--涉及的对象不是大用户，而是零售商。地区保护在互联网上是很难想象的。刀具的库存在要求快速成套服务的时代已不起决定性使用，地处客户附近并改进了服务能力的(例如能提供刀具管理的)零售商才能生存下来。
然而互联网将不再局限于采购员和刀具设计人员的使用，在短期内，机床的操作者可从互联网上采集切削数据写入控制系统，以及在有问题时借助专家系统的帮助进 行简单的故障处理，而不必依赖外来的服务。80%的问题是简单的，能够通过程序加以排除。计算机工业已提供丰富的故障排除程序，在全球范围内24小时服 务，这与请软件、硬件专家服务比较几乎不花成本，专家们也不必应付每一件小事。这些做法有可能帮助刀具制造商和用户解决专业人员不足的难题。
在引入刀具管理的情况下，刀具管理商销售的不是刀具而是切削加工能力和技术。与此相仿，借助互联网，涂层设备制造商提供的不是小型的涂层装置而是涂层的能 力和技术，那些刀具重磨商可以不必为安装的涂层设备付钱或仅象征性地支付一点，由涂层制造商从网上收取每一炉的涂层费。 连接企业内部工作点的互联网使分享信息的等级制度变得透明了，并可根据职责加以分配。在实施过程中，软件室的最重要工作是解决信息的安全性，确定谁可以得 到什么信息。
关于市场开拓策略
那些得到专利保护的新产品、刀具和技术怎样商品化?会有很多不同的办法，下面介绍两种极端的做法：
一种是着眼于专利保护实行专卖。可是只有一个销售渠道的产品很难打开市场，因为通常没有一个买主愿意买独家垄断的产品。只有那些产品确实非常好、供应及 时、服务可靠的企业才能有效地独家销售专利产品，否则，这种刀具即使有专利保护也会被仿制，市场也会被侵占。通过法律程序上诉侵权，即使有效，也需经过较 长的时间，到那时这个产品已失去了原有的价值。
另一种是花较长的时间采取迂回的办法，它符合比尔·盖茨"螺旋式持续扩展市场"的策略。首先新产品作为公司的标志推向市场，供应给消费者，不久以后也提供 给肯支付许可证费用的竞争者，使产品的使用范围扩大。当被排斥在外的竞争者尝试用仿制品或所谓的改进产品推向市场时，你必须推出新开发的产品，并靠着先入 为主的产品名称使它成为开拓更大市场的基础。人们会把这个产品看作准标准，单靠许可证做不到这样程度。
读者可用自己的例子补充市场开拓的策略。至于哪个企业该用什么方式应由董事会根据企业规模、产品和众多的变化因素作出判断。在全球化时代，只有极个别的企业能够负担第一种做法的费用。
关于刀具企业发展的策略
在过去几年里，切削刀具技术的发展势头十分强劲，除了对刀具材料、涂层和几何参数不断地改进以外，还有新的冷却润滑、信息技术和新型的机床共同重塑了切削加工技术。
关于刀具制造商与用户的关系，由于两个最重要的用户(汽车和飞机制造业)的要求，也发生了根本的变化。刀具制造商和机床制造商，甚至科研院所，都希望以高 效的服务更多地承担在汽车、飞机开发和生产中的日常紧急工作，被委托的项目内容越来越多，期限也更长，因此想用自己的特色产品适应大用户的每项要求变得更 加困难。从长远来看，只有坚持发展特色产品和提供内容丰富服务而不热衷于去应付日常紧急事务的企业才能取得成功。
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BW is specialized in R&D and sourcing the most advanced carbide material with high-tech coating to supply cutting / milling tool for mould & die, aero space and electronic industry. Our main products include solid carbide / HSS end mills, micro electronic drill, IC card cutter, engraving cutter, shell end mills, cutting saw, reamer, thread reamer, leading drill, involute gear cutter for spur wheel, rack and worm milling cutter, thread milling cutter, form cutters for spline shaft/roller chain sprocket, and special tool, with nano grade. Please visit our web www.tool-tool.com for more info.
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