隨著中國加入WTO 以後， 國內工業（yè）中最為基礎的金屬加工工藝有了極大的豐富和進步， 製造尺（chǐ）寸、位置、形（xíng）狀、精度要（yào）求較高， 且表麵粗糙（cāo）度要求較細的（de）零（líng）件， 通常采用切削加工方法，即利用車床使用（yòng）刀具對金屬毛坯進（jìn）行切削加工。在刀具對金屬切削加工的發（fā）展（zhǎn）過程中， 圍繞著穩（wěn）定質量、提高效率、降低成（chéng）本（běn）和保（bǎo）證用戶使用等幾個方（fāng）麵來（lái）實（shí）現其追求效率的目標， 為刀（dāo）具提出高切削速度、高給進速度、高可靠（kào）性、長壽命、高精度和（hé）良好的切削控製性等要求。

      1 刀具的發展曆史（shǐ）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（wǒ）國就（jiù）已出現銅質刀具。戰國（guó）後期出現了滲碳技術， 製成了銅質（zhì）刀具， 其中尤以秦國青銅（tóng）長劍為代表。隨後我國（guó）陸續出現了鐵質， 乃至鋼製的刀具， 但是由（yóu）於這些刀具的製造多由（yóu）工（gōng）人手工完（wán）成， 所以刀具發展緩（huǎn）慢。隨著蒸汽機時代的到來， 1783 年~1864 年歐洲出現（xiàn）銑刀（dāo）、絲錐、板牙和麻花（huā）鑽。當時的刀具是用整體高碳工具鋼製造的， 切削速度約（yuē）為5m/min； 1868 年， 含鎢合金工具鋼（穆舍特（tè）·英） 切削速度提高到約8m/min； 1898 年，高（gāo）速（sù）工具（jù）鋼（泰勒、懷特·美） 切削速度提高兩倍以上； 1923 年， 硬質合金（施勒（lè）特（tè）爾·德（dé）） 其切削速度又比高速鋼切削提高兩倍（bèi）以上， 切削加工出（chū）的工（gōng）件表麵質量和尺寸精度也大大提高；1969 年， 瑞典（diǎn）山特維克（kè）鋼廠獲得用化學氣相沉積法（fǎ）（CVD） 生產碳（tàn）化鈦塗層硬質合金刀片的專利。1972 年， 美國的邦沙和拉（lā）古蘭發明了物（wù）理氣相沉積法， 在（zài）硬質合金或高速鋼刀具表（biǎo）麵塗覆（fù）碳化鈦TiC 或氮化鈦TiN 硬質層， 由此開啟了CVD 的時代。

      2 刀具的發展方向估測

      21 世紀的社會產業結構向著循環經濟、低碳經濟、高效持續經濟迅（xùn）速發展的方（fāng）向轉變。對機械加工提出更高的要求， 也就（jiù）意味著加工機器、加工工具也（yě）將迅速走（zǒu）向（xiàng）高智能化、高精度化、高效率化， 以達到保護環境、節省（shěng）能源（yuán）、實（shí）現效率最（zuì）大化的要求。

      高速切削、幹切削以其（qí）高（gāo）效、節能、環保的特點（diǎn）， 將逐漸成（chéng）為金屬切削加工（gōng）的主流。在實際生產過程（chéng）中， 隨著切削（xuē）加工的自動化水平和加工精度（dù）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（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（zhǎn）應用新（xīn）的刀（dāo）具材料、開發刀具的氣相（xiàng）沉積塗層技術（shù）、在高韌性高強度的基體上沉積更高硬度的塗層（大幅提高（gāo）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（dāo）具要求（qiú）

      由於刀具材料的硬度必（bì）須（xū）高（gāo）於（yú）工件材料的硬度， 所以（yǐ）在切削過（guò）程中刀具切削部分要承受較大的切削力、衝擊力和振動。同時在切削的過程中會（huì）產生劇烈的摩擦， 帶來大量的切削熱， 故金屬切削工藝對刀具材料的硬度、強度、韌性、耐磨性、耐熱性提出了較高（gāo）的要求。常用的刀具（jù）材料有碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼、硬質（zhì）合金（鎢鈷類、鎢鈦類）、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（qí）具有（yǒu）優良的性能而在實際生產中得到了（le）廣（guǎng）泛的應用。

