隨著（zhe）中國加入WTO 以（yǐ）後（hòu）， 國（guó）內（nèi）工業中最為基礎的金屬加（jiā）工工（gōng）藝有了極（jí）大的豐富和進步， 製造尺寸、位置、形狀、精度要求較高， 且表（biǎo）麵（miàn）粗糙度要求較（jiào）細的零件， 通常采用切削加工（gōng）方法，即利用車床使用刀具對金屬（shǔ）毛坯進行切削（xuē）加工。在刀具對金屬切削加工的發展過程（chéng）中， 圍（wéi）繞著穩定質（zhì）量、提高效率（lǜ）、降低成（chéng）本和保證用戶使用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（xuē）速度、高給（gěi）進（jìn）速度、高可靠性、長壽命、高精（jīng）度和良好的切削（xuē）控製性等要求。

      1 刀具的發展曆史簡述

      刀具的出現和發展在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。戰國後期出現了滲碳技術， 製（zhì）成（chéng）了銅質刀具， 其（qí）中尤以秦國青銅長劍為代（dài）表。隨後我國陸續出現了鐵質（zhì）， 乃至鋼製的刀具， 但是（shì）由於這些刀具的製造多由工人（rén）手工完成， 所以刀具（jù）發展緩慢（màn）。隨著蒸汽機（jī）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碳工（gōng）具鋼製造的， 切削速度約為5m/min； 1868 年， 含鎢（wū）合金工具鋼（gāng）（穆舍特·英） 切削速度提高到約8m/min； 1898 年，高速工具（jù）鋼（泰勒、懷（huái）特·美（měi）） 切削速度（dù）提高兩倍以上； 1923 年， 硬質合金（施勒特（tè）爾·德） 其切削速度又（yòu）比高速鋼切削提高（gāo）兩倍以上（shàng）， 切（qiē）削加（jiā）工出的工件（jiàn）表麵質量和尺寸精度也大大提（tí）高；1969 年， 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（piàn）的專利。1972 年， 美國（guó）的邦沙和拉（lā）古蘭發明了物理氣（qì）相沉積法（fǎ）， 在硬（yìng）質合金或高速鋼（gāng）刀具表麵塗覆碳化鈦TiC 或氮化鈦TiN 硬質（zhì）層， 由此開啟了CVD 的時代（dài）。

      2 刀具的發展方向估測

      21 世（shì）紀的社會產業結構向（xiàng）著循環經濟、低碳經濟、高（gāo）效持續經濟迅速（sù）發展（zhǎn）的方向轉變。對機械加工提出更（gèng）高的（de）要求， 也就意味著加工機器、加工工具也將迅速走向高智（zhì）能化、高精度化、高效率化， 以達到保護環境、節省能源、實現效（xiào）率最大化的要求（qiú）。

      高速切削、幹切（qiē）削以其高效、節能、環保的特點， 將逐漸（jiàn）成為金屬切削加工的主流。在實際生產過程中， 隨著切削加工（gōng）的（de）自動化水平（píng）和加工精度的增加， 要求刀具在高溫、高壓、高速以及在腐蝕性的流（liú）體中工作， 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（kè）的要求（qiú）。各種新技術隨之而誕生， 主要體現在發展應用新的刀具材料、開發刀具的氣（qì）相沉積塗層技術、在高韌性高強度的基體上（shàng）沉積更高硬（yìng）度的塗層（大幅提高刀具材料硬度與強度）、改良刀具的結構、提高刀具（jù）的（de）製造（zào）精度、減小生產誤差、使刀具的使用實（shí）現效率最大化等方麵。

      3 刀具材（cái）料現狀

      （1） 現代刀具要求（qiú）

      由於刀具材料的硬度必須（xū）高於工件材料的硬度， 所以在切削過程中刀（dāo）具切削部（bù）分要承（chéng）受（shòu）較大（dà）的切削力、衝（chōng）擊力和振動。同（tóng）時在切削的過程中會產生劇烈的摩擦， 帶來大量（liàng）的切削熱， 故（gù）金屬切削工藝對刀具材料的硬度、強度、韌性、耐磨性、耐熱性提出（chū）了較高的要求。常用（yòng）的（de）刀具材料有碳素工具鋼、合金工具鋼、高速（sù）鋼、硬質合金（鎢鈷類、鎢鈦類（lèi））、陶瓷材料、立方氮化硼、人造金剛（gāng）石等。高速鋼和硬質合金因（yīn）其具有優良的性能而在實際生產中得到了廣泛的應（yīng）用。

