我國汽車發動機刀具現狀及參與國際競爭的對策
近年來，隨著我國經濟的高速發展，對汽車的需求量持續增長，汽車及汽車零部件制造業已成為金切機床和工具行業最大、最重要的用戶。發動機是汽車的心臟，其零件制造工藝水平普遍高于其它汽車零件。涂層刀具、陶瓷刀具、超硬刀具等先進刀具在發動機制造工藝中獲得了廣泛應用。我國的汽車生產線（特別是轎車生產線）大部分是從國外引進的，在投產時生產線上主要采用進口刀具，刀具切削用量也采用國外推薦值。這些刀具集新材料、新工藝、切削原理、表面處理等各項先進技術于一身，具有高性能、高壽命、高可靠性的特點，基本上代表了現代刀具技術的先進水平。由于我國刀具生產企業長期以來主要面向卡車、拖拉機等制造行業，相對轎車制造行業來說，刀具技術水平較低。因此，國內刀具制造商要想參與國內、國際兩個市場的競爭，提升企業的整體技術水平十分重要。
2 我國汽車發動機制造的技術發展趨勢及刀具應用現狀
2.1 汽車發動機制造技術發展趨勢
國內新投產的汽車發動機生產線在制造技術上有三個比較明顯的趨勢：
�。�1）高速化
實現高速切削加工的基本要求是：①使用能實現高速運轉的機床主軸；②采用帶強力夾頭的高精度、高剛性HSK刀柄；③采用涂層硬質合金、金屬陶瓷、陶瓷、CBN、PCD等先進刀具。
（2）柔性化
柔性化是發動機制造的發展趨勢之一。在傳統自動線的局部工位用CNC或加工中心來實現柔性加工的生產線稱為柔性自動線（FTL），一般日本工廠使用較多。用專用加工中心構成的柔性制造系統則主要用于缸蓋和缸體加工。從產量角度分析，可以達到從傳統的FMS系統起步產量的年產5萬件到傳統自動線的產年20萬件。
（3）高效率
從日本汽車制造業的情況來看，平均每5年切削效率提高28%，其中切削速度平均提高19%，進給量平均提高8%，而最近幾年切削效率的提高幅度在30%以上。目前制造發動機主要零件的生產節拍已經縮短到30～40秒，比十幾年前縮短了50%以上。例如，用高速加工中心銑削加工灰鑄鐵材料的缸體，切削速度可達到V=700～1500m/min，刀具采用CBN刀片。銑削加工鋁合金缸體、缸蓋時，廣泛采用PCD刀具，考慮到高速回轉時會產生很大的離心力，故刀體采用高強度鋁合金材料制作。
總之，發動機制造業一個明顯的走向就是采用高速加工技術來提高效率，縮短交貨時間，降低生產成本，提高市場競爭力。
2.2 刀具應用現狀
汽車工業是專用刀具應用最多的行業，也是衡量一個國家或一個刀具公司技術水平高低的標志。我國的汽車生產線（特別是轎車生產線）大部分是從國外引進的，而刀具主要是隨設備一起進口的。目前，國內的汽車生產線有美國型、歐洲型和日韓型，以及以歐洲設備為主的自主型。這樣，在中國就活躍著五大刀具派系主流：一是山特系（包括山高），山特維克公司有著龐大而復雜的刀具分支，在中國市場銷量最大；二是美國系，主要以肯納、英格索爾、萬耐特等為代表；三是歐洲系，主要以德國為主，包括MAPAL、Guehring、Widia、TITEX、瓦爾特等；四是日韓系，包括三菱、住友、東芝、OSG、黛杰、不二越、日立等，以及韓國的Taegutec、KORLOY公司；五是以色列系，主要是ISCAR（伊斯卡）。這些公司幾乎填滿了汽車刀具的市場空間。在一些大型汽車制造廠，國產化刀具可能只占總項目的10%左右，因此，進口刀具仍占有主導地位。