      （2） 高速鋼

      高（gāo）速鋼按用途（tú）和性（xìng）能可分為高性能高速鋼和通（tōng）用高速鋼， 它（tā）是一種以鎢、鉬、鉻（gè）、釩， 有時還有鈷為主要合金元素的高碳高合金萊氏體（tǐ）鋼，WC=0.70%～1.25%， 其主要特點為（wéi）紅硬性高。它在高（gāo）速切削產生高熱情（qíng）況下（約500℃） 仍能保持較（jiào）高的硬度， HRC≥60， 彌補了碳素工具鋼的致命缺點。高速鋼因其（qí）具有（yǒu）良好的機械綜合性能而得以廣泛的應用， 常被用來做精（jīng）車刀、銑刀、鉸刀、拉（lā）刀、麻花鑽， 經熱處理後的使用硬度可達HRC63 以上（shàng）。但是（shì）近年來（lái）在發達國家中高（gāo）速（sù）鋼（gāng）的產量卻（què）在逐年（nián）減少， 大有被硬（yìng）質合金（jīn）取代之勢。

      （3） 硬質合金

      硬質合金是使用最廣泛的一類高（gāo）速加工（HSM） 刀具材料， 由硬質碳化物（通常（cháng）為碳化鎢（wū）WC、TiC 等） 微米級粉末顆粒和質地較軟的金屬結合（hé）劑（Co） 通過粉末（mò）冶金（jīn）工藝生產的ⅣB、ⅤB、ⅥB 族金（jīn）屬的碳化物、氮化物、硼化物等（děng），由於（yú）硬度和熔（róng）點特（tè）別（bié）高（gāo）， 統稱為硬（yìng）質合金。硬質合金常溫（wēn）下硬度高（86HRA~93HRA， 相當於（yú）69HRC~81HRC）， 熱硬性強於高速鋼（gāng）（可達900℃~1000℃， 保持60HRC）， 切削速度可達220m/min~300m/min。硬質合金通常分（fèn）為： 切削鑄鐵（tiě）的（de）鎢鈷係列（K 類， YG 類）、切削鋼材（cái）的鎢鈦鈷係列（liè）（P 類， YT 類）， 還（hái）有通用係列（M類， YW 類（lèi））。新型硬質合金有六類： 添加TaC和NbC 的硬（yìng）質合金、細晶粒和超細晶粒硬質合金、TiC 基和Ti （C， N） 基硬質合金、添加稀土元素（Ce、Y） 硬質合金、表麵塗層硬質合金（CVD 化學氣相沉積技術、PVD 物理氣相沉（chén）積）及梯（tī）度硬質合金。由於塗層技術的發展， 以硬質合金（jīn）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可（kě）提（tí）高合金的硬度和耐磨性， 適當增加鈷含量後還可以提高抗彎強度。硬質合金在發達國家的市場比重近70%，呈現出代替（tì）高（gāo）速（sù）鋼的趨勢。

      （4） 超（chāo）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（mò）氏硬度（dù）可達到10 級， 金剛石（shí）是自（zì）然界中最硬的物質， CBN 的硬度僅次於金剛石， 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實行超精密切削， 對硬脆材料在切削加工上有（yǒu）著巨大（dà）的（de）優勢。

      4 塗層技術現況及（jí）發展

      刀具表麵塗層（céng）技術是應市（shì）場需（xū）求發展起來的一種優質表麵改性技術， 把基體的高強度（dù）和（hé）韌性與表層的高硬度和耐磨性結合起來， 從（cóng）而使切削刀具獲得優良的綜合機（jī）械性能， 並具有更好的切削效果。

      （1） CVD 技術

      CVD 技術（shù）即化學氣相沉積法， 自（zì）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（róng）易。國際上CVD 技術日（rì）趨成（chéng）熟， 提高了塗層與基體的結合強度， 其（qí）薄膜厚度可達7μm~9μm； 塗層（céng）材料已（yǐ）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等多元複合塗層的發展階（jiē）段， 最新發展了TiN/NbN、TiN/CN 等（děng）多元（yuán）複合薄膜材料， 使刀具塗層的性能有了很（hěn）大提高。TiCN 可降低塗層的內應力， 提高塗層的韌性， 增加塗層（céng）的厚度， 阻止（zhǐ）裂紋的擴散， 減少刀具崩刃。TiAlN 化學穩（wěn）定性好， 比TiN 塗層刀具提高壽命（mìng）3 倍~4 倍。滲氧的氮碳化鈦TiCNO 具有很高的顯微硬（yìng）度和化學穩定（dìng）性， 可以產生相當於TiC+Al2O3複合塗層的作用。

