隨著中國加入WTO 以（yǐ）後， 國內工業中最為基礎的金（jīn）屬加工工藝有了極大的豐富和進步， 製造（zào）尺寸、位置、形狀、精度要求較高， 且表（biǎo）麵（miàn）粗糙度要求（qiú）較細的零件， 通常采用切削加工方法，即利用車床（chuáng）使用刀具對金屬毛坯進行切削加工。在刀具對金屬切削加工的發展過（guò）程中， 圍繞著穩定質量、提高效率、降低成本和保證用戶使用等幾個方麵（miàn）來實現其追求效率的目（mù）標， 為刀具提出高（gāo）切削速（sù）度、高給進速度、高可靠性、長壽命、高精度和良好的切削控製（zhì）性等要求（qiú）。

      1 刀具（jù）的發展曆史簡述

      刀具的出現和（hé）發展在人類曆史（shǐ）上有著重要的地位， 公元前28 世紀～20 世（shì）紀， 我國就已（yǐ）出現銅質刀具。戰國後期出現了滲碳技術， 製成了銅質刀具， 其中尤以秦國青銅（tóng）長劍為代表。隨後我（wǒ）國陸續出現了鐵質， 乃至鋼製的刀具， 但是由於這些刀具的製造多由工人手工完成， 所以刀（dāo）具發展緩慢。隨著蒸汽機（jī）時代的到來（lái）， 1783 年~1864 年歐洲出現銑刀、絲錐、板牙和（hé）麻花鑽。當時的刀具是用整體（tǐ）高碳工具鋼製造的， 切（qiē）削速度約為5m/min； 1868 年， 含鎢合金工具鋼（穆舍特·英） 切削速度提高到約8m/min； 1898 年（nián），高速工具鋼（泰勒、懷特·美（měi）） 切削速度提高兩倍以上； 1923 年， 硬質（zhì）合金（施勒特爾·德） 其切削速（sù）度又比高速鋼切（qiē）削提高兩倍以上， 切削加工出的工件表麵（miàn）質量和尺寸精度也大（dà）大（dà）提高；1969 年， 瑞典山特維克鋼廠獲得用化（huà）學氣相沉積法（CVD） 生產碳化鈦塗層硬（yìng）質合金刀片的專利。1972 年， 美國的邦沙和拉（lā）古蘭發明了物理氣相（xiàng）沉（chén）積法， 在硬質合金或（huò）高速鋼刀具（jù）表麵塗覆碳化鈦TiC 或（huò）氮化鈦TiN 硬質層， 由此開啟（qǐ）了CVD 的時代。

      2 刀具的發展方向估測（cè）

      21 世紀的（de）社會產業結構向著循環（huán）經濟、低碳經濟、高效持續經（jīng）濟迅速發展的方（fāng）向轉變。對機械加工（gōng）提出更高的要求， 也就（jiù）意（yì）味著加工機（jī）器、加工（gōng）工具也（yě）將迅速走向高智能化、高精度化、高效率化， 以達到（dào）保護環境、節省能源、實現效率最大化的要求。

      高速切（qiē）削、幹切削以其（qí）高效、節能、環保的特點， 將逐漸成（chéng）為金屬切削加工的主流（liú）。在實際生產過程中， 隨著切削加工的自動化水平和加工精（jīng）度的增加， 要求刀具在高溫、高壓（yā）、高速以及在腐蝕性（xìng）的流體中（zhōng）工作， 對刀具的硬度、強度（dù）、韌性、耐磨性、耐熱性等提出了新的苛刻的要求。各種新技術隨之而誕生， 主要體（tǐ）現在發展應用新的刀具材（cái）料、開發刀具的氣相沉積塗層（céng）技術、在（zài）高韌性高（gāo）強度的基（jī）體上沉積更高硬度的塗層（大幅提高刀具材料（liào）硬度與強度）、改良刀具的結構、提高刀具的製造精度、減小生產誤差、使刀具的使用實現效率最大化等方（fāng）麵。

