汽車關鍵零部件高性能刀具的開發背景和意義
大力振興裝備制造業，是黨的十六大提出的一項重要任務，是樹立和落實科學發展觀，走新型工業化道路，實現國民經濟可持續發展的戰略舉措。十六大明確了加快 振興裝備制造業的目標：到2010年，發展一批有較強競爭力的大型裝備制造企業集團，增強具有自主知識產權重大技術裝備的制造能力。建設和完善一批具有國 際先進水平的國家級重大技術裝備工程中心，初步建立以企業為主體的技術創新體系。逐漸形成重大技術裝備、高新技術產業裝備、基礎裝備、一般機械裝備等專業 化合理分工、相互促進、協調發展的產業格局。
意見要求，以結構調整為主線，優化裝備制造業產品和產業結構；以科技進步為支撐，大力提高裝備制造企業自主創新能力；以重點工程為依托，推進重大技術裝備 自主制造；以市場為導向，發展壯大一批大型裝備制造企業和工程公司；以裝備制造業振興為契機，帶動相關產業協調發展；以專業人才培養為重點，加強技術創新 隊伍建設。因此，未來5至10年是我國裝備制造業發展的黃金時期 ，同時也是投資裝備制造行業龍頭企業歷史性的重大機會。（刀具制造業包括其中）國家“ 十一五” 提出要把制造業中的基礎件和通用件作為重點領域優先發展。（刀具就包括在基礎件和通用件中）2006年6月28日《國務院關于加快振興裝備制造業的若干意 見》。意見指出，裝備制造業是為國民經濟發展和國防建設提供技術裝備的基礎性產業，十一五期間，我國將大力振興裝備制造業。（裝備制造業包括刀具制造）全 球制造業向中國轉移的趨勢不可逆轉，中國正在成為世界制造中心。這種產業轉移趨勢，既是國際分工的結果，也符合中國崛起的需要。
我國的技術裝備制造業（ 包括刀具）與國際先進水平相比, 差距較大,遠遠不能滿足國民經濟發展的需要,存在的主要問題是：
重大技術裝備、高性能刀具主要依賴進口，與國際先進水平相比,我國重大技術裝備、高性能刀具研制、開發、制造技術落后5至20年。
關鍵部件（包括刀具）是裝備制造業突出的薄弱環節，關鍵部件和基礎元器件（包括刀具）研發制造落后,受制于人,成為裝備制造業發展的瓶頸。
自主創新能力薄弱。大型裝備制造企業絕大部分為國有企業,分布在老工業基地,歷史包袱沉重,改革步伐遲緩,尚未真正建立起現代企業制度和規范的治理結構,技術開發投入很少,原有制造技術已經老化。
缺乏具有總體設計、成套能力和系統服務功能的總承包企業。裝備制造業的發展是一個復雜的系統工程,需要研究單位、設計單位、制造企業、安裝企業和用戶的密切配合。
汽車關鍵零部件高性能刀具的開發主要內容
汽車關鍵零部件高性能刀具的開發要圍繞汽車關鍵零部件中有關刀具設計、刀具制備、刀具切削性能評價、切削過程切削力-切削溫度耦合作用機理、刀具切削數據 庫等關鍵共性技術，開展金屬切削加工基礎理論研究和試驗技術研究。針對汽車關鍵零部件高性能切削加工要求，開展高性能刀具設計制造過程中的關鍵技術研究， 分別是高速高效切削刀具的設計技術、成形技術、先進涂層技術、應用技術，并以此為理論基礎為相關工具骨干企業開發配套的高速高效切削刀具產品系列提供理論 指導。
應用反求工程，參數化解析以及高速旋轉刀具系統安全性進行刀具優化幾何設計；應用多軸聯動數控磨削和電蝕磨削技術完成復雜空間曲線刃的成形；應用先進涂層 工藝進行新型多層復合硬涂層技術；應用數據庫集成進行刀具應用技術推廣。本課題的研究對汽車制造及刀具制造業自身的發展均具有重要意義。
