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金屬切削加工是用刀具從工件表面切除多余的金屬材料，從而獲得在幾何形狀、尺寸精度、表面粗糙度及表面層質量等方面均符合要求的零件的一種加工方法。其核心問題是刀具切削部分與工件表層的相互作用，即刀具的切削作用和工件的反切削作用。這是切削加工中的主要矛盾，而刀具的切削作用則是矛盾的主要方面。
采用新型刀具實現(xiàn)高效、優(yōu)質、低成本生產是現(xiàn)代企業(yè)提高經(jīng)濟效益的重要途徑。刀具材料的改進是刀具技術發(fā)展的主線。在現(xiàn)有刀具材料的基礎上，通過刀具幾何設計改善切削狀態(tài)也是生產實踐中行之有效的方法。碩朔五金指出：“由于刀具材料的改進，刀具許用切削速度每隔10年提高1倍；而由于刀具結構和幾何參數(shù)的改進，刀具壽命每隔10年幾乎提高2倍?！辈捎眯滦偷毒卟牧峡梢蕴岣叩毒叩那邢餍阅?，而優(yōu)化刀具切削部分的幾何形狀則能充分發(fā)揮新型材料的威力。
現(xiàn)代刀具不僅應能滿足高速切削、干式切削、硬切削、復合切削加工等先進切削技術的需要，而且對產品功能的多樣化、結構的合理化、外觀宣型的美觀等方面也提出了更高要求。但令人遺憾的是長期以來刀具的設計主要依靠經(jīng)驗，依靠嘗試法(try-and-error ) ，這種方法效率低、開發(fā)周期長，顯然已經(jīng)阻礙了新型刀具的開發(fā)和使用，滿足不了先進切削加工技術的需求，迫切需要先進的刀具設計技術。
刀具結構、刀具材料、涂層技術的創(chuàng)新推動著切削加工技術的快速發(fā)展。本文介紹了刀具結構設計、刀具材料和刀具涂層技術的新進展，指出先進刀具發(fā)展的方向，以促進先進刀具的開發(fā)與合理使用，為提高制造業(yè)的加工效率發(fā)揮應有的作用。
刀具結構設計技術
刀具結構設計的特點是空間角度計算難，形狀復雜繪圖難，形狀相同尺寸繁。隨著粉末冶金技術、模具制造技術、五軸聯(lián)動數(shù)控刃磨技術的高度發(fā)展，現(xiàn)代金屬切削刀具的切削部分已可加工成十分復雜的形狀。因此，刀具廠家不斷創(chuàng)新，采用先進的設計技術和專業(yè)應用軟件進行刀具設計。
在生產實際中大量遇到的是各種復雜形狀的刀具。為了斷屑，可轉位數(shù)控刀片的切削部分也設計出具有復雜形狀的刃形和斷屑槽。為建立復雜形狀刀具的三維模型，研究者們采取了2種建模方法：一是綜合法，即等效刀刃法；二是分解法，即微分刀刃法，并將計算機輔助設計(CAD)技術應用于刀具的設計。目前，應用較多的CAD軟件主要有UG、Pro/E、I-DEAS等幾種，有的CAD軟件經(jīng)過企業(yè)的二次開發(fā)，其適用性進一步提高。這些軟件集三維實體造型、平面繪圖、工程分析、數(shù)控加工、零件組裝等模塊于一體，形成較完整的刀具設計軟件系統(tǒng)，具有較強的實體造型與編程功能。計算機輔助設計使得刀具的設計、計算簡便，免去刀具復雜圖形的繪制，并能參數(shù)化快速設計刀具，有利于提高刀具的設計水平。
