1.前言
在機械加工中，切削刀具是通過切除材料而成型工件的技術(shù)體系中的要素之一。該體系由機床、工件夾具及刀具裝夾機構(gòu)組成。通過不同加工策略下的各種加工工藝可實現(xiàn)零件的成形。來自機床的進步使得在現(xiàn)代化機床上能執(zhí)行工藝的整合乃至實施完整的加工工藝;而這些加工工藝在過去是在不同機床上分開執(zhí)行的。甚至，先進的機床性能確保能執(zhí)行更先進的加工策略以更大化發(fā)揮機床性能。
金屬加工行業(yè)必須應對不同的工程材料。材料科學與冶金學的發(fā)展不僅帶來新的難加工材料，還提供了生成具有預定義性能材料的技術(shù)。這些材料制成的工件能顯著提高其組件的作業(yè)性能，但切削加工卻變得益發(fā)困難。在許多案例中，成功加工的根源僅與切削刀具的制約有關(guān)。
切削刀具是工藝系統(tǒng)中最不起眼的要素，需直接接觸工件，也是連接機床與工件材料的紐帶。為充分發(fā)揮高技術(shù)含量機床的優(yōu)勢及實現(xiàn)生產(chǎn)加工策略，刀具必須滿足相應的需求。為這些需求找到適當?shù)拇鸢?，以對現(xiàn)代金屬加工日益增長的需求做出回應，是在切削刀具領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)新發(fā)展的基礎(chǔ)。
COVID-19新冠肺炎疫情影響了全球經(jīng)濟，不可避免地導致制造業(yè)的經(jīng)濟指數(shù)下滑，金屬加工業(yè)歷經(jīng)著艱難的時期。盡管新冠肺炎疫情之前的許多美好的期許被謹慎的預期所取代，然而這也正是深度分析工業(yè)發(fā)展趨勢，展望未來、預測未來及規(guī)劃未來的時刻。金屬加工處于重大變革的節(jié)點上，制造商們需做好采納它們的準備。面對即將到來的變革不能忽略切削刀具的制造，它是金屬加工鏈條中非常重要的一環(huán)。因此，對工業(yè)發(fā)展的方向及對未來刀具提出的新需求有著足夠清晰的認知與理解，是刀具制造商走向成功的基石。這是新刀具發(fā)展和對各式刀具提出需求的關(guān)鍵所在。
切削刀具的發(fā)展可以有不同的方向。“傳統(tǒng)”的發(fā)展之路是使得刀具更強大，生產(chǎn)率更高，更經(jīng)濟，反映的是用戶對消耗型產(chǎn)品的本然訴求。其它的發(fā)展方向則與根植于金屬加工業(yè)的先進制造技術(shù)相關(guān);因此，可提供的刀具解決方案仍有著很大的提升改進空間。
2.循章法研發(fā)
傳統(tǒng)的研發(fā)方向是通過引入技術(shù)創(chuàng)新的刀具幾何形狀、前沿的刀具牌號、先進的刀體設(shè)計以確保刀具具有更高的剛性及耐用性等，最終實現(xiàn)刀具性能的提高?？梢钥吹剑谶@一研發(fā)方向上，已經(jīng)快發(fā)揮到極致，卻仍并不能確保帶來真正的革新性的改變。然而，切削刀具制造商們已經(jīng)切實地用實質(zhì)上的新產(chǎn)品震驚了金屬加工業(yè)，帶來了有目共睹的好處，盡管采用的是傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計方式。一個重要的成功因素是刀具生產(chǎn)制造的科技水平顯著提高，粉末冶金和涂層的新成就，以及現(xiàn)代化檢測及品控系統(tǒng)的引進。CAD/CAM系統(tǒng)和三維建模能力的顯著提升，為刀具設(shè)計的挑戰(zhàn)性創(chuàng)新思路與構(gòu)思的實現(xiàn)提供了顯而易見的推動力。
