隨著中國加入WTO 以後（hòu）， 國內工（gōng）業中最為基礎的金（jīn）屬加工工藝（yì）有了極大的豐富和（hé）進步， 製造尺寸、位置、形狀、精度要求較高， 且表麵粗糙度要求較細（xì）的零件， 通常采用（yòng）切削加工方（fāng）法，即利用車（chē）床使用（yòng）刀具對金屬毛坯進行切削（xuē）加工。在刀具對金屬（shǔ）切削加工的發（fā）展過程（chéng）中， 圍繞著穩定質量、提高效率、降低成本和保證用戶使用（yòng）等幾個方麵來實現其追求效率的目標， 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（jīng）度和良好的切削控製性等要求。

      1 刀具（jù）的發展（zhǎn）曆史簡述

      刀（dāo）具的（de）出現和發展在（zài）人類曆史上有著重要的地位， 公元前28 世紀～20 世紀， 我國就已出現銅質刀具。戰國後期出（chū）現了滲碳技術， 製成了銅質刀具， 其中尤以（yǐ）秦（qín）國青（qīng）銅長劍為代表。隨後我國陸續出現了（le）鐵質， 乃至鋼製的刀具， 但是由於（yú）這些刀具的製造多由工（gōng）人手工完成， 所以刀具發展緩慢。隨著蒸汽機時代的到來， 1783 年~1864 年歐洲出現銑刀、絲錐、板牙和麻花鑽。當時的刀具是用整體高（gāo）碳工具鋼製造（zào）的， 切削速度約為5m/min； 1868 年， 含鎢合金（jīn）工（gōng）具鋼（穆舍特·英） 切削速度提高（gāo）到約8m/min； 1898 年，高速工具鋼（泰勒、懷特·美） 切削速度提（tí）高兩倍以上； 1923 年， 硬質合金（jīn）（施勒特爾·德） 其切削（xuē）速度又（yòu）比高速鋼切削提高兩倍以上， 切削加工出的工件表麵質量和尺（chǐ）寸精度也大（dà）大提高；1969 年（nián）， 瑞典山特維克鋼廠獲得用化學氣相沉積法（CVD） 生產碳化鈦塗層硬質合金刀片的專利。1972 年， 美國的邦沙和拉古蘭發明了物理氣相沉積法， 在（zài）硬質合金或（huò）高速鋼刀具表麵塗覆碳化鈦TiC 或氮化鈦TiN 硬質層， 由此開啟了（le）CVD 的時代。

      2 刀具的發展方向估測

      21 世紀的社會產業結構（gòu）向著循環經（jīng）濟、低碳經濟、高效持續經濟迅（xùn）速發（fā）展的方向轉變。對機（jī）械（xiè）加工提出（chū）更高的要（yào）求， 也就意味著加工機（jī）器、加工（gōng）工具也將迅速走向（xiàng）高智能（néng）化、高精度化、高效率化， 以達到保（bǎo）護環境、節省能源、實現效率最大（dà）化的要求。

      高速切削、幹切削以其高效、節能、環保的特（tè）點， 將（jiāng）逐漸成為金屬切削加工的主流（liú）。在實（shí）際生（shēng）產過程中， 隨著切削加工的自動化（huà）水平和加工（gōng）精度的增（zēng）加， 要求刀具在高（gāo）溫（wēn）、高壓、高（gāo）速以及在腐蝕性（xìng）的流體中工（gōng）作， 對刀具的硬度、強度、韌性、耐磨性、耐熱性等提出了新的苛刻的要求。各種（zhǒng）新技術（shù）隨之而誕生， 主要體現在發展應用新的刀具材料、開發刀具的氣相沉積塗層技術、在高韌性高（gāo）強度的基體上沉（chén）積更高（gāo）硬（yìng）度的塗層（céng）（大（dà）幅提高刀具（jù）材料硬度與強（qiáng）度）、改良刀具的結構、提高刀（dāo）具的製造精度、減小生產誤差、使刀具（jù）的使用實現效率最大化等方麵。

      3 刀（dāo）具材料現狀

      （1） 現代刀具要求

      由於（yú）刀具材料的硬度必須高（gāo）於工件材（cái）料的硬度， 所以在切削過程中刀具（jù）切削部分要（yào）承受較大的切削力、衝擊力和振動。同時在切削的過程中會產生劇烈的摩擦， 帶來大量的切（qiē）削熱， 故（gù）金屬切削工藝對刀具（jù）材料的硬度、強度、韌性、耐磨性、耐熱性提出了較高的要求。常用的刀具材料有碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼、硬質合金（鎢鈷（gǔ）類、鎢鈦（tài）類（lèi））、陶瓷（cí）材料、立方氮化硼、人造金剛石（shí）等。高速鋼和（hé）硬質合金因其具有優良的性能而在實際生產中得到了廣泛的應用。