應用工程分析技術(如有限元)對刀具強度進行數(shù)值模擬分析，可較精確地掌握刀具上各點的受力情況，了解刀具內部應力、應變及溫度的分布規(guī)律，獲得應力、應變及溫度分布圖，并方便地找出危險點。該方法可為改進刀具受力情況、合理設計刀具結構以及對刀具進行失效分析提供理論依據(jù)，為刀具強度和壽命的分析計算提供一種新方法。
隨著制造業(yè)的高速發(fā)展，汽車工業(yè)、航空航天工業(yè)、模具工業(yè)等高技術產業(yè)部門對切削加工不斷提出更高的要求，推動著刀具結構的持續(xù)創(chuàng)新。為汽車工業(yè)流水線開發(fā)的專用成套刀具成為革新加工工藝、提高加工效率、降低加工成本的重要工藝因素，發(fā)揮著重要的作用。模具工業(yè)的發(fā)展促進了多功能面銑刀、各種球頭銑刀、模塊式立銑刀系統(tǒng)、插銑刀、大進給銑刀等高效加工刀具的不斷涌現(xiàn)。為滿足航空航天工業(yè)高效加工大型鋁合金構件的需要，開發(fā)出了結構新穎的鋁合金高速加工面銑刀和立銑刀等先進刀具。與此同時，出現(xiàn)了各種新型可轉位刀片結構，如多功能、多盤、多工位可變角、快換微調的機夾梅花刀，用于車削的高效刮光刀片，形狀復雜的帶前角銑刀刀片，球頭立銑刀刀片，防甩飛的高速銑刀刀片等。
五軸聯(lián)動數(shù)控工具磨床功能的實現(xiàn)使立銑刀、硬質合金鉆頭等通用刀具的幾何參數(shù)進一步多樣化，改變了標準刀具參數(shù)千篇一律的傳統(tǒng)格局，可適應不同的被加工材料和加工條件，切削性能也相應提高。一些創(chuàng)新的刀具結構還可產生新的切削效果，如不等螺旋角立銑刀與標準立銑刀相比，可有效遏制刀具的振動，降低加工表面粗糙度值，增大刀具的切削深度和進給速度。硬質合金絲錐及硬質合金螺紋銑刀的開發(fā)將螺紋加工效率提高到高速切削的水平，尤其是硬質合金螺紋銑刀，不僅加工效率高，而且通用性好，可顯著降低刀具費用。
另外，專業(yè)刀具廠家不斷開發(fā)復合的或專用的刀具，創(chuàng)新加工工藝，充分發(fā)揮機床的功能。微電子、傳感技術的應用和智能刀具的開發(fā)實現(xiàn)了加工過程的主動控制和優(yōu)化。
可見，只有通過先進的刀具結構才能充分發(fā)揮刀具材料和涂層的優(yōu)勢，創(chuàng)新的刀具結構代表了當前刀具結構發(fā)展的方向。
刀具材料
目前使用的刀具材料種類繁多，主要有金剛石、立方氮化硼、陶瓷、金屬陶瓷、硬質合金和高速鋼等。不同刀具材料具有不同的性能，并有其特定的應用范圍。
金剛石
能用作刀具材料的金剛石有4類：天然金剛石、人工合成單晶金剛石、聚晶金剛石和金剛石涂層。
天然金剛石是最昂貴的刀具材料，由于天然金剛石可以刃磨成最鋒利的切削刃，主要應用在超精密加工領域，如加工微機械零件、光學鏡面、導彈和火箭中的導航陀螺、計算機硬盤芯片等。人工合成單晶金剛石刀具有很好的尺寸、形狀和化學穩(wěn)定性，主要用來加工木材，如加工高耐磨Al2O3 涂層的木地板。聚晶金剛石是以鈷作為粘結劑，在高溫高壓下(約507MPa ，幾千攝氏度)由金剛石微粉壓制而成的。聚晶金剛石刀具具有優(yōu)異的耐磨性，可用來切削有色金屬和非金屬材料，精加工難加工材料，如硅鋁合金和硬質合金等。
立方氮化硼