技術(shù)的發(fā)展演化出新的加工方式，需要刀具來滿足新的嚴苛要求。這些刀具具有切削淬硬材料并免除后序磨削工序的能力(圖1)。在銑削加工中，這些新時代的刀具能夠在高的加工速度(HSM)下以超大每齒進給(HFM)加工，還能在高壓冷卻(HPC)下執(zhí)行擺線銑削。這些刀具的設(shè)計不同于常規(guī)任務(wù)刀具，因它們需要具備上述所提及的加工方式及加工策略所需的特定特性特點。
圖1. 車削替代磨削：采用釬焊了PCBN刀尖刀片的車刀執(zhí)行淬硬件的高精度車削。
機床工程的進展已推動金屬加工業(yè)益發(fā)接近于每個制造商的夢想，能實現(xiàn)一次裝夾完成全部加工。最新的多軸機床及多任務(wù)機床以及混合加工制造系統(tǒng)具有令人印象深刻的性能，結(jié)合了材料去除與3D打印技術(shù)于一體，被證明是邁向一次性裝夾完成加工發(fā)展的重大飛躍。作為可選項的驅(qū)動式刀具使得越來越多的車削中心擴張了其加工能力?？梢岳斫獾氖?，這一進展對于刀具的多功能性、刀具壽命、刀具失效時間這些特征提出了其它的要求。
找到能用于取代整體硬質(zhì)合金刀具的成本效益更高的替代方案，推動了可換頭式刀具的設(shè)計。此外，其中的一些設(shè)計甚至還提供了刀具的刀頭懸伸具有高重復定位精度的顯著優(yōu)勢。因此，更換磨損刀頭后無需進行額外的調(diào)整，無需從機床上取下刀具就能快速更換刀具。“無需對刀”的優(yōu)勢為縮短機床停機時間開啟了一種思路，再結(jié)合其明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢，確保可換式硬質(zhì)合金刀頭概念成為切削刀具發(fā)展方向之一。
金屬加工業(yè)對切削刀具的通用性和可維護性提出了更高的要求。這些變化得到了刀具制造商的良性反饋。例如，典型的裝夾可轉(zhuǎn)位刀片的刀具，具有冷卻液流經(jīng)刀體內(nèi)冷卻通孔的特點。這樣的刀體設(shè)計現(xiàn)已成為不成文的刀具標準。另一個例子是切削刀具制造商不僅嚴苛指定所需的擰緊刀片夾緊螺釘?shù)呐ぞ兀€提供測力扳手以確保掌控扭矩有效值。
3.新趨勢和新挑戰(zhàn)
3.1.在金屬加工業(yè)，切削刀具制造商一直以來面對的趨勢就是面向新的挑戰(zhàn)。
3.1.1.復合材料與燒結(jié)金屬的運用顯著增長，需要采用特制刀具加工，在許多案例中是特別定制的。
3.1.2.金屬精密成形和3D打印趨勢上揚，使得其所制成的近凈成形工件呈增長態(tài)勢。這使得需通過機械加工去除的余量顯著減少。因此，在大功率機床上進行高生產(chǎn)率、高精度的低功率消耗的切削顯著增加。先進的多軸機床能通過切削加工方法生成精密復雜的形狀。因此，金屬加工業(yè)對切削刀具制造商所提供的合理的高效的解決方案頗感興趣。
3.1.3.難加工的ISO S材料組，尤其是β鈦合金及近β鈦合金材料及高溫超級合金(HTSA)具有低的切削速度的特點。