      （2） 高速鋼（gāng）

      高速鋼按用途和性能可分為高性能高速鋼和通用高速鋼， 它（tā）是一種以（yǐ）鎢、鉬、鉻（gè）、釩， 有時還有鈷為主要合金元素的高碳高合（hé）金萊氏體鋼，WC=0.70%～1.25%， 其主要特點為紅（hóng）硬性高。它在高速切削產生高熱情況下（約500℃） 仍能保持較高的（de）硬度， HRC≥60， 彌（mí）補了碳（tàn）素工具鋼的致命（mìng）缺點。高速鋼因其具有（yǒu）良好的機械綜（zōng）合性能而得（dé）以廣泛的應用， 常被用來做（zuò）精車刀、銑刀、鉸（jiǎo）刀、拉刀、麻花鑽， 經熱處理（lǐ）後的使用硬度可達HRC63 以上。但是近年來在發達國家中高速鋼的（de）產量卻（què）在逐年減少（shǎo）， 大（dà）有被硬質合金取代之勢。

      （3） 硬質合金

      硬質合金是使（shǐ）用最廣泛的一類高速加工（HSM） 刀具材料， 由硬質（zhì）碳化物（通常（cháng）為碳化鎢WC、TiC 等） 微米（mǐ）級粉末顆粒和質地較軟的金屬結合劑（jì）（Co） 通（tōng）過粉末冶金工藝生產的ⅣB、ⅤB、ⅥB 族（zú）金屬的（de）碳化（huà）物、氮化物、硼化物（wù）等，由於硬度和熔點特別高， 統稱為硬質合金。硬質（zhì）合金常溫下（xià）硬度高（gāo）（86HRA~93HRA， 相當於69HRC~81HRC）， 熱硬性強於（yú）高速鋼（可達900℃~1000℃， 保持60HRC）， 切削速（sù）度可達220m/min~300m/min。硬（yìng）質合金通常分為： 切削鑄鐵的鎢鈷係（xì）列（K 類， YG 類）、切削（xuē）鋼材的鎢鈦鈷係列（P 類， YT 類）， 還有通用係列（liè）（M類， YW 類）。新（xīn）型硬（yìng）質合金有六類： 添加TaC和NbC 的硬質（zhì）合金、細晶粒和超細晶粒硬質合（hé）金、TiC 基和（hé）Ti （C， N） 基（jī）硬質合（hé）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（qì）相沉積技術、PVD 物理氣相沉積）及梯度硬質（zhì）合金。由（yóu）於塗（tú）層技術的發展， 以硬質合金為基體的塗層（céng）刀具得到巨大的（de）發展， 尤其是超細（xì）晶（jīng）粒硬（yìng）質合金在粒細化後可提高（gāo）合金的硬度和耐磨性， 適當增加鈷（gǔ）含量後還可以提（tí）高抗彎強度。硬質合金在發達國家的市場比重近70%，呈現出代替高速鋼的趨勢。

      （4） 超硬刀具材料

      超硬材料是指金剛石和立方氮化硼（CBN）， 金剛石莫氏硬度（dù）可達到10 級， 金剛石是自（zì）然界中（zhōng）最硬的物質， CBN 的硬度僅次於金剛石， 莫氏（shì）硬度9 級。超硬合金（jīn）多以薄膜覆蓋基體（CVD）， 金剛石刀具（jù）能對有色金屬實行超精密切削， 對硬脆材料在切削加工上有著（zhe）巨大的優（yōu）勢。

      4 塗層技（jì）術現況及發展

      刀具表麵塗層（céng）技術（shù）是應（yīng）市場需求發展起來的一（yī）種優質表麵改性技術， 把基體的高強度和韌性與表層的高硬度和耐磨性結合（hé）起來， 從而使切削刀具獲得優良（liáng）的綜合機械性能， 並具有更好的切削效果。