      3 刀具（jù）材料現狀

      （1） 現代刀具要（yào）求

      由（yóu）於刀（dāo）具材料的硬度必須高於工件材料的硬度， 所以在切削過（guò）程中（zhōng）刀具切削部分要承受較大的（de）切削力、衝擊力和振動。同時在切削的（de）過（guò）程中會產生（shēng）劇烈的摩擦， 帶來大量的切削熱， 故金（jīn）屬切削工藝對刀具材料（liào）的硬度、強度、韌性、耐磨（mó）性（xìng）、耐熱性提出了較高的要求。常（cháng）用的刀（dāo）具材（cái）料有（yǒu）碳素工具鋼、合金工具（jù）鋼、高速（sù）鋼、硬（yìng）質合金（鎢鈷類、鎢（wū）鈦類）、陶瓷材料、立方氮化硼、人造金剛石等。高速鋼和硬質（zhì）合金因其具有優良的性能而在實際生產中得到了廣（guǎng）泛的應用。

      （2） 高速鋼

      高速鋼按用（yòng）途和（hé）性（xìng）能可分為高性能高速鋼和通用高速鋼， 它是一種以鎢、鉬、鉻、釩， 有時還有鈷為主要合金元素的高碳高合金萊氏體鋼，WC=0.70%～1.25%， 其（qí）主（zhǔ）要特點為紅硬性高。它在高速切削產生（shēng）高（gāo）熱情況下（約500℃） 仍能保持較高的硬度， HRC≥60， 彌補了碳素（sù）工具鋼的（de）致命缺點。高速鋼因其具有良好的（de）機械綜合性能而得以廣泛的應用， 常被用來做精車刀、銑刀、鉸刀、拉刀（dāo）、麻花鑽， 經熱處理後的使用硬度可達HRC63 以上。但是近（jìn）年（nián）來（lái）在發達（dá）國家中高速鋼的產量卻在（zài）逐年減少， 大有被硬質合金取代之勢。

      （3） 硬質合金（jīn）

      硬質合金是使用最廣泛的一類高速加工（gōng）（HSM） 刀具材（cái）料， 由硬質碳化物（通常為碳化鎢WC、TiC 等） 微米級粉（fěn）末顆（kē）粒和質地較軟（ruǎn）的金（jīn）屬結合劑（Co） 通過粉末（mò）冶金工藝生（shēng）產的ⅣB、ⅤB、ⅥB 族金屬的碳化物、氮化物、硼化物等，由於硬度和熔點特別高， 統（tǒng）稱為硬（yìng）質合金。硬（yìng）質合金常溫下硬度高（86HRA~93HRA， 相當（dāng）於69HRC~81HRC）， 熱硬性（xìng）強於高速（sù）鋼（gāng）（可達900℃~1000℃， 保持60HRC）， 切削速度可（kě）達220m/min~300m/min。硬質合金通常分（fèn）為： 切削鑄鐵的鎢鈷係列（liè）（K 類， YG 類）、切（qiē）削（xuē）鋼材的鎢鈦鈷係列（P 類， YT 類）， 還有（yǒu）通用（yòng）係列（M類， YW 類）。新型硬質合金有（yǒu）六類： 添加TaC和NbC 的（de）硬質合（hé）金（jīn）、細晶粒和超（chāo）細晶粒硬質合金、TiC 基和Ti （C， N） 基硬（yìng）質合金、添加稀土元素（Ce、Y） 硬質合金、表麵塗層硬質合金（CVD 化學氣相沉積技術、PVD 物理氣相沉積）及梯度硬質（zhì）合金。由於塗層技術的發展， 以硬質合金為基體的塗層刀具得到巨大的發展， 尤其是超細晶粒硬質合金在粒細化後（hòu）可（kě）提高合金的硬度和耐磨性， 適當增加鈷含量後還可以（yǐ）提高抗彎強度（dù）。硬質合金在發達國家的市場比重近70%，呈現出代替高（gāo）速鋼的趨勢。