3.2.對采用這些材料的零部件需求的增長，需通過對機械加工的提速而提高相應的產(chǎn)出。事實證明，技術(shù)系統(tǒng)中最微不足道的要素，即切削刀具，已成為生產(chǎn)率提高的主要障礙。對上述問題以及其它因工業(yè)發(fā)展趨勢而增加的棘手的任務(wù)做出相適的答復，是并不輕松的任務(wù)。看上去，找到答案主要與設(shè)計、制造等相關(guān)。無論如何，這些都或多或少歸屬于傳統(tǒng)而熟悉的領(lǐng)域。與此同時，工業(yè)領(lǐng)域發(fā)生的變化給切削刀具制造商提交了完全不同類別的任務(wù)。
3.2.1.借助工業(yè)4.0和數(shù)字化制造這一確定的布局步驟，刀具制造商轉(zhuǎn)向了虛擬世界。他們需要對實物的刀具產(chǎn)品以數(shù)字孿生的形式補充發(fā)展出一套信息服務(wù)體系。這是通往未來智慧工廠的必要通行證。沒有這一通行證，刀具制造商將被擋在工廠大門之外。明天的用戶等待著刀具制造商提供有效的虛擬設(shè)計選項，為工藝設(shè)計過程的建模、刀具裝配集成、特別定制刀具概念設(shè)計提供支持。
3.2.2.在線營銷將在這一迫切的改變中發(fā)揮核心作用。COVID-19加速了在線營銷的影響，預計在線售前服務(wù)和售后支持的需求將不斷增長，并將成為刀具制造商所提供的一整套服務(wù)的一部分。因此，一個“All-in-One”的一站式在線營銷數(shù)字系統(tǒng)，刀具數(shù)據(jù)，獲取各種信息，生成孿生模塊，工程設(shè)計及經(jīng)濟性的計算，刀具壽命分析，即時服務(wù)，建議、知識、能力等將成為刀具制造商產(chǎn)品系列必不可少的部分。(圖2)
圖2. ISCAR WORLD app,一個虛擬的一站式平臺，現(xiàn)已載入伊斯卡所有在線APPS，界面和供手機讀取的產(chǎn)品樣本。
4.尋找正確答案
當然，刀具制造商不能坐等事情產(chǎn)生變化，他們必須主動出擊。伊斯卡就是一個很好的例子，詮釋了一家領(lǐng)先的刀具制造商如何尋求滿足行業(yè)新需求，并為即將到來的變化做好準備。近幾年，伊斯卡通過發(fā)布LOGIQ系列推出技術(shù)創(chuàng)新的全新產(chǎn)品系列，本著工業(yè)發(fā)展趨勢的精神提供相應的解決方案。
4.1.伊斯卡的車削產(chǎn)品系列通過通用的裝配系統(tǒng)得到了豐富，該系統(tǒng)包括一個防振模塊和各種夾持刀片的可換式刀頭。釬焊有多晶立方氮化硼PCBN刀尖的刀片設(shè)計用于提高在淬硬工件材料的車削加工中的性能。
4.2.具有多定位槽刀夾的單刃切斷刀系統(tǒng)以及強固耐造的刀座的結(jié)合為生產(chǎn)率的提高打開了新的空間。
4.3.伊斯卡推出一系列能實現(xiàn)大進給銑削HFM及高速銑削HSM的銑刀，大幅擴展了銑削系列。在航空航天工業(yè)難加工材料的加工中，伊斯卡特別研發(fā)出新的用于可轉(zhuǎn)位刀片的合金牌號及整體陶瓷立銑刀。此外，新引進的玉米銑刀有著高壓冷卻HPC可選項，能顯著提升鈦的粗銑加工金屬去除率。(圖3)
圖3. 在平面及復雜曲面的粗加工中，大進給銑刀仍然是高效方式。
4.4.伊斯卡的可換硬質(zhì)合金刀頭式鉆頭，新增帶3個切削刃的全新刀頭，確保生產(chǎn)率的大幅提高(圖4)。采用聚晶金剛石刀尖和晶片的硬質(zhì)合金鉆頭為復合材料的鉆削加工提供了高效解決方案。
圖4. 伊斯卡帶3個切削刃的可換頭式鉆頭，確保大幅提高生產(chǎn)率，顯著縮短停機時間。
