在金屬切削加工中，刀具選擇幾乎是每一個(gè)工藝工程師必須面臨的問題。刀具選擇要考慮許多問題，相應(yīng)地就有許多原則，如效率原則、加工精度原則、穩(wěn)定性原則、經(jīng)濟(jì)性原則等等。
首先談一下效率原則。效率原則其實(shí)與其他原則不可分割，尤其是經(jīng)濟(jì)性原則。要求效率的主要目的就是保證整個(gè)加工的經(jīng)濟(jì)性。但效率特別重要，所以把它獨(dú)立出來，單獨(dú)討論一下。
效率原則首先是在保證可接受的加工精度和可接受的穩(wěn)定性前提下的效率。沒有這個(gè)基本條件，效率無從談起。就像我們希望我們的交通工具(譬如汽車)能夠給我們帶來更快的速度，但安全是第一位的。一旦有飛機(jī)失事后，許多人會(huì)慎重考慮是否真的繼續(xù)選擇飛機(jī)出行，航空公司也會(huì)重新審視已有的安全策略。沒有安全，飛機(jī)就不會(huì)成為首選的交通工具。刀具的選擇同樣如此。
其次，我們也不會(huì)在所有的條件下都強(qiáng)調(diào)效率，追求效率有一些約束條件。一個(gè)零件加工效率的提高需要與其他零件的效率相適應(yīng)，一個(gè)工序的效率提高更需要與其他工序的效率相適應(yīng)。如果忽視這些約束條件，一味追求效率，會(huì)吃力不討好。就像上海到北京的火車，現(xiàn)在晚上8點(diǎn)左右發(fā)車，第二天早上10點(diǎn)到達(dá)。如果能夠提前到8點(diǎn)到達(dá)，也許最受歡迎；但如果提前到6點(diǎn)，也許受歡迎程度反而下降。因?yàn)榱熊噯T會(huì)在到站前提前一個(gè)小時(shí)甚至兩個(gè)小時(shí)整理旅客床鋪，早上4點(diǎn)或5點(diǎn)起床大部分旅客不會(huì)太樂意的。工廠也是如此，尤其在流水線生產(chǎn)條件下更是如此。我們需要解決的是整個(gè)流水線中的“瓶頸”工序。只要提高了這個(gè)工序的生產(chǎn)能力，就能夠提高整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力，提高整個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)能力，縮短制造周期，這是許多企業(yè)所期望的。而單機(jī)或柔性制造系統(tǒng)的需求又不一樣。他們所受的約束較少，即與其他工序的相關(guān)度較小。由于柔性化，某個(gè)零件或某個(gè)工序制造周期的縮短常常意味著能夠使該設(shè)備投入其他零部件或其他工序的生產(chǎn)，從而創(chuàng)造更多的效益。
我認(rèn)為在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的今天，企業(yè)對(duì)工藝工程師的期望已經(jīng)不是解決簡(jiǎn)單的工藝問題，而是期望工藝工程師們能對(duì)企業(yè)有更大的貢獻(xiàn)度。如果我們的工藝工程師能從企業(yè)全局出發(fā)，為企業(yè)改進(jìn)制造流程作出貢獻(xiàn)，一定會(huì)獲得企業(yè)主的首肯和贊許。
就國(guó)外現(xiàn)代金屬加工企業(yè)調(diào)查的數(shù)據(jù)，刀具本身在制造成本中所占比例并不是很高，通常在2%～4%之間，高的會(huì)到7%左右。但刀具對(duì)加工效率的影響卻非常巨大。20多年前我參加機(jī)械部組織的“2000年機(jī)械產(chǎn)品振興目標(biāo)研究”時(shí)接觸的一個(gè)觀點(diǎn)給我留下了極其深刻的影響，10年外企的工作經(jīng)歷，使我對(duì)這個(gè)觀點(diǎn)有了更深刻、更具體的感受。那就是所謂一臺(tái)幾十萬(wàn)美元的設(shè)備能否發(fā)揮應(yīng)有的作用，常常取決于一把幾美元的刀具。我曾經(jīng)得到過的一個(gè)成本分析實(shí)例表明，減少30%的采購(gòu)價(jià)格(指刀具性能沒有任何改變)或延長(zhǎng)50%的刀具壽命(通常需要依賴刀具制造者的技術(shù)進(jìn)步)都只能降低制造成本1%左右――因?yàn)榈毒叱杀局徽嫉街圃炜偝杀镜?%。但如果加工參數(shù)能提高20%，大約可以降低15%的制造成本――雖然如果切削速度提高20%，刀具成本會(huì)提高50%，但因?yàn)榧庸ぶ芷诳s短，總成本還是有大幅度的下降。