      （2） 高速鋼（gāng）

      高速（sù）鋼按用途和性能可分為高性能高速鋼和通用高速鋼， 它是一種（zhǒng）以鎢、鉬、鉻、釩， 有（yǒu）時還有鈷為主要（yào）合金元素的高碳高合（hé）金萊氏體鋼（gāng），WC=0.70%～1.25%， 其主要（yào）特點為紅硬性高。它在高速切削產（chǎn）生高熱情況下（約500℃） 仍能保持較高的（de）硬度， HRC≥60， 彌補了碳素工具鋼的致命缺點。高速鋼因其具有良好的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（dāo）、拉刀、麻花鑽， 經熱處理後的使用硬度可達HRC63 以上（shàng）。但是近年（nián）來在發達國家中高速鋼的產量卻（què）在逐年減少， 大有被硬質合金（jīn）取代之勢。

      （3） 硬質合金

      硬質合（hé）金是（shì）使用最廣泛的一類高速（sù）加工（HSM） 刀具材料， 由硬質（zhì）碳化物（通常為碳化（huà）鎢WC、TiC 等（děng）） 微米級粉末（mò）顆粒和質地較軟的金屬結合劑（Co） 通過粉末冶金工藝生產的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， 統稱為硬質合金。硬（yìng）質合金常溫下（xià）硬（yìng）度高（86HRA~93HRA， 相當於69HRC~81HRC）， 熱硬（yìng）性強（qiáng）於高（gāo）速鋼（可達900℃~1000℃， 保持60HRC）， 切（qiē）削速度可達220m/min~300m/min。硬質合金通常分為： 切削鑄鐵的鎢鈷係列（K 類， YG 類）、切（qiē）削鋼（gāng）材的鎢鈦鈷係列（P 類， YT 類）， 還有通用係列（M類， YW 類）。新型硬質合金有六類： 添加TaC和NbC 的硬質合金、細晶粒和超細晶（jīng）粒硬質合金、TiC 基和Ti （C， N） 基硬質合金、添（tiān）加稀土（tǔ）元素（Ce、Y） 硬質合金（jīn）、表麵塗層硬質合金（CVD 化學氣相沉（chén）積技術、PVD 物理氣相沉積）及梯度硬質（zhì）合金。由於（yú）塗層技術（shù）的（de）發（fā）展， 以硬質合金為基（jī）體的塗層刀（dāo）具得到巨大的（de）發展， 尤其是超細晶粒硬（yìng）質合金在粒細化後可提高合金的硬度和耐磨性， 適當（dāng）增加鈷含（hán）量後（hòu）還可以提高抗彎強度。硬質合金（jīn）在發達國家的市場比重近70%，呈（chéng）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（dàn）化（huà）硼（CBN）， 金剛石莫氏硬度（dù）可達到10 級， 金剛石是自然界中（zhōng）最硬的物質， CBN 的硬度僅（jǐn）次於金剛石（shí）， 莫氏硬（yìng）度9 級。超硬合金多以薄膜覆蓋基體（CVD）， 金剛（gāng）石刀（dāo）具能對有色金屬實行超（chāo）精密切削， 對硬脆材料在切削加工上有著巨大（dà）的優勢。

      4 塗層技術現況及發展

      刀具表麵塗層技術是應市（shì）場需求發展起來的一種優質表麵改性技術， 把基體（tǐ）的高強度和韌（rèn）性與表層的高硬度和耐磨性結合起來， 從而使切削刀具獲得優良的綜合機（jī）械性（xìng）能， 並具有（yǒu）更好的切削效果。

      （1） CVD 技術

      CVD 技術即化學氣相沉積法， 自1969 年出現以來， 為硬質合金可轉位刀（dāo）具添加塗層， 已經得到廣（guǎng）泛的（de）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（gāo）了塗層與基體的（de）結合強度， 其薄膜厚度可達7μm~9μm； 塗層材（cái）料已由最（zuì）初的單一的TiN 塗層、TiC 塗層， 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（zuì）新發展了TiN/NbN、TiN/CN 等多元複合薄膜材料， 使刀具塗（tú）層的性能（néng）有了很大提高。TiCN 可降低塗層的內應力， 提高塗層（céng）的韌性， 增加塗層的厚度， 阻止裂（liè）紋的擴散， 減少刀具崩刃。TiAlN 化學穩定（dìng）性好， 比TiN 塗層刀具提高壽命3 倍~4 倍。滲氧的氮碳化鈦TiCNO 具有（yǒu）很高的顯（xiǎn）微硬度和化學穩定性， 可（kě）以產生相當於TiC+Al2O3複合塗層的作用。