      （1） CVD 技術

      CVD 技術即化學氣相（xiàng）沉積法， 自1969 年出現以來， 為硬質合金可轉位刀具添加塗層， 已經得到廣泛的應用。所需金屬源的製備相對容易。國際上CVD 技術日趨成熟， 提高了塗層與基體的結合強度， 其薄（báo）膜厚度可達7μm~9μm； 塗層材（cái）料已由最初的單一的TiN 塗層、TiC 塗層（céng）， 經曆了TiC-Al2O3-TiN 複合塗層和TiCN、TiAlN等多元複合塗層的發展階段， 最新發展了TiN/NbN、TiN/CN 等多元複合薄膜材料， 使刀具（jù）塗層的性能有了很（hěn）大提高。TiCN 可降低（dī）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， 減少刀具崩刃（rèn）。TiAlN 化學穩定（dìng）性好， 比TiN 塗層刀具（jù）提高壽命3 倍~4 倍。滲氧的氮碳（tàn）化鈦TiCNO 具（jù）有很高的顯（xiǎn）微硬度和化學穩定性， 可以產生（shēng）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（yìng）度， 這些材料（liào）都可以開（kāi）發出來並應用於塗層刀具， 將會使（shǐ）塗層刀具的性能有新的突破（pò）。金剛（gāng）石（shí）晶體是（shì）立方晶係， 屬Fd3m 空間群。利（lì）用熱絲法， 等離子體（tǐ）增強（qiáng）化學氣相沉積（PECVD）， 包（bāo）括微波（ PCVD） 、電子回旋共振（ ECR -PCVD）、直流和射頻（PCVD） 等方法， 以及直流和（hé）高頻（pín）電弧放電（diàn）熱（rè）等離子體法， 實現抑製石墨相， 促進金剛石相生長， 在硬質合金刀具表麵沉積金剛（gāng）石薄膜。CBN 薄膜中BN 有三種異構體，而其中的BN 和CBN 中， B、N 原子都要被形成四配位結構， 它們都（dōu）是超硬（yìng）材料， 硬度（dù）和導熱率方麵僅次於金剛石， 熱穩定性極好。用高（gāo）溫高壓方法得到的CBN 是顆粒狀（zhuàng）晶體， 最高顯微硬度可達84.3GPa， CBN 薄膜（mó）的最高顯（xiǎn）微硬度為61.8GPa， 其綜合性能並不亞於金剛石（shí）薄膜。但其生產中依然有著需要克服的難題（tí）（反（fǎn）應機製、成（chéng）膜過程、設備開發、工藝環境等）。

      （3） 超硬塗（tú）層優勢和加工要求

      超硬塗層（céng）的刀具由於膜層超硬化（huà）合物的硬度高、熔點高及熱化學穩定性優（yōu）良， 其磨損量小。納米技術的運用， 使其強（qiáng）度更高， 並可有效地控製（zhì）精密刀具刃口（kǒu）形狀及精度， 其加工精度毫不遜色於未塗層刀具。塗層刀（dāo）片擁（yōng）有普通刀具1.5倍~3 倍壽命， 它（tā）的幹式銑削比濕式銑削更穩定。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， 塗層成分將複雜化並更具針對性。每單（dān）層成分瘦身、納米化， 使塗（tú）層溫度降低， 預計PVD、MT-CVD 工藝將會成為（wéi）主流。優質（zhì）塗層的獲取對鍍膜（mó）條件、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（tài）影響著塗層的附著力， 所以在被（bèi）鍍工件鍍膜前需檢查（chá）其（qí）表麵（miàn）有無其他膜層、燒斑、鏽斑、油汙等。此外， 工件要（yào）經過嚴格（gé）的噴砂和去油清洗， 當使用等離子體增強化學氣（qì）相沉積法（PECVD） 製取金剛（gāng）石塗層前， 還要對被（bèi）鍍工件進行離子轟擊清洗。同（tóng）時塗層刀（dāo）具對刀具幾何形狀提（tí）出了新的（de）要求。刀具幾何形狀的（de）改進， 如（rú）前角、排屑空（kōng）間等， 應集中在排屑能力上， 以適（shì）應在更高的進給量和更高的速度下切削量（liàng）的增加。

      5 幹切技術的應（yīng）用

      （1） 切削液的應用及問（wèn）題

      為了達到潤滑、冷（lěng）卻、排除切屑的目的， 現代金屬切（qiē）削加工中通常使（shǐ）用切削液， 在提高（gāo）零件表麵加工質量， 提高刀具壽命， 提高效率方麵起到了重要作用。切削液作為金（jīn）屬加工的（de）重要配套材料可分為油基切削液、半合成切削（xuē）液以及合成切（qiē）削液。雖然切（qiē）削液（yè）在現代金屬切削加工中有著種種益處， 但是在實際（jì）使用過程中也存在著不可（kě）忽視的問題。

      1） 切削（xuē）液的腐蝕問題。由於切削（xuē）液的（de）pH 值過高或（huò）過低， 會對加工零（líng）件（jiàn）表麵產生腐蝕（shí）， 影響表麵（miàn）加工精度。所以應根據金屬材料選擇（zé）合適pH值的切削液（yè）， 並避免不相似的材料（liào）接觸， 還要（yào）使用防鏽液， 控製細菌的數量（liàng）， 避免細菌的產生。