我曾經(jīng)拜訪過一家上海的模具企業(yè)。這是一家技術(shù)曾經(jīng)非常領(lǐng)先的企業(yè)，我們家保存的一塊機(jī)械部質(zhì)量信得過獎(jiǎng)?wù)碌哪＞呔褪撬麄冏龅摹?/span>
但當(dāng)我成為一家國(guó)外公司的刀具銷售工程師前去拜訪的時(shí)候，他們已經(jīng)日薄西山，沒有什么競(jìng)爭(zhēng)能力了。我走進(jìn)他們的車間，眼前的一幕使我震驚。他們進(jìn)口了價(jià)值幾百萬(wàn)人民幣的德國(guó)馬豪公司的5軸聯(lián)動(dòng)加工中心，卻在這些加工中心上使用價(jià)格極低、效率同樣極低的高速鋼銑刀進(jìn)行加工。我仿佛看到了他們衰落的問題所在，當(dāng)然可能這不是惟一的原因。加工理念和管理理念的落后，導(dǎo)致他們的生產(chǎn)效率低下；高昂的設(shè)備折舊，又使他們的制造成本完全沒有競(jìng)爭(zhēng)能力。因此，從這點(diǎn)上說，如何選擇刀具，是否重視加工效率，也許就關(guān)系著企業(yè)的生死存亡。
除了加工效率原則之外，刀具對(duì)加工精度的影響也是需要考慮的，尤其是在精加工等加工精度、表面質(zhì)量要求比較高的應(yīng)用場(chǎng)合。
在粗加工的條件下，我們一般都會(huì)采用效率優(yōu)先原則。在這一階段，快速去除工件毛坯上的加工余量，快速接近工件完工尺寸的“凈尺寸”狀態(tài)，是我們考慮刀具選擇及加工參數(shù)的第一要素。
但在精加工的條件下，情況會(huì)有很大差別。精加工時(shí)我們應(yīng)該采用精度優(yōu)先原則，即首先保證加工的尺寸精度、表面粗糙度和表面質(zhì)量。
現(xiàn)在一種典型的優(yōu)先考慮保證精度的刀具被國(guó)外許多刀具廠商所青睞，這就是接近完美90°主偏角的立銑刀。從數(shù)學(xué)上可以得出，如果用一個(gè)平面(對(duì)刀具而言是前刀面)去截一個(gè)圓柱面(理想的切削刃繞刀具軸線所形成的表面)，只有在該平面包含圓柱面軸線(即刀具軸向前角為零)時(shí)，其截交線才會(huì)是一段直線。但這時(shí)刀刃受力通常不理想，常常需要用一個(gè)正的軸向前角來改善刀具的切削性能。但這樣一來就產(chǎn)生了回轉(zhuǎn)面的形狀精度問題：一根交錯(cuò)的直線(切削刃)繞刀具軸線回轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的不是圓柱面，而是雙曲面。只有切削刃成為橢圓的一部分時(shí)，它繞刀具軸線回轉(zhuǎn)的結(jié)果才會(huì)形成圓柱面。
于是國(guó)外一些刀具公司先后開發(fā)了這樣的刀具：肯納金屬的稱為Mill1，山特維克可樂滿的稱為R390，而瓦爾特的則稱為F4042。這些刀具的本質(zhì)都是一樣的，它們用一段曲線形的切削刃來構(gòu)成接近完美的圓柱面。雖說不同直徑的銑刀應(yīng)該有不同的曲線，而刀片生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性要求又不允許這樣做，各廠用在不同直徑上選用不同軸向前角的方法來改善其中的差異。這種產(chǎn)品開發(fā)的思路值得國(guó)內(nèi)廠家好好學(xué)習(xí)。研究用戶的需要，分析目前存在的問題，進(jìn)而想方設(shè)法去為客戶解決這些問題，是企業(yè)不斷創(chuàng)新、不斷進(jìn)步、不斷滿足客戶增長(zhǎng)的需求的有效手段。
還有一些刀具是經(jīng)過改進(jìn)，能夠一次加工達(dá)到最終質(zhì)量要求的。也就是在原本用于粗加工的刀具上引入精度改進(jìn)方案，從而使一次加工獲得更好的精度和表面質(zhì)量。車削用的Wiper刀片和鋁合金鉆孔用的三刃鉆(如肯納的TF鉆)都是這樣的例子。如果采用相同的進(jìn)給量(如0.05mm)，傳統(tǒng)刀片加工的表面粗糙度比Wiper刀片的可高出5倍。這樣加工精度得到了保證，許多時(shí)候甚至可以以車代磨。
等軸曲線的特點(diǎn)是任何對(duì)邊的尺寸是相等的。這樣就使鉆頭鉆出的孔(尤其是鉆入部分)喪失精度。一些廉價(jià)的鉆頭和廉價(jià)的刃磨設(shè)備導(dǎo)致或助長(zhǎng)了這種現(xiàn)象。最終用戶可能不得不增加一道擴(kuò)孔的工序來糾正這種形狀精度的誤差。因此，重視刀片選擇的精度原則同樣可以幫助我們提高競(jìng)爭(zhēng)能力。