隨著中國加入WTO 以後， 國內工業（yè）中最為基礎的金屬加（jiā）工工藝有了極大的豐富和進步， 製造尺寸、位置、形狀、精度要求較高， 且表麵（miàn）粗糙度要（yào）求較（jiào）細（xì）的（de）零件， 通（tōng）常采用（yòng）切削加工方法（fǎ），即利用車床使用刀（dāo）具（jù）對金屬毛坯進行切削加工。在刀具對金屬（shǔ）切（qiē）削加（jiā）工的（de）發展過（guò）程中（zhōng）， 圍繞著穩定質量、提（tí）高效率、降低成本和保證用戶使用等幾個方麵來實現其追求效率的目標， 為刀具提出高切削速度（dù）、高給進速度、高可（kě）靠性、長壽命、高精度和良好的切（qiē）削（xuē）控製性等要求。

      1 刀具的發（fā）展曆史簡述

      刀具的出現和發展在人類曆史上有（yǒu）著重要的地位， 公元前（qián）28 世紀～20 世紀， 我國就已出現銅質刀（dāo）具（jù）。戰國後（hòu）期出現了（le）滲碳技術， 製成了銅質刀具， 其中尤以秦國（guó）青銅長劍為代表。隨後我國陸續出現了鐵質， 乃（nǎi）至鋼製的刀具， 但是由於這些刀具的製造多由工人（rén）手工完成， 所以（yǐ）刀（dāo）具發展緩慢。隨著（zhe）蒸汽機時代的到來（lái）， 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具鋼製造的（de）， 切（qiē）削速度約為5m/min； 1868 年， 含鎢合金工具鋼（gāng）（穆舍特·英） 切削速度提高到（dào）約8m/min； 1898 年，高速工具鋼（泰勒、懷特·美） 切削速度提高兩倍（bèi）以上； 1923 年， 硬質合金（施勒特爾·德） 其切削速度（dù）又比高速鋼切削提高兩（liǎng）倍以上， 切削加工出的工件表麵質量和尺寸精度也大大提高；1969 年， 瑞典山特維克（kè）鋼（gāng）廠獲得用化學氣相沉積法（CVD） 生產碳化鈦塗層硬（yìng）質合金（jīn）刀片的專利。1972 年， 美國（guó）的邦沙和拉古蘭發明了物（wù）理氣相沉積法， 在硬質合金或高速鋼刀具表麵塗覆（fù）碳化鈦TiC 或氮化（huà）鈦TiN 硬質層， 由此開（kāi）啟了CVD 的時代（dài）。

      2 刀具的發（fā）展方向估測

      21 世紀（jì）的社會產業結構向（xiàng）著循環經濟、低碳經濟、高效持續經濟迅速發展的方向轉變。對機械（xiè）加工提出更高（gāo）的要求， 也（yě）就意（yì）味著加工機器、加（jiā）工工具也將迅速走向高智能化、高精度化、高效率化， 以達到保護環境、節省能源、實現（xiàn）效率最大化的要求。

      高速（sù）切削、幹切削以其高效、節能、環保的特點， 將逐漸成為金屬切削加工（gōng）的主（zhǔ）流。在（zài）實際生產過程中， 隨著切（qiē）削加工的自動（dòng）化水平和加工精度的增加， 要求刀具（jù）在高溫、高壓、高速以及（jí）在腐蝕性的流體中工作， 對刀具的硬度、強度、韌性、耐磨性、耐熱性等提出了新的苛（kē）刻（kè）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料、開發（fā）刀具的氣相沉積塗層技術、在高韌性高強度的基（jī）體上沉積更高硬度的塗層（大幅提（tí）高刀具材料硬度（dù）與強度）、改良刀具的結構、提高刀具的製造精度（dù）、減小生產誤差、使刀具的使用實現效率最大化等方麵。

      3 刀具材料現狀

      （1） 現代刀具要求

      由於刀具材料的硬（yìng）度必須高於工件材料的硬度（dù）， 所（suǒ）以在（zài）切削過程中刀具（jù）切削部分要承受（shòu）較大的切（qiē）削力、衝擊力和振動。同時（shí）在切削的過程中會產生劇烈的摩擦， 帶來（lái）大量的切削熱， 故（gù）金屬切削工藝（yì）對刀具材料的硬（yìng）度、強度、韌性、耐磨性、耐熱性提出了較高的要求。常用（yòng）的刀具材料有碳素工具鋼、合金工具鋼、高速（sù）鋼、硬質合（hé）金（鎢鈷（gǔ）類、鎢鈦類（lèi））、陶瓷材料、立方氮化硼、人造金剛石等。高速鋼和硬質合金因其具有優良的性能而在實際生（shēng）產中得到了廣泛的應用（yòng）。