      （4） 超硬刀具材料

      超硬（yìng）材料是指金剛石和立方氮（dàn）化硼（CBN）， 金剛石（shí）莫氏硬度可達到10 級（jí）， 金（jīn）剛石是自然界中最硬的物質， CBN 的硬（yìng）度僅次於金剛石， 莫氏硬度9 級。超硬合金多以薄膜覆蓋基體（CVD）， 金剛石刀具能對有色金屬（shǔ）實行超精密切削， 對硬脆材料在切削加工上有著巨大（dà）的優勢（shì）。

      4 塗（tú）層技術現（xiàn）況及發展

      刀（dāo）具表麵塗層技術是應市場需求發展起來的一種優（yōu）質表（biǎo）麵改性技術， 把基體的高強（qiáng）度和韌性與表層的高（gāo）硬度和（hé）耐磨性結合起來（lái）， 從而使切削刀具獲得優良的綜合機械（xiè）性能， 並具（jù）有更好的切削效果。

      （1） CVD 技術

      CVD 技（jì）術即化學氣相沉積法， 自1969 年出現以來， 為硬質（zhì）合金可（kě）轉位刀（dāo）具添加塗層， 已經得到廣泛的應用（yòng）。所需金屬（shǔ）源的製備相對容（róng）易。國際（jì）上CVD 技（jì）術日趨成熟， 提高了塗層（céng）與基體的結合強度， 其（qí）薄膜厚度可（kě）達7μm~9μm； 塗層材料已由最初的單一的TiN 塗層、TiC 塗層， 經曆了TiC-Al2O3-TiN 複合塗層和（hé）TiCN、TiAlN等（děng）多元複合塗層的發展階段， 最新發展（zhǎn）了TiN/NbN、TiN/CN 等多元複合薄膜（mó）材料， 使刀具塗層的性能有了很大（dà）提高。TiCN 可降低塗層的內應力， 提高塗層的韌性， 增加塗層的厚度， 阻止裂紋的擴散， 減少刀具（jù）崩刃。TiAlN 化學穩定性好（hǎo）， 比TiN 塗層刀具提高（gāo）壽命3 倍（bèi）~4 倍。滲氧的氮碳化鈦TiCNO 具有很高（gāo）的顯微硬度和（hé）化學穩定性， 可以（yǐ）產生相當於TiC+Al2O3複合塗層的作用。

      （2） 超硬塗層

      一些過渡金屬氮化物、碳化（huà）物、硼化物以及它們的多元複合化合物， 有的具有相當高（gāo）的硬度， 這些材料都可（kě）以開發出來並應用於塗（tú）層刀具， 將會使塗層刀具的性（xìng）能有新的突破。金剛石晶體是立方晶係， 屬（shǔ）Fd3m 空間（jiān）群。利用熱（rè）絲法， 等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）， 包括微波（ PCVD） 、電子回旋共（gòng）振（ ECR -PCVD）、直流和射頻（PCVD） 等方法（fǎ）， 以及直流和高頻電弧放電熱等離子體法， 實現（xiàn）抑製石墨相， 促進金剛石相生長， 在（zài）硬質（zhì）合金（jīn）刀具表麵沉積金剛石薄膜。CBN 薄膜中BN 有（yǒu）三種異構體，而其中的BN 和CBN 中， B、N 原子都（dōu）要被（bèi）形成四配（pèi）位結構， 它們都是超硬材料， 硬度和導熱率方麵僅（jǐn）次（cì）於金剛石， 熱穩（wěn）定性極好。用高（gāo）溫高壓方法得到的CBN 是（shì）顆粒狀晶體， 最高顯微（wēi）硬度可達84.3GPa， CBN 薄膜的最高顯微硬度為61.8GPa， 其（qí）綜合性能並不亞於金剛（gāng）石薄膜。但其生產中依然有著需要克服的難題（反應機製、成膜過（guò）程、設備開發、工藝環境等）。