立方氮化硼(CBN)與聚晶金剛石一樣，也是在高溫高壓下人工合成的，其多晶結構和性能也與金剛石類似，具有很高的硬度和楊氏模量，很好的導熱性，很小的熱膨脹，較小的密度，較低的斷裂韌性。此外，立方氮化硼具有卓越的化學和熱穩(wěn)定性，同鐵族元素幾乎不發(fā)生反應，這一點要優(yōu)于金剛石。因此，加工黑色金屬時多選用立方氮化硼而不用金剛石。聚晶立方氮化硼(PCBN)特別適合于加工鑄鐵、耐熱合金和硬度超過HRC45的黑色金屬(如發(fā)動機箱體、齒輪、軸、軸承等汽車零部件)。PCBN刀具適合于高速干切削，可以用2O00m/min以上的速度高速加工灰鑄鐵。PCBN刀具在高速硬切削方面的應用也比較廣泛，尤其是精加工汽車發(fā)動機上的合金鋼零件，如硬度65 之間HRC6O～65之間的齒輪、軸、軸承，而這些零部件過去是靠磨削來保證尺寸精度和表面質量的。
CBN的力學和熱學性能受粘結相的種類及其含量的影響。粘結相有鈷、鎳或碳化鈦、氮化鈦、氧化鋁等，CBN 的顆粒大小和粘結相種類影響到其切削性能。低CBN 含量(質量分數(shù)，下同，50%～65%)的PCBN 刀具主要用來精加工鋼(HRC45～65) ，而高CBN 含量(80%～90%)的PCBN 刀具用來高速粗加工、半精加工鎳鉻鑄鐵，斷續(xù)加工淬硬鋼、燒結金屬、硬質合金、重合金等。
不含粘結相的CBN 正在研制當中，通過控制合成條件使CBN顆粒更微細，微細顆粒的CBN 即使在高溫下也具有高熱導率、極高熱穩(wěn)定性、高硬度和高強度。無粘結相的CBN可望成為下一代刀具材料。
陶瓷
按化學成分，陶瓷刀具材料可分為氧化鋁基陶瓷、氮化硅基陶瓷、賽阿龍(復合氮化硅—氧化鋁)陶瓷三大類。
氧化鋁基陶瓷具有良好的化學穩(wěn)定性，與鐵系金屬親和力很小，因此不易發(fā)生粘結磨損。氧化鋁在鐵中的溶解度只有WC在鐵中溶解度的1/5 ，因此，氧化鋁基陶瓷擴散磨損小，同時它的抗氧化能力強。然而，氧化鋁基陶瓷的強度、斷裂韌度、導熱系數(shù)和抗熱震性較低。氧化鋁基陶瓷刀具在高速切削鋼時具有比氮化硅陶瓷刀具更優(yōu)越的切削性能。
與氧化鋁陶瓷相比，氮化硅基陶瓷具有較高的強度、斷裂韌度和抗熱震性能，較低的熱脹系數(shù)、楊氏模量和化學穩(wěn)定性，與鑄鐵不易發(fā)生粘結，因此，氮化硅基陶瓷刀具主要用于高速加工鑄鐵。
賽阿龍?zhí)沾傻毒呔哂休^高的強度、斷裂韌度、抗氧化性能、導熱率、抗熱震性能和抗高溫蠕變性能。但是熱膨脹系數(shù)較低，不適合加工鋼，主要用來粗加工鑄鐵和鎳基合金。
為了進一步改進陶瓷刀具加工新材料時的切削性能和抗磨損性能，研究人員開發(fā)了碳化硅晶須增韌陶瓷材料(包括氮化硅基陶瓷和氧化鋁基陶瓷材料)，增韌后的陶瓷刀具高速切削復合材料和航空耐熱合金(鎳基合金等)時的效果非常好，但不適合加工鑄鐵和鋼。
陶瓷刀具的制造方法有熱壓法和冷壓法兩大類。熱壓法是將粉末狀原料在高溫高壓下壓制成餅狀，然后切割成刀片；冷壓法是將原材料粉末在常溫下壓制成坯，再經(jīng)燒結成為刀片。熱壓法陶瓷刀具質量好，是目前陶瓷刀具的主要制造方法，冷壓法可制造表面形狀較復雜或帶孔的陶瓷刀具。
TiC(N)基硬質合金