      （2） 超硬塗層

      一些過渡金屬氮化物、碳化物、硼化物以及它（tā）們的多元複合化合物， 有的（de）具有相當高的硬度， 這些材料都可以開發出來並應用於塗層刀具， 將會（huì）使塗層刀具的性能有新的突破。金剛石晶體是立方晶係， 屬Fd3m 空間群。利（lì）用熱絲法， 等離子體增強化學氣相沉（chén）積（PECVD）， 包括微波（ PCVD） 、電（diàn）子回旋共振（ ECR -PCVD）、直流和射頻（PCVD） 等方法， 以及直流和（hé）高頻電弧放電熱等離子體法， 實現抑製石墨相， 促進（jìn）金剛石（shí）相生長， 在硬質合金刀具表麵沉積金剛石薄膜（mó）。CBN 薄（báo）膜中BN 有三種異構體，而其（qí）中的BN 和CBN 中， B、N 原子都要被（bèi）形成四配位結（jié）構（gòu）， 它們都是超硬（yìng）材料， 硬度和（hé）導熱率方麵僅次於金剛石， 熱穩定性極好。用高溫高壓方法得到的CBN 是顆粒狀晶體， 最高顯微硬度可達84.3GPa， CBN 薄膜的最高顯微硬度為（wéi）61.8GPa， 其綜合（hé）性能並不亞於金剛石薄膜。但（dàn）其生產中依（yī）然有（yǒu）著需要克服的難題（反應機製、成膜過程（chéng）、設備（bèi）開發、工藝環境等）。

      （3） 超硬塗層優勢和加工（gōng）要求

      超硬塗層的刀具由於膜層超硬化合物的硬度高、熔點高（gāo）及熱（rè）化學穩定性優良， 其磨損量小。納米技術（shù）的運用， 使其強（qiáng）度更高， 並可有效地控製精密刀具刃口形狀及（jí）精度， 其加工精度毫不遜色於未塗層刀具。塗層刀片擁有普通刀具1.5倍（bèi）~3 倍壽命， 它的幹式銑削比濕式銑（xǐ）削更穩定。從目前市場的反應來看， 塗層成分向多元化發展是大勢所（suǒ）趨， 塗層成分將複雜化並更（gèng）具針對性。每（měi）單層成分瘦身、納米化， 使塗層（céng）溫度降低， 預計PVD、MT-CVD 工藝將會成為主流。優質塗層的獲取對鍍膜條件、工（gōng）藝參數（shù）、鍍前基體預處理有著嚴格的要求。刀具表麵的狀態影響著（zhe）塗層的附（fù）著力， 所以在被鍍工件鍍膜前需檢查其表麵（miàn）有無其他膜層、燒斑、鏽斑、油汙等（děng）。此外， 工件要經過嚴格（gé）的噴砂和（hé）去油清洗， 當使用等離子體增強化學氣相沉積法（PECVD） 製取金剛石塗層（céng）前， 還要對被鍍工件（jiàn）進行離子轟擊清洗。同時塗層（céng）刀具對刀具幾何形狀提出了新的要求。刀具幾何形狀（zhuàng）的改進， 如前角、排屑空間等， 應集（jí）中在（zài）排屑能力上， 以適應在更高的進給（gěi）量和更高的速度下切削量（liàng）的增加。

      5 幹切技術的應用

      （1） 切（qiē）削液的應用及問（wèn）題

      為了達到潤滑、冷卻、排除（chú）切屑的目的（de）， 現代金屬（shǔ）切削加工中通常使用切削液， 在提高零（líng）件表麵加工質（zhì）量， 提高刀具壽命， 提高效率方麵起（qǐ）到了重要作用。切削液作為金屬加（jiā）工的重要配（pèi）套材料可分為（wéi）油基切削液、半合成切削液以及（jí）合成切削液。雖然切削液在現代金屬切（qiē）削加工中有著種種益處（chù）， 但是在實際使用（yòng）過（guò）程中也存在著（zhe）不可忽（hū）視的問題。

      1） 切削液的腐蝕問題。由於切削液的pH 值過高（gāo）或過低， 會對加工零件表麵（miàn）產（chǎn）生腐蝕， 影響（xiǎng）表麵加工精度。所以應根據金屬材料選擇合適pH值的切削液， 並避免不相似的材料接（jiē）觸， 還要使用防鏽（xiù）液， 控製細菌的數量， 避免細菌的產生。

      2） 切削液的變質（zhì）問題。由於生產環境或者（zhě）加工環境（jìng）， 會有大量厭氧（yǎng）菌（jun1）和耗氧菌混入切削液中，

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（yào）較精確的配比（bǐ）濃度及高（gāo）純度原料， 將切削液（yè）pH 值保持在（zài）8.3~9.2 之間。

      3） 切削液的泡沫（mò）問題。在金屬切削加工過程中， 因為切削液流速過快、液麵太低或噴管角度太直， 都會導致產生大量泡沫沉積， 這些都需要對切削（xuē）液流速、液麵（miàn）和噴管角度（dù）加以控製。