      （2） 超硬塗（tú）層

      一些過渡金屬氮化物、碳化物、硼化物以及它們的多元複（fù）合化合物， 有的具有相當高的硬（yìng）度， 這些材料都可（kě）以開（kāi）發出來並應用於塗層刀具， 將會使塗層刀具的性能有（yǒu）新的突破。金剛石晶體是立方晶係， 屬Fd3m 空間群。利（lì）用熱絲（sī）法， 等離（lí）子體（tǐ）增強化學氣相沉（chén）積（PECVD）， 包括微（wēi）波（ PCVD） 、電子回旋共振（ ECR -PCVD）、直流和射頻（PCVD） 等方法， 以及直流和高頻電弧放電熱等離子體法， 實現抑製石墨相， 促進金（jīn）剛石相生長， 在硬（yìng）質合金刀具表（biǎo）麵沉（chén）積金剛石薄膜。CBN 薄膜中BN 有三種異構體，而其中的BN 和CBN 中（zhōng）， B、N 原子（zǐ）都要被形成四配位結構， 它們都是超硬材料， 硬度和導熱率方麵僅次於金剛石， 熱穩定性極好。用（yòng）高溫高壓方法得到的CBN 是顆粒狀晶體， 最高顯微硬度（dù）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（gāng）石薄膜。但其生產中（zhōng）依然有著需要（yào）克服的難題（tí）（反應機製、成膜過程、設備（bèi）開發、工藝環境等）。

      （3） 超（chāo）硬塗層優勢（shì）和（hé）加工要求

      超硬塗層的刀（dāo）具由於膜層超硬化合物的硬度（dù）高、熔點（diǎn）高及熱化學穩定性優良， 其磨損量小。納米技術（shù）的運（yùn）用， 使其強度更高， 並可有效（xiào）地控製精密刀具刃口形狀及精（jīng）度， 其加（jiā）工精度毫不遜色於未塗層刀具。塗（tú）層刀片擁（yōng）有普通刀具（jù）1.5倍~3 倍壽命（mìng）， 它的（de）幹式（shì）銑削比濕式銑削更穩定（dìng）。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（fèn）將複雜化（huà）並更具針對性。每單層成分瘦身、納米化（huà）， 使塗（tú）層溫度降低， 預計PVD、MT-CVD 工藝將會成為主流。優質塗層的獲（huò）取對鍍（dù）膜條件、工藝參數、鍍（dù）前基體預處理有著嚴格的要求。刀具表麵的狀態影響著塗（tú）層的附著力， 所（suǒ）以在被鍍工件鍍膜前需（xū）檢查其表麵有無其他膜層、燒斑、鏽（xiù）斑、油汙等。此外， 工件要經過嚴格的噴砂和去油清（qīng）洗， 當（dāng）使用等離子體增強化學氣（qì）相沉積（jī）法（PECVD） 製取金剛石塗層前， 還（hái）要對被鍍工（gōng）件進行離（lí）子轟擊清洗。同時塗層刀具對刀具（jù）幾何形狀（zhuàng）提出了新（xīn）的要求。刀具幾何形狀的改（gǎi）進， 如前角、排屑空間等， 應集中在排屑能力（lì）上（shàng）， 以適應在更高的（de）進（jìn）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（lěng）卻、排除切屑的目的， 現代（dài）金屬切削加工中（zhōng）通常使（shǐ）用切削液（yè）， 在（zài）提高零（líng）件表麵加工（gōng）質量， 提高刀具壽命， 提高效率方麵起到了重要作用。切削液作為金屬加工（gōng）的重要配套材料（liào）可分為油基切削液、半（bàn）合成切削液以及合成切削液。雖然切削液在現代金屬（shǔ）切削加工中有著種種益處， 但是在實際使用過程中也存在著不可忽視的問題。