2.3 目前存在的主要問題
國內刀具行業的總體狀態是起點低、起步晚，先進的數控刀具僅僅是隨著近年來數控機床的發展才開始研發生產，因此數控刀具產品基礎比較薄弱，發展速度緩慢，競爭力不強。國外刀具行業能大舉搶灘中國市場的主要原因是：國外刀具產品檔次高、品種全、質量好；而且刀具是與機床緊密聯系在一起的，國外機床往往選用在國外已經配套使用的刀具；再加上國產刀具品種不全，在產品精加工、高性能切削以及有特殊要求時也大多使用國外刀具。諸多因素的綜合作用形成了國產刀具的被動局面。
實現刀具國產化的進程存在重重阻力，有著先天性的系統障礙。以轎車生產線為例，我國在引進轎車車型和數控自動生產線的初始階段，往往并不重視刀具的國內配套問題，沒有及時提升國內轎車刀具的技術水平。引進生產線后，隨之而來的專用刀具、工具品種規格繁多，工藝技術、專業化程度要求又很高，現有國產刀具的品種、質量、供貨和服務能力均難以滿足要求。而與此同時，配套完善、即裝即用的幾十個國外刀具品牌虎視眈眈，使得刀具國產化工作舉步維艱，明顯處于被動狀態。
3 國內刀具制造商參與國際競爭的對策
從20世紀80年代開始，在世界制造業發展及制造技術進步的帶動下，切削技術和刀具逐漸步入了高速、高效、創新工藝的發展新階段，切削加工效率成倍提高，為制造業的發展作出了重要貢獻。高效的切削工藝和刀具已成為汽車制造業的基礎工藝和關鍵技術。高速切削、干切削、硬切削等新的切削工藝正在改變傳統的加工工藝，顯現出強大的生命力。筆者認為，國內刀具制造商要參與國際競爭，最根本的出路就是提升企業的整體刀具技術水平。具體來說要在以下三個方面下功夫。
3.1 加快刀具新技術的研發
�。�1）全面提高以硬質合金為主的各種刀具材料性能
在現代刀具材料的發展中，硬質合金起著主導作用。此外，其它刀具材料的性能也得到了顯著改善，擴大了各自的應用領域，形成了各種刀具材料既有獨特優勢、使用范圍又相互替代補充的整體格局。正是刀具材料的全面、迅速發展，為當今高速、高效金屬切削加工奠定了基礎。
硬質合金的性能不斷改進，應用面不斷擴大，成為切削加工的主要刀具材料，對推動切削效率的提高起到了重要作用。首先，細顆粒、超細顆粒硬質合金材料的開發顯著提高了硬質合金材料的強度和韌性，用它制造的整體硬質合金刀具（尤其是量大面廣的中小規格通用刀具如鉆頭、立銑刀、絲錐等）大量替代傳統的高速鋼刀具，使切削速度和加工效率大幅度提高，將量大面廣的通用刀具帶入了高速切削范疇。其次，硬質合金加壓燒結等新工藝的開發和應用提高了硬質合金的內在質量，針對不同加工需求開發專用牌號的做法進一步提高了硬質合金的使用性能。開發了具有良好抗塑性變形能力和韌性表層的梯度硬質合金，作為化學涂層硬質合金刀片牌號的基體材料，提高了涂層硬質合金刀片的切削性能和應用范圍。
陶瓷和金屬陶瓷刀具材料品種增多，強度和韌性提高，應用領域和加工范圍不斷擴大，可在鋼材、鑄鐵的精加工、半精加工中替代硬質合金，提高了加工效率和產品質量。目前，此類刀具材料不僅可用于單件、小批量生產，而且已應用于流水線的批量生產，由于價格較低，可作為干切削、硬切削的首選刀具。