4.5.伊斯卡的產(chǎn)品編程信息部分已發(fā)生了重大變化。數(shù)字孿生系統(tǒng)依據(jù)ISO 13399標準，虛擬裝配選項，優(yōu)化刀具選擇的軟件，刀具牌號優(yōu)化推薦器，各種來源的持續(xù)信息更新，在線購買，豐富的手機應用以及眾多其它新功能一應俱全，提供高水平的刀具產(chǎn)品組合。
5.結(jié)語
工業(yè)發(fā)展的邏輯需要工具制造商提供新的高性能刀具，刀具還具有實時更新的信息組成。這種實物與虛擬世界之間的有機組成將很快在切削刀具業(yè)得到認可，并定義切削刀具的智慧水平及并入先進制造系統(tǒng)。
在機械加工中，切削刀具是通過切除材料而成型工件的技術(shù)體系中的要素之一。該體系由機床、工件夾具及刀具裝夾機構(gòu)組成。通過不同加工策略下的各種加工工藝可實現(xiàn)零件的成形。來自機床的進步使得在現(xiàn)代化機床上能執(zhí)行工藝的整合乃至實施完整的加工工藝;而這些加工工藝在過去是在不同機床上分開執(zhí)行的。甚至，先進的機床性能確保能執(zhí)行更先進的加工策略以更大化發(fā)揮機床性能。
金屬加工行業(yè)必須應對不同的工程材料。材料科學與冶金學的發(fā)展不僅帶來新的難加工材料，還提供了生成具有預定義性能材料的技術(shù)。這些材料制成的工件能顯著提高其組件的作業(yè)性能，但切削加工卻變得益發(fā)困難。在許多案例中，成功加工的根源僅與切削刀具的制約有關(guān)。
切削刀具是工藝系統(tǒng)中最不起眼的要素，需直接接觸工件，也是連接機床與工件材料的紐帶。為充分發(fā)揮高技術(shù)含量機床的優(yōu)勢及實現(xiàn)生產(chǎn)加工策略，刀具必須滿足相應的需求。為這些需求找到適當?shù)拇鸢?，以對現(xiàn)代金屬加工日益增長的需求做出回應，是在切削刀具領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)新發(fā)展的基礎(chǔ)。
COVID-19新冠肺炎疫情影響了全球經(jīng)濟，不可避免地導致制造業(yè)的經(jīng)濟指數(shù)下滑，金屬加工業(yè)歷經(jīng)著艱難的時期。盡管新冠肺炎疫情之前的許多美好的期許被謹慎的預期所取代，然而這也正是深度分析工業(yè)發(fā)展趨勢，展望未來、預測未來及規(guī)劃未來的時刻。金屬加工處于重大變革的節(jié)點上，制造商們需做好采納它們的準備。面對即將到來的變革不能忽略切削刀具的制造，它是金屬加工鏈條中非常重要的一環(huán)。因此，對工業(yè)發(fā)展的方向及對未來刀具提出的新需求有著足夠清晰的認知與理解，是刀具制造商走向成功的基石。這是新刀具發(fā)展和對各式刀具提出需求的關(guān)鍵所在。
切削刀具的發(fā)展可以有不同的方向。“傳統(tǒng)”的發(fā)展之路是使得刀具更強大，生產(chǎn)率更高，更經(jīng)濟，反映的是用戶對消耗型產(chǎn)品的本然訴求。其它的發(fā)展方向則與根植于金屬加工業(yè)的先進制造技術(shù)相關(guān);因此，可提供的刀具解決方案仍有著很大的提升改進空間。
2.循章法研發(fā)