      （2） 高速鋼

      高速鋼按用（yòng）途和性能可分為高性能（néng）高速（sù）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（sù）的（de）高碳高合金萊氏體（tǐ）鋼（gāng），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℃） 仍能保持較高的硬度（dù）， HRC≥60， 彌補了碳素（sù）工具鋼（gāng）的致命缺點。高速鋼因其具（jù）有良好（hǎo）的機械綜合性能而得（dé）以廣泛的應用， 常被用來做精車刀、銑刀、鉸刀、拉刀、麻花鑽， 經熱處理後的（de）使用（yòng）硬度可（kě）達HRC63 以上。但是（shì）近年來在發達國家中高（gāo）速鋼的產量卻在逐年減少， 大有被硬（yìng）質（zhì）合金取代之勢。

      （3） 硬質合金

      硬質合金是使用（yòng）最廣泛的一類高速加工（HSM） 刀（dāo）具材料， 由硬質碳化物（wù）（通常為碳化（huà）鎢（wū）WC、TiC 等） 微米級粉末顆粒和質地較軟的金屬結合劑（jì）（Co） 通過粉末（mò）冶金工（gōng）藝生產的ⅣB、ⅤB、ⅥB 族金屬的碳化物（wù）、氮化物、硼化（huà）物（wù）等，由於硬度和熔點特別高， 統稱為硬質合金。硬質合金常溫下硬度高（86HRA~93HRA， 相當於69HRC~81HRC）， 熱硬性強於高速鋼（可達900℃~1000℃， 保持60HRC）， 切削速度可達220m/min~300m/min。硬質合金通常（cháng）分為： 切削鑄鐵的鎢鈷係列（K 類， YG 類）、切削鋼材的（de）鎢鈦鈷係列（P 類， YT 類）， 還（hái）有通用係列（liè）（M類， YW 類）。新型（xíng）硬質合（hé）金有六類： 添加（jiā）TaC和NbC 的（de）硬質合金（jīn）、細（xì）晶粒和超細晶粒（lì）硬（yìng）質合（hé）金、TiC 基和Ti （C， N） 基硬質合金、添加稀土元素（Ce、Y） 硬質合金、表麵塗層硬（yìng）質合金（CVD 化學氣相沉積技術、PVD 物理（lǐ）氣相沉積（jī））及梯度硬質合金。由於塗層技術的發展， 以硬質合金為基體的（de）塗層刀具得到巨大（dà）的發展， 尤其（qí）是超細晶粒硬質合金在粒細化後可提高合金的（de）硬度和耐磨性， 適當（dāng）增（zēng）加鈷含量後還可以提高抗彎強度。硬質（zhì）合金在發達（dá）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（shí）莫氏硬度可達到10 級（jí）， 金剛石是自然界中最硬的物（wù）質， CBN 的硬度僅次於金剛石， 莫氏硬度9 級。超硬（yìng）合金多以薄膜覆蓋基體（CVD）， 金剛石刀具能對（duì）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的優勢。

      4 塗層技術現況及發展（zhǎn）

      刀具表麵塗層技術是應（yīng）市場需求發展起來的一種（zhǒng）優質表（biǎo）麵改性技術， 把基體的高強度和韌性（xìng）與表層的高硬度和（hé）耐磨性結合起來， 從而使切削刀具獲得優良的綜合（hé）機械性能， 並（bìng）具有更好的切削（xuē）效果（guǒ）。

      （1） CVD 技（jì）術

      CVD 技術即（jí）化學（xué）氣相（xiàng）沉積（jī）法， 自1969 年（nián）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（tú）層與基體的結合強度， 其（qí）薄膜厚度可達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TiCN、TiAlN等多元複合塗（tú）層的發展（zhǎn）階（jiē）段（duàn）， 最新發（fā）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（de）內應力， 提高（gāo）塗層的韌性， 增加塗層的厚度， 阻（zǔ）止裂紋的擴散（sàn）， 減少刀具崩刃。TiAlN 化學穩定性好， 比TiN 塗層刀具提（tí）高壽命3 倍~4 倍。滲（shèn）氧的氮碳化鈦TiCNO 具有很（hěn）高的顯微硬度和化學穩定性， 可以產生相當於（yú）TiC+Al2O3複合塗層的作用。