TiC(N)基硬質合金(即金屬陶瓷)密度小，硬度高，化學穩(wěn)定性好，對鋼的摩擦系數(shù)較小，切削時抗茹結磨損與抗擴散磨損的能力較強，具有較好的耐磨性。金屬陶瓷刀具適于高速精加工碳鋼、不銹鋼、可鍛鑄鐵，可以獲得較好的表面粗糙度。
常用的金屬陶瓷有：(1)碳化鈦基高耐磨性的TiC+Ni或Mo，高斷裂韌度的TiC+WC+TaC+Co; (2) 增韌氮化鈦基金屬陶瓷；(3)碳氮化鈦基高耐磨和抗熱震性的TiCN+NbC。
硬質合金
硬質合金是高硬度、難熔的金屬化合物粉末(WC、TiC等)，用鈷或鎳等金屬做黏結劑壓坯、燒結而成的粉末冶金制品。硬質合金刀具材料的問世，使切削加工水平出現(xiàn)了一個飛躍。硬質合金刀具能實現(xiàn)高速切削和硬切削。為滿足各種難加工材料的切削要求，開發(fā)了許多硬質合金加工技術，研制出多種新型硬質合金，方法是：采用高純度的原材料，如采用雜質含量低的鎢精礦及高純度的三氧化鎢等．采用先進工藝，如以真空燒結代替氫氣燒結，以石蠟工藝代替橡膠工藝，以噴霧或真空干燥工藝代替蒸汽干燥工藝；改變合金的化學組分。調整合金的結構；采用表面涂層技術。研制出的新型硬質合金有添加鉭、鈮的硬質合金、細晶粒與超細晶粒硬質合金，添加稀土元素的硬質合金等。
在晶粒尺寸為0.2～1µm 的碳化鎢硬質合金晶粒中加人更高硬度(HRA90～93)和強度(2000～3500MPa ，最高5000MPa)的TaC, NbC等顆粒，可以制成整體超細晶粒硬質合金刀具或可轉位刀片。晶粒細化后，硬質相尺寸變小，粘結相更均勻地分布在硬質相周圍，可以提高硬質合金的硬度與耐磨性，能顯著提高刀具壽命。如適當增加鈷含量，還可以提高抗彎強度。這種刀具可以高速切削鐵族元素材料、鎳基和鈷基高溫合金、鈦基合金、耐熱不銹鋼、焊接材料和超硬材料等。
高速鋼
普通高速鋼是用熔融法制造的，在加工效率和加工質量要求日益提高的先進切削加工中，普通高速鋼的性能已嫌不足。20世紀后期，逐步出現(xiàn)了許多高性能高速鋼，新型高速鋼在普通高速鋼的基礎上，通過調整基本化學成分，并添加其他合金元素，使其常溫和高溫機械性能得到顯著提高。用作刀具材料的高性能高速鋼有高碳高速鋼、高鈷高速鋼、高釩高速鋼和含鋁高速鋼等。
粉末冶金高速鋼是將高頻感應爐熔煉出的鋼液，用高壓氖氣或純氮噴射霧化，再急冷得到細小均勻結晶粉末，或用高壓水噴霧化形成粉末，所得到的粉末在高溫高壓下熱等靜壓制成粉末冶金高速鋼刀具。與傳統(tǒng)高速鋼相比，粉末冶金高速鋼沒有碳化物偏析的缺陷，且晶粒尺寸小，因此抗彎強度和韌性高，硬度高，適用的切削速度較高，刀具壽命較長，并可加工較硬的工件材料。
刀具涂層技術與涂層材料
切削加工對刀具材料的性能要求非常高，刀具切削刃承受高溫(300～1200 ℃)、高壓(100～10000N/mm2)、高速(1～30m/s)和大應變率(103～107/s) ，因此要求刀具既要有高的硬度和抗磨損性能，又要有高的強度和韌性，而涂層刀具是解決這一矛盾的最佳方案之一。涂層刀具是在具有高強度和韌性的基體材料上涂上一層耐高溫、耐磨損的材料。涂層材料及基體材料之間要求粘結牢固，不易脫落。涂層技術以其效果顯著、適應性好、反應快等特點，將對今后刀具性能的提高和切削技術的進步發(fā)揮十分重要的推動作用。