傳統(tǒng)的研發(fā)方向是通過引入技術(shù)創(chuàng)新的刀具幾何形狀、前沿的刀具牌號、先進的刀體設(shè)計以確保刀具具有更高的剛性及耐用性等，最終實現(xiàn)刀具性能的提高?？梢钥吹剑谶@一研發(fā)方向上，已經(jīng)快發(fā)揮到極致，卻仍并不能確保帶來真正的革新性的改變。然而，切削刀具制造商們已經(jīng)切實地用實質(zhì)上的新產(chǎn)品震驚了金屬加工業(yè)，帶來了有目共睹的好處，盡管采用的是傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計方式。一個重要的成功因素是刀具生產(chǎn)制造的科技水平顯著提高，粉末冶金和涂層的新成就，以及現(xiàn)代化檢測及品控系統(tǒng)的引進。CAD/CAM系統(tǒng)和三維建模能力的顯著提升，為刀具設(shè)計的挑戰(zhàn)性創(chuàng)新思路與構(gòu)思的實現(xiàn)提供了顯而易見的推動力。
技術(shù)的發(fā)展演化出新的加工方式，需要刀具來滿足新的嚴苛要求。這些刀具具有切削淬硬材料并免除后序磨削工序的能力(圖1)。在銑削加工中，這些新時代的刀具能夠在高的加工速度(HSM)下以超大每齒進給(HFM)加工，還能在高壓冷卻(HPC)下執(zhí)行擺線銑削。這些刀具的設(shè)計不同于常規(guī)任務(wù)刀具，因它們需要具備上述所提及的加工方式及加工策略所需的特定特性特點。
圖1. 車削替代磨削：采用釬焊了PCBN刀尖刀片的車刀執(zhí)行淬硬件的高精度車削。
找到能用于取代整體硬質(zhì)合金刀具的成本效益更高的替代方案，推動了可換頭式刀具的設(shè)計。此外，其中的一些設(shè)計甚至還提供了刀具的刀頭懸伸具有高重復定位精度的顯著優(yōu)勢。因此，更換磨損刀頭后無需進行額外的調(diào)整，無需從機床上取下刀具就能快速更換刀具。“無需對刀”的優(yōu)勢為縮短機床停機時間開啟了一種思路，再結(jié)合其明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢，確保可換式硬質(zhì)合金刀頭概念成為切削刀具發(fā)展方向之一。
金屬加工業(yè)對切削刀具的通用性和可維護性提出了更高的要求。這些變化得到了刀具制造商的良性反饋。例如，典型的裝夾可轉(zhuǎn)位刀片的刀具，具有冷卻液流經(jīng)刀體內(nèi)冷卻通孔的特點。這樣的刀體設(shè)計現(xiàn)已成為不成文的刀具標準。另一個例子是切削刀具制造商不僅嚴苛指定所需的擰緊刀片夾緊螺釘?shù)呐ぞ兀€提供測力扳手以確保掌控扭矩有效值。
3.新趨勢和新挑戰(zhàn)
3.1.在金屬加工業(yè)，切削刀具制造商一直以來面對的趨勢就是面向新的挑戰(zhàn)。
3.1.1.復合材料與燒結(jié)金屬的運用顯著增長，需要采用特制刀具加工，在許多案例中是特別定制的。
3.1.2.金屬精密成形和3D打印趨勢上揚，使得其所制成的近凈成形工件呈增長態(tài)勢。這使得需通過機械加工去除的余量顯著減少。因此，在大功率機床上進行高生產(chǎn)率、高精度的低功率消耗的切削顯著增加。先進的多軸機床能通過切削加工方法生成精密復雜的形狀。因此，金屬加工業(yè)對切削刀具制造商所提供的合理的高效的解決方案頗感興趣。
3.1.3.難加工的ISO S材料組，尤其是β鈦合金及近β鈦合金材料及高溫超級合金(HTSA)具有低的切削速度的特點。