      4） 工人健康問題。刀具（jù）的切削部分是（shì）在較大的切削力及較高的切削溫度和劇（jù）烈的摩擦（cā）下進行的， 許多高速加工工序中加入的切削液會在高溫下蒸發（fā）成煙霧。這（zhè）些切削液不僅對環（huán）境造成了巨大的汙染， 更對操作人員的（de）身體健康（kāng）帶來危害。切削液（yè）的pH 值過高還會引起操作者皮膚過敏。

      5） 零件（jiàn）的生產（chǎn）成本大幅度提高。有（yǒu）統計數據表明（míng）， 在零件加工（gōng）總成本中， 切削液（yè）費用約占16%， 而刀具（jù）費用隻占總成本的4%。

      （2） 幹切技術

      切（qiē）削液在加工生產中的成本比（bǐ）重從幾十年前的不到3%上升到16%， 基（jī）於經濟以及上述原因的考慮， 切削液已（yǐ）不得不引（yǐn）起生產經營者的注意（yì）。近年（nián）來興起的幹切技術實現了綠色製造， 保證了企業的經濟效益和社會效益最優化。

      幹切削加工技術是一（yī）種加工過程不用或微量使用切削液的加工技術， 是一種對環境汙染源頭進行控製， 清潔環保（bǎo）的製造工藝。各種超（chāo）細晶粒硬質合金、耐高溫材料以及塗層技術（shù）的發展， 為幹切技術提供了有利前提。微量潤滑係統簡單地說就是精密控製油量的噴油裝（zhuāng）置， 是（shì）將壓縮空氣與極微量的潤（rùn）滑液（yè）混合氣（qì）化後噴射到工作區。微量潤滑裝置高效應用在各種心小（xiǎo）孔孔加工標準刀具中， 使得準幹切技術得到廣（guǎng）泛應用。更有學（xué）者（zhě）將準幹切技術歸為廣（guǎng）義的（de）幹切技術， 即為幹淨、高效、環保的技術。

      幹（gàn）切技術的出現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（yè）， 其切削溫度（dù）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（chéng）高溫， 保持加工精（jīng）度（dù）。

      2） 較低摩擦係數。一定程度上可替代切削液潤滑作用， 抑（yì）製切削溫度（dù）上升。也可采用塗層技術降低摩擦係數。

      3） 較高熱化學穩定（dìng）性。幹切削高溫下（xià）， 刀具仍然保持較高化學穩定性， 降低高溫對化學反應催化作用， 從而延長刀具壽（shòu）命。

      4） 具（jù）有合理刀具結構幾何角度。合理刀具（jù）結構幾何角度， 不但可以（yǐ）降低切（qiē）削力， 抑製（zhì）積屑瘤產生（shēng）， 降低切削溫（wēn）度， 而且還有斷屑控製（zhì）切屑流向功能。刀具形狀保證了排屑順暢， 易於散（sàn）熱。

      目前， 幹切削刀具（jù）的主要材料有超細顆粒硬質合金、聚晶金（jīn）剛石、立方（fāng）氮化硼、SiC 晶須增韌（rèn）陶（táo）瓷及納（nà）米晶粒陶瓷等。

      隨著刀具材料的迅速發展， 新的硬質合金牌號特別是有些塗層（céng）牌（pái）號， 在高速、高（gāo）溫的（de）情況下可以不用切削液， 加工工件的溫度會成倍增加。但是由於溫度分布（bù）均勻， 夾具和（hé）機（jī）床溫度很（hěn）低，從而保證了工（gōng）序的質量， 提高了切削效率。對於間斷切削， 切削區溫度越高， 越不適合用切削液。除此之外， 選（xuǎn）擇正確的機床和恰（qià）當的裝備是非常重要的， 因（yīn）為速度快、溫度高、材料硬， 所以需要保證機（jī）床剛性足、馬力大。福特汽車廠從2000 年起（qǐ）， 就擬（nǐ）將離合器殼體和變速（sù）箱的加工由濕加工逐步轉為幹切削。從日本、美國、德國等發達國家的工（gōng）業生產（chǎn）線來看， 幹切技術的應用將（jiāng）成為發展（zhǎn）主流之一。

      6 結（jié）束語

      綜上（shàng）所述（shù）， 刀具的發展方向將（jiāng）是（shì）超細晶粒的梯度硬（yìng）質合金基體的新型材（cái）料與塗層技術的跨領域結合（hé）。切削工藝上， 幹切技（jì）術的（de）推廣將引發刀具市場的變革， 金屬加工（gōng）行業會（huì）變得更高效、更環（huán）保、更節能。