PCD、CBN超硬刀具材料改性和制造工藝的改進，使其應用領域不斷擴大。用CBN制造的缸孔鏜刀已可用在自動生產線以及鑄鐵、淬硬件的加工中，并從精加工領域擴大到半精加工領域，使切削加工效率大幅提高。鋁合金是汽車工業廣泛使用的重要材料，鋁合金的高效加工是一項關鍵技術。目前，由于廣泛應用各種高性能PCD刀具，使切削效率顯著提高，最高切削速度已達7000m/min。產品已從車刀、面銑刀擴大到立銑刀、鉆頭、鉸刀、成形刀具等。
（2）將涂層作為提高刀具性能的關鍵技術
刀具涂層技術近年來取得了重大進展，表面涂層已成為提高刀具性能的關鍵技術�；瘜W氣相沉積（CVD）仍然是可轉位刀片的主要涂層工藝，已開發出中溫CVD、厚膜Al2O3、過渡層等新工藝，在改進基體材料性能的基礎上，使CVD涂層的耐磨性和韌性均得到顯著提高。CVD金剛石涂層也取得了較大進展，提高了涂層表面光潔度，并進入實用階段。目前，國外硬質合金可轉位刀片的涂層比例已達70%以上。在此期間，物理氣相沉積（PVD）涂層技術的進展尤為引人注目，在涂層爐結構、工藝過程、自動控制技術等方面都取得了新進展，不僅開發了適用于高速切削、干切削、硬切削的高耐熱性涂層（如超級TiAlN）以及綜合性能更好的TiAlCN通用涂層和DLC、W/C減摩涂層，而且通過對涂層結構的創新，開發了納米、多層結構涂層，大幅度提高了涂層的硬度和韌性。
PVD涂層技術的新進展顯示了涂層技術對提高刀具性能的巨大潛力和獨特優勢，通過對涂層工藝參數的控制和對靶材、反應氣體的調整，可不斷開發出新的高性能涂層，以滿足加工多樣性的需要。涂層技術將成為提高和改善刀具性能的捷徑，有著十分廣闊的應用前景。
（3）不斷創新刀具結構
隨著制造業的高速發展，汽車工業、航空航天工業、模具工業等重點產業部門對切削加工不斷提出更高的要求，推動著可轉位刀具的持續發展。為汽車流水線開發的專用成套刀具突破了傳統的按需供刀、“閉門造刀”的做法，成為革新加工工藝、提高加工效率、降低加工成本的重要工藝因素，發揮著重要的作用。
汽車工業的敏捷制造成為推動可轉位刀具結構創新的強大動力，促進了多功能面銑刀、各種模塊式立銑刀系統、大進給銑刀等高效加工刀具的不斷涌現。為滿足高效加工鋁合金構件的需要，開發出了結構新穎的鋁合金高速加工面銑刀等先進刀具。
隨著五軸聯動數控工具磨床功能的完善及普及應用，使立銑刀、鉆頭等通用刀具的幾何參數進一步多樣化，改變了標準刀具參數“千篇一律”的傳統格局，可適應不同的被加工材料和加工條件，切削性能也相應提高。一些創新的刀具結構還可產生新的切削效果，例如，不等螺旋角立銑刀與標準立銑刀相比，可有效遏制刀具的振動，提高加工表面光潔度，增大刀具的切削深度和進給速度；硬質合金絲錐及硬質合金螺紋銑刀的開發將螺紋加工效率提高到高速切削水平，尤其是硬質合金螺紋銑刀，不僅加工效率高，而且通用性好，可顯著降低刀具費用。
3.2 重視配套技術和刀具管理
切削加工配套技術（包括刀柄與機床主軸的聯接方式、刀具在刀柄中的夾緊方式、刀具系統的平衡及刀具管理等）是隨著切削加工技術的進步而逐漸發展起來的，是現代切削技術不可缺少的組成部分，并與切削技術和刀具保持著快速同步發展，不斷改變著切削技術的內涵，推動切削技術進步。