      1） 切削液的腐蝕問題。由於切削液的pH 值過高或過低， 會對加工零件（jiàn）表麵產生腐蝕， 影響表麵（miàn）加工精度。所以應根據金屬（shǔ）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（yào）使用防鏽液， 控製細菌（jun1）的數量， 避免細菌的產生。

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

導致其變黑發臭， 並釋放出SO2， 具有臭雞蛋味。為避（bì）免切削液的變質（zhì）， 需要較精確（què）的配比濃度及高純度原料， 將切削液pH 值保持在（zài）8.3~9.2 之間。

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

      4） 工人（rén）健康問題。刀具的切削（xuē）部分是在較大的切削力及較高的切削溫度和劇烈的摩擦下進行的（de）， 許多高速加工工序中加入的切削液（yè）會在（zài）高溫下蒸發成煙霧。這些切削液不僅對環境造成了巨大的汙染， 更對操作人員的身體健（jiàn）康帶（dài）來危害。切削液（yè）的pH 值過高還會引起操作者皮膚過（guò）敏。

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

      （2） 幹切技術

      切削液在加工生產（chǎn）中（zhōng）的成本比重從幾（jǐ）十年前的不（bú）到3%上升到16%， 基於經濟以及上述原（yuán）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（le）綠色製造， 保證了企業的經濟效益和（hé）社會效益最優化。

      幹切削（xuē）加工技術是一種加工過程不用或微量（liàng）使用切削液（yè）的加工技術， 是一種對環境汙（wū）染源頭進行控製， 清潔環保的製造工藝（yì）。各種超細晶粒硬質合金、耐高溫材料以及塗層技術的發展， 為幹（gàn）切（qiē）技術提供了（le）有利前提。微量潤滑係統簡單地說就是精密（mì）控製油量的噴油（yóu）裝置， 是將壓縮空氣與極微量的潤滑液混合氣化後噴射到工作區。微量潤滑裝置高效（xiào）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（dé）到廣泛應用。更（gèng）有學者（zhě）將準幹切技術歸為廣義的幹切技術， 即為幹淨、高效、環保的（de）技術。

      幹切技術的出現對刀具提出了更高的要求：

      1） 具有優良紅硬（yìng）性（xìng）耐磨性。幹切由於缺少冷卻液， 其切削溫（wēn）度比濕切削時高得多（duō）， 紅硬性

高（gāo）的刀具材料才能有效（xiào）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， 抑製切削溫度上升。也可（kě）采用塗層技術降（jiàng）低摩擦係數。

      3） 較高熱化學穩定性。幹切削高溫下， 刀具仍（réng）然保持較高化（huà）學穩定性， 降低高（gāo）溫對化學反應（yīng）催化作用， 從而（ér）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， 抑製積屑瘤產生（shēng）， 降低切削溫度， 而（ér）且還有斷屑（xiè）控製切屑流向功能。刀具形狀保證了排屑順暢， 易於散熱。

      目前， 幹切削刀具（jù）的主要材料有超細顆粒硬質（zhì）合金、聚晶金剛石、立方氮化硼、SiC 晶（jīng）須（xū）增韌陶（táo）瓷及納米晶粒陶瓷等。

      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）牌號， 在（zài）高速、高溫的情（qíng）況下可以不用切削（xuē）液， 加工工件的溫度會成倍增加（jiā）。但是（shì）由（yóu）於溫（wēn）度分布均勻， 夾具（jù）和機床溫度很低，從（cóng）而保證了工（gōng）序的（de）質量， 提高了切削效率。對於間（jiān）斷切削， 切削區溫度越（yuè）高， 越不適合用（yòng）切削（xuē）液。除此之外， 選擇正確的機床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（yǐ）需要保證機（jī）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的加（jiā）工由濕（shī）加工逐（zhú）步轉（zhuǎn）為幹切削。從日本、美國、德國等發達國（guó）家的（de）工業生產線來看， 幹切技術的（de）應（yīng）用將成為發展主流之一。

      6 結束語

      綜上所述， 刀具的發（fā）展方向將是超（chāo）細晶粒的梯度硬質合金基（jī）體的新型材料與塗層技術的跨領域結（jié）合。切削工藝上， 幹切技（jì）術（shù）的推廣將引發（fā）刀具市（shì）場的變革， 金屬加工行業會（huì）變得更高效、更（gèng）環保、更節能。