      （2） 超硬塗層

      一（yī）些過渡（dù）金屬氮化物、碳化物、硼化物以及它們的多元（yuán）複合化合物， 有的具有相（xiàng）當高的硬度， 這些材料都可以開發（fā）出來並應用於塗層刀具， 將會使塗層刀具的性能有新（xīn）的突破（pò）。金剛石晶體是立方（fāng）晶係， 屬Fd3m 空間群。利用熱絲法（fǎ）， 等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）， 包括微波（ PCVD） 、電子回旋共振（ ECR -PCVD）、直流和射（shè）頻（PCVD） 等方法， 以及直（zhí）流和高頻電弧放電熱（rè）等離子體法， 實（shí）現抑製石墨相， 促進（jìn）金剛石相生長（zhǎng）， 在硬質（zhì）合金刀具表麵沉積金剛石薄膜。CBN 薄膜（mó）中BN 有三種異（yì）構體，而其中的BN 和CBN 中， B、N 原子都要被形成四配位結構（gòu）， 它們（men）都是超硬（yìng）材料， 硬度和導熱率方麵僅次（cì）於金（jīn）剛石， 熱穩（wěn）定性極好。用（yòng）高溫高壓方法得到的CBN 是顆（kē）粒狀晶體， 最高顯微硬（yìng）度可達84.3GPa， CBN 薄膜的最高顯微硬度為61.8GPa， 其綜合性能並不亞於金剛石薄膜。但（dàn）其生產中依然有（yǒu）著需要克服（fú）的難題（反應機製（zhì）、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（qiú）

      超硬塗層的刀具由於膜層超硬化合物的硬度高（gāo）、熔點高及熱化學穩定性優良， 其磨損（sǔn）量小。納米技術的運用， 使其強（qiáng）度更高（gāo）， 並可有效地控製精密刀具刃（rèn）口形狀及精度， 其加工精度毫不遜色於未（wèi）塗層刀具。塗層（céng）刀（dāo）片擁有普通刀具1.5倍~3 倍壽（shòu）命， 它的（de）幹式銑削比濕式銑削更穩定。從目前（qián）市場的反應來看， 塗層成分向（xiàng）多元化發展是大勢所趨， 塗層（céng）成分將複（fù）雜化並更具針對性。每（měi）單層成分瘦身、納米化， 使塗層溫度降低， 預計PVD、MT-CVD 工藝將會成為主流（liú）。優質塗層的獲取（qǔ）對鍍膜條件、工藝參數、鍍前基（jī）體（tǐ）預處理有（yǒu）著嚴格的要求。刀具表麵的狀態影響（xiǎng）著塗層的附著（zhe）力， 所以（yǐ）在被鍍工件鍍膜前需檢（jiǎn）查其表（biǎo）麵有無其（qí）他膜層、燒斑、鏽斑、油汙等。此（cǐ）外， 工件要（yào）經過嚴格的噴砂（shā）和去油清（qīng）洗， 當使用等離子體增強化學氣相沉積法（PECVD） 製取金（jīn）剛石塗層前， 還要對被鍍工（gōng）件進行離（lí）子轟擊（jī）清洗（xǐ）。同時塗層刀具對刀具幾何形狀提出（chū）了（le）新的要求。刀具幾何形狀的改進， 如前（qián）角、排屑空間等， 應集中在排屑能力上， 以適應在更高的進給量和更高的速度下切削量的增加。

      5 幹切技術的應用

      （1） 切削液的應（yīng）用及問題

      為了達到潤滑、冷卻、排除（chú）切屑的目的， 現代金屬（shǔ）切削加工中通常使用切（qiē）削液， 在提高零件表麵加工質量， 提高刀具壽命， 提高效率方麵起到了（le）重要作用。切削液作為金屬加工的（de）重要配套材料可分為油（yóu）基切削液、半合（hé）成切削液以及合成切削（xuē）液（yè）。雖然切削液在現代金屬（shǔ）切削加工中有著種（zhǒng）種益處， 但是（shì）在實際使用過程中也存（cún）在著不可忽視的問題。

      1） 切（qiē）削液（yè）的腐蝕問題。由於切削液的pH 值過高或過低， 會對加工（gōng）零件（jiàn）表麵（miàn）產生（shēng）腐（fǔ）蝕， 影響表（biǎo）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觸， 還要使（shǐ）用防鏽液， 控製細（xì）菌的數量， 避免細菌的產（chǎn）生。