隨著切削技術的發展，工具行業正經歷著經營機制的變革。面對日益更新的生產模式和新的工件材料，刀具已不再是可以“一售了之”的簡單商品，而是優化加工工序或生產線加工技術的重要工藝因素。刀具制造商必須能為用戶提供成套加工技術，幫助用戶實現提高加工效率和產品質量、降低制造成本的目標，這已成為國外刀具制造商業務發展的方向和經營宗旨。目前，刀具制造商通過各種形式的“為用戶服務”、“提供解決方案”等經營模式，將工具行業帶入一個更高的發展階段。事實證明，國外刀具制造商的這種做法有利于制造業整體水平的不斷提高，為用戶帶來更大的經濟效益，必將受到用戶的歡迎。
刀具管理的發展方向是刀具總承包，即將一個工廠（車間）的所有刀具外包給一個公司進行整體管理，以適應各種加工的刀具需求，全面提供包括刀具的采購、庫存管理、修磨、清潔調整、配送等成套服務。根據瓦爾特公司提供的資料，刀具成本僅占加工總成本的3%左右，但投入生產中將會影響生產效率的20%～30%，因此，為了有效降低加工成本，就應該適當增加刀具費用，采用高效刀具，強化刀具管理。這對于提高生產企業的競爭力非常重要。
刀具管理的概念首先出現于美國，其核心是通過刀具外包達到以下目的：①減少初期投入（刀具重磨業務可以委外或由刀具管理供應商承擔）；②減少庫存資金（刀具庫存資金由刀具管理供應商承擔）；③減少管理成本，使企業能將精力放在自己的核心業務上。在上世紀90年代末到本世紀初，刀具管理在美國和歐洲得以推廣應用。由于在歐美市場上刀具供應商較為成熟，操作比較規范，刀具管理已逐漸得到用戶認可。
對于美國或德國的用戶，有大量成熟的刀具制造商在當地辦廠，用戶可以獲得非常及時的服務，這對于刀具管理業務的開展無疑提供了極大的便利。而在中國，刀具管理的發展似乎顯得有些遲緩，目前只是在汽車行業開始率先應用。由于目前國內的高檔刀具市場仍以進口刀具為主體，因此在刀具供貨、信息傳遞、生產周期、報關運輸等方面均會對刀具管理形成障礙，由此引起的停產將是用戶可以承受的底線；另外，有一種擔憂心理目前還無法排除，即用戶對刀具管理供應商容易形成依賴，在下一輪選擇中如果選中了另一家新的刀具管理供應商，在交接期間將不可避免地出現混亂。這主要是由于作為刀具管理的用戶本身還不夠成熟，其次是中國市場可供選擇的刀具管理供應商還太少。
3.3 從基礎做起，解決好加工典型零件的關鍵刀具
�。�1）曲軸的粗加工
由于發動機曲軸結構的特殊性，目前國內轎車曲軸生產線多為高速柔性生產線，這種生產線的特點是不僅可以加工同系列曲軸，而且還可加工變型產品、換代產品和新產品。
曲軸的金屬加工工藝流程為：銑端面、定總長、鉆質量中心孔、車大小端外圓→銑主軸頸及軸肩→銑連桿頸及軸肩→車拉主軸頸及沉槽→車拉連桿頸及沉槽→槍鉆油孔→清洗→圓角滾壓→法蘭鉆孔攻絲→精磨主軸頸（CBN）→精磨連桿頸（CBN）→斜切磨小端→斜切磨法蘭端→車滾止推面、銑鍵槽→動平衡→砂帶拋光主軸、連桿及法蘭外徑→清洗、冷卻→檢測分類。
對于曲軸平衡塊側面需加工的情況，主軸頸加工應優先選用CNC內銑或CNC高速外銑，連桿頸的加工采用CNC高速外銑。如果毛坯是鍛鋼毛坯，CNC內銑更有利于斷屑。不宜采用CNC車－車拉，由于平衡塊側面為斷續車削，曲軸轉速又很高（約1000r/m），因此崩刀現象將相當嚴重。