研究開發復雜刃形的聚晶金剛石高速高效鏜銑刀系列、精密復合整體硬質合金數控刀具系列，形成批量生產能力，降低對進口刀具的依賴程度。
開發高速高效齒輪刀具系列產品（高速干切滾刀、高速高效小徑加長滾刀、整體硬質合金滾刀、高精度徑向剃齒刀等），高速齒輪滾刀切削速度達到200m/min以上，形成系列化產品和小批量生產能力。
開發發動機缸體缸蓋平面加工及孔加工刀具以及曲軸高速內銑刀、高速外銑刀、車拉刀等精密復合刀具形成批量生產能力。
基于高速高效刀具與工件材料切削性能適配性模型，建立通用型切削數據庫；數據庫系統具有良好的擴展和模型嵌套功能，滿足用戶對數據庫的查詢、錄入、更新、 修改、刪除、優化、傳輸等功能要求，適用于各類切削數據管理，包括數字、曲線、圖表、影像、公式等，達到國內領先水平。
基于難加工材料高速切削力－熱耦合物理模型，研究切削參數優化預測技術，建立面向汽車制造領域的專用切削數據庫；數據庫系統具有智能推理、判斷及決策的專家系統，滿足高端產品切削加工要求，達到國內領先水平。
基于切削過程動態特征參量和加工表面質量指標檢測技術，構建刀具切削性能評價體系，為工具企業、材料企業、刀具應用企業提供技術支持，為刀具標準化研究提供試驗平臺，達到國內領先水平。
汽車制造業具有技術密集程度高、生產批量大、綜合性強的特征，在任何一個主要工業化國家的國民經濟中，它都占有舉足輕重的地位。目前汽車已成為我 國許多地方振興制造業的龍頭產品，汽車制造業也早已成為拉動GDP快速增長的重點支柱產業。裝備制造業是一切工業的基礎，發展汽車制造業也同樣離不開先進 的裝備制造技術。
數控機床是發展汽車制造業和新興高新技術產業的最基本的裝備技術，當今世界各國制造業廣泛采用數字化制造技術，以提高對動態多變市場的適應能力和競爭能 力。自從2002年起，我國一直是世界機床消費第一大國和機床進口第一大國。我國在汽車工業及傳統工業的技術改造過程中，大量引進高檔數控機床，使數控加 工技術向高速、復合、智能、環保的方向發展。
在數控加工中，素有數控機床“牙齒”之稱的數控刀具同樣是最基本的裝備技術，并成為數字化制造過程中最活躍的因素，對生產效率和加工質量影響極大，尤其對 汽車零部件生產線而言，批量大，效率高，節拍快，因而切削刀具正在向高效、高精度、高可靠性和專用化方向發展。目前大型汽車制造企業、獨資及合資汽車制造 企業非常重視高速高效切削工具的綜合性能比，大量采用高速高效切削工具和先進的切削技術,用性能價格比優越的切削刀具，對提高中國汽車制造業的金屬切削水 平，提高中國汽車制造業的制造水平有著及其重大的意義。
汽車零部件中有大量尺寸不一的階梯孔、復雜結構內表面和細小深油孔，加工精度要求高。所以對數控復合孔加工刀具和復合涂層刀具的結構、主切削刃形狀、刀具 材料、動平衡、涂層以及斷屑、排屑性能等等都有較高的特定要求。從刀具結構方面來分析，在汽車零部件生產線上，大量使用精密復合孔加工刀具可以簡化工序和 減少刀具數量，并能保證孔加工精度。如同步進行鉆削、鉸削或鏜孔及倒角的復合階梯鉆鉸鏜刀，同步加工階梯孔的精密復合CBN/PCD鏜刀，變導程精密復合 階梯鉸刀，具有復雜刃形的聚晶金剛石高速高效鏜銑刀，用于發動機缸體、缸蓋、曲軸及連桿的油道深孔鉆削的帶內冷卻功能的麻花鉆及單刃槍鉆，等等。