      （3） 超硬塗層優勢和加工要求

      超硬塗層的刀具由於（yú）膜層超硬化合物的硬度高、熔點高及（jí）熱（rè）化學穩定性優良（liáng）， 其磨損量（liàng）小。納米技術的（de）運（yùn）用， 使其強（qiáng）度更高， 並可有（yǒu）效地控製精密刀（dāo）具刃口（kǒu）形狀及精（jīng）度， 其加工精度毫不遜色於未塗層（céng）刀（dāo）具。塗層刀片擁有普通（tōng）刀具1.5倍~3 倍壽命（mìng）， 它的幹式銑削比濕式銑削（xuē）更穩定。從目前（qián）市（shì）場的反應來看， 塗層成分向多元化發展是大勢所趨， 塗層（céng）成分將複雜（zá）化並（bìng）更具針對性。每（měi）單層成分瘦身、納米化， 使（shǐ）塗層（céng）溫度降低， 預計PVD、MT-CVD 工藝將會（huì）成為主（zhǔ）流。優質塗層的獲取對鍍膜條件（jiàn）、工藝參數、鍍前基體預處理有著嚴格的要求。刀具表麵的狀態影響著塗層的附著力， 所以在被鍍工件鍍膜前需檢查其表麵有（yǒu）無其他膜（mó）層、燒斑、鏽斑（bān）、油汙等。此外， 工件要（yào）經過嚴格的噴砂和去油清洗， 當使用等離子體增強化學氣相沉積法（PECVD） 製取金剛石塗（tú）層前， 還要對被鍍工件（jiàn）進行離（lí）子轟（hōng）擊清洗。同時塗層刀具對刀具幾何形狀提出了新的要求。刀具幾何形狀的（de）改進， 如（rú）前角、排屑空間（jiān）等， 應（yīng）集（jí）中在排（pái）屑能力上， 以適應在更高的進給量和更高的速度下切削量的增加。

      5 幹切技術的應（yīng）用

      （1） 切削液的應（yīng）用及問題

      為了達（dá）到潤滑、冷卻、排除切屑的目的， 現代金屬切（qiē）削加工中通（tōng）常使用切削液， 在提高（gāo）零件表麵加工質量， 提高刀具壽命， 提高效率方（fāng）麵起到了（le）重要作用。切削液作為金屬加工的重要（yào）配套材料可分為油基切削液、半合成切（qiē）削液以及合成切削液。雖然切削液在現代金屬切削加工中有著種種益處， 但是在實際使用過（guò）程中也存在著不可忽視的問題。

      1） 切削液的腐蝕問題。由於切削（xuē）液的pH 值過高或過低， 會對加工零（líng）件表麵產生（shēng）腐蝕， 影響表麵加工精度。所以應根（gēn）據金屬材料選擇合適pH值（zhí）的切削液， 並避免不相似的材料接觸， 還要使用防鏽液， 控製細菌的數（shù）量， 避免細菌的產生。

      2） 切削液的（de）變質問題。由於生產環境或者加工環境， 會有大量（liàng）厭氧菌和耗氧菌混入切削液（yè）中，

導致其變黑發臭， 並釋（shì）放出SO2， 具有臭雞蛋味（wèi）。為避免切削液的變質， 需要較精確的配比濃度及高純度原料， 將切削液pH 值保持在8.3~9.2 之（zhī）間（jiān）。

      3） 切削液的泡沫（mò）問題（tí）。在金屬切削加工過程中， 因（yīn）為切（qiē）削液流速過快、液麵太低或噴管角度太（tài）直， 都會導致產生大量泡沫（mò）沉積， 這些（xiē）都需要對切削液（yè）流速、液麵和噴管角（jiǎo）度加以控製。

      4） 工人健康問題。刀具（jù）的切（qiē）削部分是在（zài）較大的切削力及較高的切削溫度（dù）和劇烈的摩擦下進行（háng）的， 許多高速加工工序中加入的切削液會在高溫下蒸發（fā）成煙（yān）霧。這些切削液不僅對環境造成了巨大的汙染， 更對（duì）操作人員的（de）身體健康帶來危害。切削液（yè）的pH 值（zhí）過高還會引起操作者皮（pí）膚過敏。