目前，常用的刀具涂層方法有化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、等離子體化學氣相沉積(PCVD)、鹽浴浸鍍法、等離子噴涂、熱解沉積涂層及化學涂敷法等，其中以CVD 和PVD應用最為廣泛?；瘜W氣相沉積法是在1000 ℃ 高溫的真空爐中，通過真空鍍膜或電弧蒸鍍將涂層材料沉積在刀具基體表面，沉積一層15µm厚的涂層約需4h 。在目前的切削加工刀具中，采用化學氣相沉積涂層并經(jīng)鈷強化的刀片占40～50%。
物理氣相沉積法與化學氣相沉積法類似，只不過物理氣相沉積是在500 ℃左右完成的。物理氣相沉積法起先應用在高速鋼上，后來也應用在硬質合金刀具上。化學氣相沉積法大多是多層涂層，而物理氣相沉積法則可以是單涂層與多層涂層。PVD 法有電弧發(fā)生等離子體氣相沉積法、等離子槍發(fā)射電子束離子鍍法、中空陰極槍發(fā)射電子束離子鍍法、e形槍發(fā)射電子束離子鍍法等，各有特色和優(yōu)缺點。近來PVD的進展尤為引人注目，多種工藝競相推出各種不同功能的多元、多層、復合涂層，大大擴展了涂層的應用范圍，涂層新品種開發(fā)的速度明顯加快，隨著梯度結構、納米結構涂層的開發(fā)，涂層的性能取得了新的突破。
涂層硬質合金刀具具有以下優(yōu)點：(1)表層的涂層材料具有極高的硬度和耐磨性，若與無涂層的硬質合金相比，涂層硬質合金允許采用較高的切削速度，從而提高了加工效率，或能在同樣的切削速度下大幅度地提高刀具壽命。(2)涂層材料與被加工材料之間的摩擦系數(shù)較小，若與無涂層的硬質合金相比，涂層硬質合金的切削力有一定降低，已加工表面質量較好。(3)由于綜合性能好，涂層硬質合金刀具有較好的通用性和較寬的適用范圍。硬質合金涂層最常用的方法是高溫化學氣相沉積法(HTCVD) ，用等離子體化學氣相沉積法(PCVD)在硬質合金表面涂敷涂層的工藝也得到了應用。
由于CVD法的涂敷溫度在1000 ℃以上，因此不適宜于高速鋼刀具的涂敷涂層，高速鋼刀具基體用PVD方法涂層，一般涂層材料用TiC、TiN等，但多采用TiN。涂敷涂層后的高速鋼刀具表面有硬層，耐磨性好，與被加工材料之間的摩擦系數(shù)小，基體材料的韌性不降低。與無涂層的高速鋼刀具相比，有涂層的高速鋼刀具在同樣切削條件下的切削力可降低5%～10%。由于涂層材料有熱屏障作用，刀具基體切削部分的切削溫度有所降低，工件己加工表面粗糙度值下降，刀具使用壽命顯著提高。
最常見的3種涂層材料是氮化鈦(TiN)、碳氮化鈦(TiCN)和氮鋁化鈦(TiAIN)。其中，20世紀80年代出現(xiàn)的氮化鈦涂層應用最廣泛，其涂層顏色為金黃色，容易辨認。氮化鈦涂層可增加刀具表面的硬度和耐磨性，降低摩擦系數(shù)，減少積屑瘤的產生，延長刀具壽命。氮化鈦涂層刀具適合于加工低合金鋼和不銹鋼。碳氮化鈦涂層表面為灰色，硬度比氮化鈦涂層要高，耐磨性更好。與氮化鈦涂層相比，碳氮化鈦涂層刀具能在更大的進給速度及切削速度下加工(分別比氮化鈦涂層高出40%和60%) ，工件材料去除率更高。碳氮化鈦涂層刀具可以加工各種工件材料。氮鋁化鈦涂層呈現(xiàn)灰色或黑色，主要涂在硬質合金刀具基體表面上，切削溫度達800 ℃ 時仍能進行加工，適合于高速干切削。干切削時切削區(qū)的切屑可以用壓縮空氣清除。氮鋁化鈦適合加工淬硬鋼、鈦合金、鎳基合金、鑄鐵和高硅鋁合金等脆性材料。