發動機缸 體缸蓋平面加工普遍采用帶修光刃的大直徑高速盤銑刀進行高速銑削，曲軸加工普遍采用高速內銑刀、高速外銑刀、車拉刀等精密復合刀具。從刀具材料方面來分 析，高效復合涂層刀具、精密復合整體硬質合金數控刀具、聚晶金剛石（PCD）刀具和聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具等已占據了主要位置，以適應汽車行業加 工高效、精密、環保的要求。
目前， 我國數控刀具沒有形成規模，國產化率較低，主要是一些低檔產品。在汽車制造業中，先進的數控加工刀具主要依賴進口，在數控刀具應用技術方面，目前由于缺乏 合適的高速切削工藝數據庫系統，使得數控刀具的使用不盡合理，多數高速切削機床仍然工作在較低的主軸轉速水平上，沒有充分發揮高速數控機床固有的高效精密 加工的優勢，造成大量固定資產的潛在浪費。可見，高性能刀具的開發與國產化及其應用技術已成為我國刀具行業發展的瓶頸問題，直接制約著我國裝備制造業的振 興以及汽車制造業的健康快速發展。
開展刀具設計、刀具制備、刀具切削性能評價、切削過程切削力-切削溫度耦合作用機理、刀具切削數據庫等方面工作，將有力地帶動我國工具制造企業對高性能刀 具的研究和發展，提升我國數控刀具設計制造的整體水平，增強我國精密刀具和涂層刀具參與國際競爭的能力，降低對進口數控刀具的依賴程度。形成研究開發和產 業化配套之間的良性循環，打造以技術為先導，以產品為載體的發展新局面。
汽車關鍵零部件高性能刀具的開發的創新點、突破點
解決的關鍵技術
針對汽車關鍵零部件的加工特色及其特殊的切削工藝要求，以開發先進的復合刀具或專用的刀具結構為重點，通過應用反求工程技術進行消化吸收和創新，參數化解 析以及高速旋轉刀具系統安全性進行刀具優化幾何設計；對引進的汽車零部件用復雜刀具和特殊刀具進行結構設計、幾何形狀優化、熱處理工藝創新。
研究乘用車及重型卡車用發動機、變速箱、傳動系齒輪用高精度滾、剃、插齒輪刀具以及弧齒錐齒輪刀具的設計原理，開發相關加工技術和裝備；研發發動機缸體缸 蓋高精密鏜銑削系列刀具和高精度孔加工復合刀具、曲軸凸輪軸高效加工用車拉刀、車銑刀、曲軸高速內/外銑刀、鏜銑刀等一批高精度、高效率、高可靠性、專用 化的“三高一專”的高速高效復合切削刀具。
汽車關鍵零部件高性能刀具的開發過程中的幾項關鍵技術進行重點研究，分別是刀具設計技術、刀具成形技術、刀具涂層技術和刀具應用技術。
刀具設計技術：目前國內刀具設計主要依賴于經驗并面向傳統。
切削加工領域， 無刀具安全性可言。本項目是基于反求工程、刀具參數化解析以及高速旋轉刀具系統安全性進行精密復合整體硬質合金數控刀具設計，滿足高速高效切削性能要求； 反求工程技術是現代設計制造技術中不可缺少的重要方法， 應用激光快速掃描系統，獲得關于樣品實體特征的離散點數據，再通過空間重構技術求得樣品的三維仿真模型，從而達到快速優化設計的目的。精密復合整體硬質合 金數控刀具結構復雜，設計精度高，應用反求工程技術可以大大縮短刀具的設計周期，滿足設計要求。汽車零部件制造中高速高效切削工藝應用普及，因而在精密復 合整體硬質合金數控刀具設計中，必須對高速旋轉刀具系統的靜力學模型和動力學模型進行分析，對高速高精度刀具系統的動平衡性能以及刀體和夾緊機構的失效機 理進行研究，利用先進的反求工程軟件、硬件技術平臺和動平衡試驗系統，開展刀具設計研究工作。