      2） 切削液的變質問題。由於生產環境或者（zhě）加工環境， 會有大量厭（yàn）氧菌和耗氧（yǎng）菌混入切削液中，

導致其變黑發臭， 並釋放出SO2， 具有臭雞蛋味。為避免切削液（yè）的變質， 需要較（jiào）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 之間。

      3） 切（qiē）削（xuē）液的泡沫問（wèn）題。在金屬切削加工過程中， 因為切削液流速過快、液麵太低或噴管（guǎn）角度（dù）太直（zhí）， 都會（huì）導致（zhì）產生大量泡沫沉積， 這些都需要對切削液流速、液麵和噴管（guǎn）角度加以控製。

      4） 工人健康問題。刀具的切削部分（fèn）是在較（jiào）大的切削力（lì）及較高的切削溫度和劇烈的摩擦下進行的， 許（xǔ）多高速加工工序中（zhōng）加入的切（qiē）削液會在高溫（wēn）下蒸發成煙霧。這些切削液不僅對環境造成了巨大的汙染， 更對（duì）操作人員的身體健康（kāng）帶來危害。切削液的pH 值過高還會引起操作者皮膚過敏。

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

      （2） 幹（gàn）切技（jì）術

      切削液在加工生產中（zhōng）的成本比重從幾十年前的（de）不到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（bǎo）證了企業的經濟效益和社會效益最優化。

      幹切削加工技（jì）術是一種加工過程不用或微量使用切削液的加工技術， 是一種（zhǒng）對環境汙染源頭（tóu）進行控製， 清（qīng）潔環保的製造工藝。各種超細（xì）晶粒硬質合金、耐高（gāo）溫材料以（yǐ）及塗層技術的發（fā）展， 為幹（gàn）切技術提供了有（yǒu）利前提。微量（liàng）潤滑係統簡單地說就是精（jīng）密控製油量的噴油裝置， 是將壓縮空氣（qì）與（yǔ）極微（wēi）量的潤滑液混合氣化後噴射（shè）到工作區。微量潤滑（huá）裝置高效應用在各種心小孔孔加工標準刀具（jù）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（xiào）、環保的技術。

      幹切技術的出現對刀具提出了（le）更高的要求：

      1） 具有優良紅硬性耐磨性。幹切由於缺少（shǎo）冷卻（què）液， 其切削溫度比濕切削時高得多（duō）， 紅硬性

高的刀具材（cái）料才能（néng）有效地承受切削過程高溫， 保持加工（gōng）精度。

      2） 較低摩擦係數。一定（dìng）程度上可替代切削液潤滑作用， 抑製切削溫度上升。也可采用（yòng）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， 刀具仍然保持較高化學穩定性， 降低高溫對化學反應催化（huà）作用， 從而延長刀具壽命。

      4） 具有合理刀具結構（gòu）幾何角度（dù）。合理（lǐ）刀（dāo）具結構幾何角度， 不但可以降低（dī）切削力， 抑製積屑瘤產（chǎn）生， 降低（dī）切削溫度， 而（ér）且（qiě）還（hái）有斷屑控製切屑流向（xiàng）功能。刀具形狀保（bǎo）證了排屑順暢， 易於散熱。

      目前， 幹切削刀具（jù）的主要材料有（yǒu）超細顆粒硬質合金、聚晶金剛石、立方氮化硼、SiC 晶須增韌陶瓷及納米晶粒陶瓷等。

      隨著刀具材料的迅（xùn）速發展， 新的硬質合（hé）金牌號特別（bié）是有些（xiē）塗層牌號， 在高速、高溫的情況下可以不用切削液， 加工工件的溫度會成倍增加。但是由（yóu）於溫（wēn）度分布均勻， 夾具（jù）和機床溫（wēn）度很（hěn）低，從而保證了工序的質量， 提高了切削效率。對於間（jiān）斷切削， 切削區溫度越高， 越不適合用切削液。除此之外， 選擇正確的機床（chuáng）和恰當的裝備是非常重要的， 因為速度快、溫度高、材料硬， 所以需要保證機床剛性足、馬力大。福特汽（qì）車廠從2000 年起， 就擬將離合器殼體和變速箱的（de）加工由濕加工逐步轉為幹切削。從日本（běn）、美國、德國等發達國家的工業（yè）生產線來看， 幹切技術的應用將成為發展（zhǎn）主（zhǔ）流之一。

      6 結束語

      綜上所述， 刀具的發展方向（xiàng）將是超細晶粒的梯度硬質合（hé）金基體的新（xīn）型材料與塗層技術的跨領域結合（hé）。切削工藝上， 幹切技術的推廣將引發刀具（jù）市（shì）場的變（biàn）革， 金屬加工行業會變得更高效、更環保、更節（jiē）能。