對于曲軸平衡塊側面不需加工的情況，主軸頸加工選用CNC車－車拉比較合理，可獲得較高加工精度。由于連桿頸軸線不在一條中心線上（如六拐曲軸），采用車－車拉加工則有一些麻煩，采用CNC高速外銑比較合理。
對于軸頸有沉割槽的曲軸加工，CNC車－車拉工藝就體現出優越性。若軸向有沉割槽，CNC高速外銑和CNC內銑無法加工，而車－車拉能夠加工。對于以上加工方式，應采用獨立雙刀盤、模塊化刀具系統等以實現柔性化加工。
�。�2）可轉位面銑刀在現代汽車制造業中，平面銑削的應用極為普遍。
為了適應汽車工業的需要，工具制造廠商也推出了銑削鑄鐵及其它材料的銑刀和刀片系列。這些刀具、刀片使得加工效率和零件表面質量都得到了大幅度提高。
選用高硬度、高強度的刀具材料，再進行適當涂層，是延長刀具壽命的首要措施。同時，改進刀具幾何形狀也是增加刀具壽命的重要手段，對于鑄鐵的銑削尤其如此。在汽車制造業中，鑄鐵的銑削加工是一個重要課題。包括灰鑄鐵、球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵在內的各種合金鑄鐵有著不同的加工特性，如灰鑄鐵含有網狀硬組織，表現為脆性較大，加工時刀具易發生崩刃；球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵有一定塑性，可產生鐵屑，但刀具切出時工件也會產生“翻邊”，容易導致刀尖損壞。因此，對銑刀幾何角度的優化改進十分重要。例如，傳統的加工鑄鐵的銑刀帶有負的軸向和徑向前角（雙負角銑刀），這種負幾何角度使刀刃比較牢固。相反，正負角銑刀（正的軸向前角、負的徑向前角）切削較平穩，可降低對機床的功率要求，更便于采用先進的刀具材料。
�。�3）孔加工刀具
在孔加工中，目前仍大量使用高速鋼麻花鉆，但各企業之間在孔加工精度和加工效率方面已逐漸拉開差距。高速切削鉆頭的材料以陶瓷涂層硬質合金為主，如MAZAK公司和森精機制作所在加工鑄鐵時即采用了陶瓷涂層鉆頭。在加工鋁合金等有色金屬材料時，可采用金剛石涂層硬質合金鉆頭、DLC涂層硬質合金鉆頭或帶金剛石燒結體刀齒的鉆頭。
在各種涂層鉆頭中，陶瓷涂層硬質合金鉆頭特別重視耐磨性、耐熱性及潤滑性，其涂層工藝也采取多層涂覆方式，如利用TiAlN、TiN、TiCN等復合氮化物形成復合涂層結構。鉆頭的切削正不斷高速化，隨著被加工材料的不同，切削速度已可分別達到200～300m/min。
新開發的SU、ST、SH整體硬質合金鉆頭系列優化的槽型結構與nc-TiAlN涂層相結合，重塑了整體硬質合金麻花鉆的性能。較大的容屑空間和鋒利的曲線刃帶使排屑流暢，形成了獨有的高剛性和高耐用度，特別適合大批量生產汽車零部件的高效加工。
目前，高精度孔、螺紋孔、螺栓孔等的加工正向高速切削方向發展。鉆孔刀具的切削參數與球頭立銑刀類似，也呈現出高速、大進給的發展趨勢。切削實踐證明，提高切削速度有利于切屑形態的合理化和改善加工表面粗糙度；增大進給量則對斷屑、排屑和延長刀具壽命非常有利。因此，今后鉆孔刀具仍將沿著高速、大進給的方向不斷發展。
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