刀具成形技術：該技術內容分為兩大部分，分別是復雜空間線刃成形的多軸聯動數控磨削技術和超硬材料電蝕磨削技術。
基于主切削刃空間成形原理的多軸聯動數控全磨制式刀具成形技術；全磨制式精密復合整體硬質合金數控刀具的主切削刃空間成形是通過先進的數控工具磨床多軸聯 動來實現，有關砂輪空間截型的運動軌跡精確描述是獲得精確主切削刃的關鍵技術，通過CAD/CAM三維仿真切削軟件的運用，進行階梯面、曲面以及砂輪空間 截型等各種復雜型面的三維仿真研究。通過CAM前瞻功能，對加工系統的干涉問題進行研究，獲得優化的磨削工藝，確保實際磨削加工過程系統的可靠性和質量的 穩定性。在此基礎上，通過二次開發，形成自主知識產權的關于精密復合整體硬質合金數控刀具成形制造技術。
目前國內對于PCD、PCBN刀具刃磨主要是應用機械方法實現直線修磨。
研究是基于五軸數控輪電蝕和線電蝕原理的PCD、PCBN刀具精密刃磨成形技術，實現復雜曲線刃的精密高效成形。
數控多軸電蝕磨技術是一種先進的復合磨削技術，是解決超硬材料（HV 3500－7000）如聚晶金剛石（PCD）和聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具精密成形磨削的關鍵技術。它運用電蝕輪（或鉬絲）與工件間電火花加工的原 理，利用數控五軸聯動實現對刀具主切削刃的成形電蝕磨削加工。與傳統的金剛石砂輪磨削加工相比，生產效率大幅度提高。通過CAM數控軟件的開發，可以加工 各類復雜的曲線刃形、階梯刃形的聚晶金剛石鏜銑刀具，形成具有光滑連接、各點后角一致的主切削刃精確形狀。尤其是采用線電蝕磨削，使過去無法加工的復雜形 狀刀具的主切削刃磨削問題以及內刃修磨問題得到圓滿解決。
刀具涂層技術：單層涂層材料結構簡單，無法滿足刀具對涂層的綜合性能要求。研究基于梯度功能的富鋁多層復合硬涂 層技術，使涂層材料具有優良的綜合性能，達到國外先進水平，滿足刀具在高速高效切削條件下的使用要求。在高效復合涂層刀具的設計中，涂層材料的成分種類、 涂層厚度和涂層結構優化是獲得具有梯度功能復合涂層的保證。在涂層制備過程中，刀具基體表面預處理技術和涂層工藝過程控制技術是關鍵。本項目采用機械處 理、濕法清洗、粒子刻蝕等綜合處理工藝技術，得到適合涂層的理想表面，最大程度提高涂層的結合力。在富鋁涂層的制備過程中，采用多層結構和成分漸變的層構 設計工藝，通過控制每層的厚度和成分，達到最佳的力學性能。一方面，通過控制層厚，抑制晶粒的生長，獲得納米涂層。同時，多層結構有利于吸收涂層生長過程 中產生的微裂紋現象，從而消除裂紋，獲得連續性涂層。另一方面，通過控制成分變化，采取成分漸變的處理工藝，有利于消除涂層過程中的應力，同時，漸變的層 構設計有利于提高涂層結合力。在涂層成分控制方面， 調整Al：Ti的原子比，增加Al的含量，形成富鋁涂層，抑制切削過程中因溫度升高形成TiO2，有效提高涂層的高溫力學性能。通過提高涂層的表面硬度和 抗氧化溫度，有效提高刀具的耐磨性，延長刀具的使用壽命，使涂層刀具適合高速切削和干式切削，克服傳統涂層因加工過程中溫度升高而失去其力學性能的缺點。