      5） 零件的生產成本大幅度提高。有統計數據表明， 在零件加工總（zǒng）成本中， 切削液費用約占16%， 而刀具費用（yòng）隻占總成本的4%。

      （2） 幹切技術

      切削液在加工生產中的成本比重從幾十年前（qián）的不到（dào）3%上升到16%， 基於經濟以及上述原因的考慮， 切削液已不得不引（yǐn）起生產經營者的注意。近年來興起的幹切技術實現了綠色製造， 保證了（le）企業（yè）的經（jīng）濟效益和（hé）社會效益最優化。

      幹切削加（jiā）工技術是一種加工過（guò）程不用或微量使用（yòng）切削（xuē）液的加工技術， 是一種對環境汙染源頭進行控製， 清潔環保的製造工（gōng）藝。各種（zhǒng）超細晶粒硬質合金、耐（nài）高溫材料以及塗層技術的發展， 為幹切技術提（tí）供了有（yǒu）利前提。微量潤滑係統簡單地說（shuō）就是精（jīng）密控製油（yóu）量的（de）噴油裝置， 是將（jiāng）壓縮空氣與極微（wēi）量（liàng）的潤滑液混合氣化後噴射到工作區。微量潤滑裝置高效應用在各種心小孔孔加工（gōng）標準刀具中， 使得準幹切技術得到廣泛應用。更有學者將（jiāng）準幹切技術歸為廣義的幹切技術， 即為幹淨、高效、環保的技術。

      幹切（qiē）技術的出現（xiàn）對刀具提出了更高的要求：

      1） 具有優良紅硬性耐磨性。幹切由於缺少冷卻液， 其切削溫度比濕切削時高得多， 紅（hóng）硬性

高的刀具材料才能有效地承受切削過程高（gāo）溫， 保持加工（gōng）精度。

      2） 較低摩擦係數（shù）。一定（dìng）程度上可替代切削（xuē）液（yè）潤滑（huá）作用， 抑製切（qiē）削溫度上升。也可采用塗層技術降低摩擦係數。

      3） 較高熱化學穩定性。幹切削高溫（wēn）下， 刀具（jù）仍然保持較高化學穩定性， 降低高溫對化學反應催化作用（yòng）， 從而延長刀具壽命。

      4） 具有合理刀具結構幾何角度。合理刀具結構幾何角度， 不但可以降低切削力， 抑製積屑瘤產（chǎn）生， 降低切削溫度， 而且還有斷屑控製切屑流向功能。刀具形（xíng）狀保證（zhèng）了（le）排屑順暢， 易於散熱。

      目前， 幹（gàn）切削刀具的主要材料有超（chāo）細顆粒硬質合金、聚晶金剛石、立方氮化（huà）硼、SiC 晶須增韌陶瓷及納（nà）米晶粒陶瓷等。

      隨著（zhe）刀具材料的迅速發展（zhǎn）， 新的硬質合金牌號特別（bié）是有些塗層牌號， 在高速、高溫的情（qíng）況下可以不用切削液， 加工工（gōng）件的溫度（dù）會成倍（bèi）增加。但是（shì）由於溫度分布均勻， 夾（jiá）具和機床溫度很低，從而（ér）保證了工序的質量， 提高了切（qiē）削效率。對於間斷切削， 切削區溫度越高， 越不適合（hé）用切削液。除此之外， 選擇正確的（de）機床（chuáng）和（hé）恰當的（de）裝備是非常重要的， 因為速度快、溫度高、材料硬， 所以需要保證機（jī）床剛性（xìng）足、馬力大。福特汽車廠從2000 年起， 就擬將離合器殼體和變速箱的加工由濕（shī）加工逐步轉為幹切削（xuē）。從日本、美國（guó）、德國等（děng）發達國家的（de）工業生產線來（lái）看， 幹切技術的應用將成為發展主流之一。

      6 結束語（yǔ）

      綜上所述， 刀具的發展方向將是超細晶粒的梯度硬質合金基體的新型（xíng）材料（liào）與塗層技術的跨領域結合。切削工藝上， 幹切技術的推廣將引發刀具市場的變革， 金屬加工行業會變得更（gèng）高效（xiào）、更環保、更節能。