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

導致其變黑發臭， 並釋放出SO2， 具（jù）有臭雞蛋味。為避（bì）免切削（xuē）液（yè）的變質， 需要較精確的配比（bǐ）濃度（dù）及高純度原料， 將切削液pH 值保持在8.3~9.2 之間。

      3） 切（qiē）削液（yè）的泡沫問題（tí）。在金屬（shǔ）切削加工過程中， 因為切削液流速過快、液麵（miàn）太低或噴管角（jiǎo）度太直， 都會導致產生大量泡沫（mò）沉積， 這些都（dōu）需要（yào）對（duì）切削液流速、液麵和噴管角度加以控製。

      4） 工人健康問題。刀具的切削部分（fèn）是在較大的切削力及較高的切削溫度和劇（jù）烈的摩擦下進行（háng）的， 許多高速加工（gōng）工序中加入（rù）的切削液會在高溫下蒸發成煙（yān）霧。這些切削液不（bú）僅對（duì）環境造成了巨大的汙染， 更對操作人員的身體健康帶來危害。切削液的pH 值過（guò）高還會引起操作（zuò）者皮膚過敏。

      5） 零件的生產成本大幅度（dù）提（tí）高。有統（tǒng）計數據（jù）表明， 在零件（jiàn）加工總成本中， 切削液費用約占16%， 而刀具費用隻占總成本的4%。

      （2） 幹切技術

      切削液（yè）在加工生產中的成本比重從幾十（shí）年前的不到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（zhě）的注意。近年來興起的幹切技術實現了綠色（sè）製造， 保（bǎo）證了企業的經濟效益和社會效益（yì）最（zuì）優化。

      幹切削加（jiā）工技（jì）術是一（yī）種加工過程不用或微量使用切削液的（de）加工技術， 是一（yī）種對環（huán）境汙染源頭進行控製， 清潔環保的製造工藝。各種（zhǒng）超細晶粒硬質合金、耐高溫材料以及塗層技術的發展， 為幹切技術提供了有利（lì）前提。微量潤滑係統簡單地說就是精密控製油量的噴油裝置（zhì）， 是將壓縮空氣與極微（wēi）量的潤滑（huá）液混合氣化後噴射到工作區。微量潤滑裝（zhuāng）置高效應用在各種心小孔孔（kǒng）加工標準刀具中（zhōng）， 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（wéi）廣義（yì）的幹（gàn）切技術， 即為幹淨、高效、環保的技術。

      幹切技術的出現對刀具提出了更高的要求（qiú）：

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

高的刀（dāo）具（jù）材料才能有（yǒu）效地承受切削過程高溫， 保持加工精度。

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

      3） 較高熱化學穩定性（xìng）。幹切削高溫下， 刀具仍然保持較（jiào）高（gāo）化（huà）學（xué）穩定性， 降低高溫對化學（xué）反應催化作用， 從而延長刀具壽命。

      4） 具（jù）有合理刀具結構幾何角度。合理刀具結構（gòu）幾（jǐ）何角（jiǎo）度， 不但可以降低切削力， 抑製積屑瘤（liú）產生， 降低切削溫度（dù）， 而且還有斷屑控製切屑流向功能。刀具形狀保證了排屑順暢， 易於散熱。

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

      隨著刀具材（cái）料（liào）的迅速發展， 新的硬質合金牌號特別是有些塗（tú）層牌號， 在高速、高溫的情況下可（kě）以（yǐ）不用切削液（yè）， 加（jiā）工（gōng）工件的溫度會（huì）成倍增加。但是（shì）由於溫度分布均勻， 夾具（jù）和機床溫度（dù）很低，從（cóng）而保證了工序的（de）質量， 提高了切削效率。對於間斷切削， 切（qiē）削區（qū）溫度越（yuè）高， 越不適合用切（qiē）削液。除此之外， 選擇正確的機床和恰當的裝備是非常重（chóng）要的， 因為速度快、溫度高、材料硬， 所以需要保證（zhèng）機床（chuáng）剛性足、馬力大。福特汽車廠從2000 年起， 就擬將離合器殼體和變速箱（xiāng）的加工（gōng）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業生產線來看， 幹切技術（shù）的應用將成為發展主流之一。

      6 結束語

      綜（zōng）上所（suǒ）述（shù）， 刀具的發展方向將是超（chāo）細晶粒的梯度硬（yìng）質（zhì）合金基體的新型材料與塗（tú）層技（jì）術的跨領域結合。切削工藝上， 幹切技術的推廣將引發刀具（jù）市場的變革， 金屬加工行業會變得更高（gāo）效、更環保、更節能。