刀具應用技術：所謂適用的切削數據庫其內涵是，針對具體工件材料、加工精度、表面質量和加工效率等要 求，選用適用的刀具并推薦優化的切削參數，解決好刀具與工件材料的適配性問題。高速高效切削特征和本質與普通切削加工相比有顯著差別，因而沿用已有的普通 切削數據庫顯然是不合適的。目前國內合理、適用的切削數據還十分缺乏，這在很大程度上限制了高速高效切削技術的推廣與應用，制約了高速高效切削刀具國產化 進程。我國汽車制造企業在從工業發達國家大量購進先進的高速數控加工中心時，卻由于技術封鎖而無法引進高速切削數據庫等工藝技術，嚴重影響先進加工中心的 正常應用，造成固有資產的潛在浪費。對于汽車制造部門，如何選擇刀具，如何用好刀具，充分發揮加工設備能力，充分體現高性能刀具的良好性價比，實現高效低 成本加工，一直是汽車零部件生產線上主旋律。而對于刀具制造企業，新開發的刀具在進入市場之前需要進行切削性能評估，切削性能試驗對刀具的進一步改進和優 化切削用量的獲取最有效。
高速切削數據庫系統最核心技術是基于切削力模型、切削溫度模型、刀具磨損模型和工件加工表面質量模型的智能預測技術。高速切削數據來源有三方面：文獻資料、生產實際、切削試驗。
在目前我國高速切削數據還很缺乏的前提下，尤其是針對難加工材料的高速切削數據更加缺乏的形勢，開展基于難加工材料高速切削過程物理模型的切削參數優化預測技術的研究顯得更加緊迫和重要。
技術創新點、突破點汽車關鍵零部件一般是以鋼材、鑄鐵和鋁合金等材料為主，但其加工大多是在專用數控機床上進行，切削工藝比較特殊，而且需要高速高效的生產節拍。
針對汽車關鍵零部件的加工特色及其特殊的切削工藝要求，以開發先進的復合刀具或專用的刀具結構為重點，通過應用反求工程技術進行消化吸收和創新，參數化解 析以及高速旋轉刀具系統安全性進行刀具優化幾何設計；對引進的汽車零部件用復雜刀具和特殊刀具進行結構設計、幾何形狀優化、熱處理工藝創新，形成自主開發 和創新能力。
研究乘用車及重型卡車用發動機、變速箱、傳動系齒輪用高精度滾、剃、插齒輪刀具以及弧齒錐齒輪刀具的設計原理，開發相關加工技術和裝備；研發發動機缸體缸 蓋高精密鏜銑削系列刀具和高精度孔加工復合刀具、曲軸凸輪軸高效加工用車拉刀、車銑刀、曲軸高速內/外銑刀、鏜銑刀等一批高精度、高效率、高可靠性、專用 化的“三高一專”的高速高效復合切削刀具。
圍繞汽車關鍵零部件高性能刀具的開發項目中有關刀具設計、刀具制備、刀具切削性能評價、切削過程切削力-切削溫度耦合作用機理、刀具切削數據庫等關鍵共性 技術，開展金屬切削加工基礎理論研究和試驗技術研究。針對汽車關鍵零部件高性能切削加工要求，開展高性能刀具設計制造過程中的關鍵技術研究，分別是高速高 效切削刀具的設計技術、成形技術、先進涂層技術、應用技術，并以此為理論基礎為相關工具骨干企業開發配套的高速高效切削刀具產品系列提供理論指導。 創新 點：
基于高速高效刀具與工件材料切削性能適配性模型，建立通用型切削數據庫；基于難加工材料高速切削力－熱耦合物理模型，研究切削參數優化預測技術，建立面向汽車制造領域的專用切削數據庫；數據庫系統具有智能推理、判斷及決策的專家系統，滿足高端產品切削加工要求。