3.2.對采用這些材料的零部件需求的增長，需通過對機械加工的提速而提高相應的產(chǎn)出。事實證明，技術(shù)系統(tǒng)中最微不足道的要素，即切削刀具，已成為生產(chǎn)率提高的主要障礙。對上述問題以及其它因工業(yè)發(fā)展趨勢而增加的棘手的任務(wù)做出相適的答復，是并不輕松的任務(wù)。看上去，找到答案主要與設(shè)計、制造等相關(guān)。無論如何，這些都或多或少歸屬于傳統(tǒng)而熟悉的領(lǐng)域。與此同時，工業(yè)領(lǐng)域發(fā)生的變化給切削刀具制造商提交了完全不同類別的任務(wù)。
3.2.1.借助工業(yè)4.0和數(shù)字化制造這一確定的布局步驟，刀具制造商轉(zhuǎn)向了虛擬世界。他們需要對實物的刀具產(chǎn)品以數(shù)字孿生的形式補充發(fā)展出一套信息服務(wù)體系。這是通往未來智慧工廠的必要通行證。沒有這一通行證，刀具制造商將被擋在工廠大門之外。明天的用戶等待著刀具制造商提供有效的虛擬設(shè)計選項，為工藝設(shè)計過程的建模、刀具裝配集成、特別定制刀具概念設(shè)計提供支持。
3.2.2.在線營銷將在這一迫切的改變中發(fā)揮核心作用。COVID-19加速了在線營銷的影響，預計在線售前服務(wù)和售后支持的需求將不斷增長，并將成為刀具制造商所提供的一整套服務(wù)的一部分。因此，一個“All-in-One”的一站式在線營銷數(shù)字系統(tǒng)，刀具數(shù)據(jù)，獲取各種信息，生成孿生模塊，工程設(shè)計及經(jīng)濟性的計算，刀具壽命分析，即時服務(wù)，建議、知識、能力等將成為刀具制造商產(chǎn)品系列必不可少的部分。(圖2)
圖2. ISCAR WORLD app,一個虛擬的一站式平臺，現(xiàn)已載入伊斯卡所有在線APPS，界面和供手機讀取的產(chǎn)品樣本。
4.尋找正確答案
當然，刀具制造商不能坐等事情產(chǎn)生變化，他們必須主動出擊。伊斯卡就是一個很好的例子，詮釋了一家領(lǐng)先的刀具制造商如何尋求滿足行業(yè)新需求，并為即將到來的變化做好準備。近幾年，伊斯卡通過發(fā)布LOGIQ系列推出技術(shù)創(chuàng)新的全新產(chǎn)品系列，本著工業(yè)發(fā)展趨勢的精神提供相應的解決方案。
4.1.伊斯卡的車削產(chǎn)品系列通過通用的裝配系統(tǒng)得到了豐富，該系統(tǒng)包括一個防振模塊和各種夾持刀片的可換式刀頭。釬焊有多晶立方氮化硼PCBN刀尖的刀片設(shè)計用于提高在淬硬工件材料的車削加工中的性能。
4.2.具有多定位槽刀夾的單刃切斷刀系統(tǒng)以及強固耐造的刀座的結(jié)合為生產(chǎn)率的提高打開了新的空間。
4.3.伊斯卡推出一系列能實現(xiàn)大進給銑削HFM及高速銑削HSM的銑刀，大幅擴展了銑削系列。在航空航天工業(yè)難加工材料的加工中，伊斯卡特別研發(fā)出新的用于可轉(zhuǎn)位刀片的合金牌號及整體陶瓷立銑刀。此外，新引進的玉米銑刀有著高壓冷卻HPC可選項，能顯著提升鈦的粗銑加工金屬去除率。(圖3)
圖3. 在平面及復雜曲面的粗加工中，大進給銑刀仍然是高效方式。
圖4. 伊斯卡帶3個切削刃的可換頭式鉆頭，確保大幅提高生產(chǎn)率，顯著縮短停機時間。
5.結(jié)語
工業(yè)發(fā)展的邏輯需要工具制造商提供新的高性能刀具，刀具還具有實時更新的信息組成。這種實物與虛擬世界之間的有機組成將很快在切削刀具業(yè)得到認可，并定義切削刀具的智慧水平及并入先進制造系統(tǒng)。