化學氣相沉積金剛石涂層刀具適合于高速加工鋁及其他有色金屬，如紫銅、黃銅、青銅；還可以用來加工石墨制品和復合材料(如碳一碳增強塑料、玻璃纖維增強塑料、酚醛樹脂等)。CVD金剛石薄膜涂層刀具常應用于復雜形狀的刀具，如帶斷屑槽的刀片、整體立銑刀、刨刀、鉆頭等。金剛石厚膜涂層刀具常用來高速切削過共晶鋁合金。金剛石涂層立銑刀采用超細顆粒硬質合金基體和CVD金剛石涂層，適用于高速加工鋁合金和石墨等非金屬材料。
陶瓷具有良好的物理化學特性：高耐磨性、耐高溫、耐腐蝕性能。因此，將基體材料的優(yōu)點和陶瓷材料優(yōu)異的性能相結合制成的涂層刀具哇能更好，與普通涂層刀具相比，降低了摩擦系數(shù)，從而更加耐磨，刀具壽命延長。
最新研制的硬涂層有氮化碳涂層(CNx)，類金剛石涂層(DLC) , AlCrN涂層等；適用于硬切削的TiSiN涂層，有潤滑性的CrSiN涂層，有超強耐氧化能力的AlCrSiN涂層等；還有其他氮化物涂層(TiN/NbN、TiN/VN 、TiBoN)，硼化物涂層(TiB2、CBN)等，這些涂層刀具有良好的高溫穩(wěn)定性，適合高速切削使用。
物理氣相沉積法與化學氣相沉積法相結合可開發(fā)出新的涂層刀具，內層應用化學氣相沉積法涂層可以形成與基體間的高粘結能力，外層應用物理氣相沉積法涂層可降低切削力，使刀具適用于高速切削。
刀具涂層技術的進展還體現(xiàn)在納米涂層的實用化方面。將上百層每層幾納米厚的材料涂在刀具基體材料上稱為納米涂層，納米涂層材料的每一個顆粒尺寸都非常小，因此晶粒邊界非常長，從而具有很高的高溫硬度、強度和斷裂韌性。納米涂層的維氏硬度可達HV2800～3000，耐磨性能比亞微米材料提高5%～50%。據(jù)報道，目前己開發(fā)出碳化鈦和碳氮化鈦交替涂層達到62層的涂層刀具和400層的TiAlN—TiAlN/Al2O3納米涂層刀具。
與以上硬涂層相比，在高速鋼上涂硫化物(MoS2, WS2)稱為軟涂層，主要應用于高強度鋁合金、鈦合金和一些稀有金屬的切削。
總結：
刀具設計是刀具幾何結構、切削材料及涂層之間的和諧組合。只有不斷推出先進的刀具設計技術，促進新型刀具的開發(fā)和使用，才能滿足先進切削加工技術的發(fā)展需求。當前，世界制造業(yè)正經(jīng)歷著一場深刻的戰(zhàn)略險重組，歐美以及日、韓等發(fā)達國家和地區(qū)在全球范圍內進行著新一輪制造業(yè)資源的優(yōu)化配置，中國已經(jīng)成為發(fā)達國家和地區(qū)制造業(yè)大規(guī)模轉移和搶灘登陸的重要市場。但是我國的制造技術，特別是切削加工水平與國外相比還有很大的差距，發(fā)展先進切削加工技術，特別是刀具設計技術，提高加工效率，建設制造強國的重任責無旁貸地落在切削加工技術研究人員和工作者的肩上。只要我們高度重視先進切削加工技術的發(fā)展和創(chuàng)新，并為之不懈努力，制造業(yè)強國的目標一定能實現(xiàn)！
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