基于切削過程動態特征參量和加工表面質量指標檢測技術，構建刀具切削性能評價體系，為工具企業、材料企業、刀具應用企業提供技術支持，為刀具標準化研究提 供試驗平臺；研究應用反求工程進行汽車關鍵零部件高性能刀具的優化設計技術；研究應用多軸聯動數控和電蝕磨削技術完成空間曲線刃的成形技術；研究開發富鋁 多層復合硬涂層刀具技術。
進行各類汽車關鍵零部件高性能刀具的結構設計與優化創新，開發計算機模擬（模擬切削或仿真切削）軟件；改進熱處理計算機控溫系統使控溫精度達到±3℃；解 決高性能刀具材料的鍛造技術、熱處理技術和磨削技術，提高難加工材料的加工效率和工序質量穩定性；研究各類切齒刀具及其在不同切削環境下的涂層材料的應用 問題，適應高速、高效切削發展要求。
主要技術指標（ 如形成的知識產權、技術標準、新技術、新產品、新裝置、論文專著等數量、指標及其水平，與國內外同類技術或產品的競爭分析，滿足項目所依托的重大工程建設 或重大裝備研制的需求情況等）汽車關鍵零部件一般是以鋼材、鑄鐵和鋁合金等材料為主，但其加工大多是在專用數控機床上進行，切削工藝比較特殊，材料而且需 要高速高效的生產節拍。
針對汽車關鍵零部件的加工特色及其特殊的切削工藝要求，以開發先進的復合刀具或專用的刀具結構為重點，通過應用反求工程技術進行消化吸收和創新，參數化解 析以及高速旋轉刀具系統安全性進行刀具優化幾何設計；對引進的汽車零部件用復雜刀具和特殊刀具進行結構設計、幾何形狀優化、熱處理工藝創新，形成自主開發 和創新能力。
研究超重型卡車用大型、高精度滾剃齒輪刀具以及大型弧齒錐齒輪刀具的設計原理，開發相關加工技術和裝備；重點研發變速箱復雜精密齒輪加工專用系列齒輪刀 具、發動機缸體缸蓋高精密鏜銑削系列刀具和高精度孔加工復合刀具、曲軸凸輪軸高效加工用車拉刀、車銑刀、曲軸高速內/外銑刀鏜銑刀等一批高精度、高效率、 高可靠性、專用化的“三高一專”的高速高效復合切削刀具。
研究多軸聯動數控磨削和電腐蝕加工實現復雜空間曲線刃的成形加工技術�；诟咚俑咝У毒吲c工件材料切削性能適配性模型，建立通用型切削數據庫；基于難加工 材料高速切削力－熱耦合物理模型，研究切削參數優化預測技術，建立面向汽車制造領域的專用切削數據庫；數據庫系統具有智能推理、判斷及決策的專家系統，滿 足高端產品切削加工要求；基于切削過程動態特征參量和加工表面質量指標檢測技術，構建刀具切削性能評價體系，為工具企業、材料企業、刀具應用企業提供技術 支持，為刀具標準化研究提供試驗平臺。
應用反求工程進行汽車關鍵零部件高性能刀具的開發優化設計；應用多軸聯動數控和電蝕磨削技術完成空間曲線刃的成形；開發富鋁多層復合硬涂層刀具。
中國已成為世界新的制造和加工中心，汽車、航空航天、模具、機械、電子、冶金等行業的蓬勃發展和興起，給刀具行業的發展提供了巨大的市場空間。然而，在經 濟全球化的趨勢下，市場經濟競爭日趨激烈，世界各大著名刀具公司產品紛紛投放中國市場，尤其是汽車制造業中精密復合孔加工刀具和高效復合涂層刀具幾乎全部 是國外產品。
而我國數控刀具沒有形成規模，國產化率較低，主要是一些低檔產品。在汽車制造業中，先進的數控加工刀具主要依賴進口。
汽車關鍵零部件高性能刀具開發的下一步目標是要進一步打破國外知名品牌刀具的技術壟斷，提高汽車制造業中精密復合刀具和高效復合刀具設計制造水平，國產數控刀具要形成規�；a。
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