金属切削工具发展应用概览

 1 刀具的发展历史简述

      刀具的出现和发展在人类历史上有着重要的地位， 公元前28 世纪～20 世纪， 我国就已出现铜质刀具。战国后期出现了渗碳技术， 制成了铜质刀具， 其中尤以秦国青铜长剑为代表。随后我国陆续出现了铁质， 乃至钢制的刀具， 但是由于这些刀具的制造多由工人手工完成， 所以刀具发展缓慢。随着蒸汽机时代的到来， 1783 年~1864 年欧洲出现铣刀、丝锥、板牙和麻花钻。当时的刀具是用整体高碳工具钢制造的， 切削速度约为5m/min； 1868 年， 含钨合金工具钢（穆舍特·英） 切削速度提高到约8m/min； 1898 年，高速工具钢（泰勒、怀特·美） 切削速度提高两倍以上； 1923 年， 硬质合金（施勒特尔·德） 其切削速度又比高速钢切削提高两倍以上， 切削加工出的工件表面质量和尺寸精度也大大提高；1969 年， 瑞典山特维克钢厂获得用化学气相沉积法（CVD） 生产碳化钛涂层硬质合金刀片的专利。1972 年， 美国的邦沙和拉古兰发明了物理气相沉积法， 在硬质合金或高速钢刀具表面涂覆碳化钛TiC 或氮化钛TiN 硬质层， 由此开启了CVD 的时代。

 2 刀具的发展方向估测

      21 世纪的社会产业结构向着循环经济、低碳经济、高效持续经济迅速发展的方向转变。对机械加工提出更高的要求， 也就意味着加工机器、加工工具也将迅速走向高智能化、高精度化、高效率化， 以达到保护环境、节省能源、实现效率最大化的要求。

       高速切削、干切削以其高效、节能、环保的特点， 将逐渐成为金属切削加工的主流。在实际生产过程中，  随着切削加工的自动化水平和加工精度的增加， 要求刀具在高温、高压、高速以及在腐蚀性的流体中工作，  对刀具的硬度、强度、韧性、耐磨性、耐热性等提出了新的苛刻的要求。各种新技术随之而诞生，  主要体现在发展应用新的刀具材料、开发刀具的气相沉积涂层技术、在高韧性高强度的基体上沉积更高硬度的涂层（大幅提高刀具材料硬度与强度）、改良刀具的结构、提高刀具的制造精度、减小生产误差、使刀具的使用实现效率最大化等方面。

3 刀具材料现状

      （1） 现代刀具要求

       由于刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，  所以在切削过程中刀具切削部分要承受较大的切削力、冲击力和振动。同时在切削的过程中会产生剧烈的摩擦， 带来大量的切削热，  故金属切削工艺对刀具材料的硬度、强度、韧性、耐磨性、耐热性提出了较高的要求。常用的刀具材料有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金（钨钴类、钨钛类）、陶瓷材料、立方氮化硼、人造金刚石等。高速钢和硬质合金因其具有优良的性能而在实际生产中得到了广泛的应用。

      （2） 高速钢

      高速钢按用途和性能可分为高性能高速钢和通用高速钢， 它是一种以钨、钼、铬、钒， 有时还有钴为主要合金元素的高碳高合金莱氏体钢，WC=0.70%～1.25%， 其主要特点为红硬性高。它在高速切削产生高热情况下（约500℃） 仍能保持较高的硬度， HRC≥60， 弥补了碳素工具钢的致命缺点。高速钢因其具有良好的机械综合性能而得以广泛的应用， 常被用来做精车刀、铣刀、铰刀、拉刀、麻花钻， 经热处理后的使用硬度可达HRC63 以上。但是近年来在发达国家中高速钢的产量却在逐年减少， 大有被硬质合金取代之势。

      （3） 硬质合金

      硬质合金是使用最广泛的一类高速加工（HSM） 刀具材料， 由硬质碳化物（通常为碳化钨WC、TiC 等） 微米级粉末颗粒和质地较软的金属结合剂（Co） 通过粉末冶金工艺生产的ⅣB、ⅤB、ⅥB 族金属的碳化物、氮化物、硼化物等，由于硬度和熔点特别高， 统称为硬质合金。硬质合金常温下硬度高（86HRA~93HRA， 相当于69HRC~81HRC）， 热硬性强于高速钢（可达900℃~1000℃， 保持60HRC）， 切削速度可达220m/min~300m/min。硬质合金通常分为： 切削铸铁的钨钴系列（K 类， YG 类）、切削钢材的钨钛钴系列（P 类， YT 类）， 还有通用系列（M类， YW 类）。新型硬质合金有六类： 添加TaC和NbC 的硬质合金、细晶粒和超细晶粒硬质合金、TiC 基和Ti （C， N） 基硬质合金、添加稀土元素（Ce、Y） 硬质合金、表面涂层硬质合金（CVD 化学气相沉积技术、PVD 物理气相沉积）及梯度硬质合金。由于涂层技术的发展， 以硬质合金为基体的涂层刀具得到巨大的发展， 尤其是超细晶粒硬质合金在粒细化后可提高合金的硬度和耐磨性， 适当增加钴含量后还可以提高抗弯强度。硬质合金在发达国家的市场比重近70%，呈现出代替高速钢的趋势。

      （4） 超硬刀具材料

      超硬材料是指金刚石和立方氮化硼（CBN）， 金刚石莫氏硬度可达到10 级， 金刚石是自然界中最硬的物质， CBN 的硬度仅次于金刚石， 莫氏硬度9 级。超硬合金多以薄膜覆盖基体（CVD）， 金刚石刀具能对有色金属实行超精密切削， 对硬脆材料在切削加工上有着巨大的优势。

 4 涂层技术现况及发展

      刀具表面涂层技术是应市场需求发展起来的一种优质表面改性技术， 把基体的高强度和韧性与表层的高硬度和耐磨性结合起来， 从而使切削刀具获得优良的综合机械性能， 并具有更好的切削效果。

      （1） 超硬涂层

      一些过渡金属氮化物、碳化物、硼化物以及它们的多元复合化合物， 有的具有相当高的硬度， 这些材料都可以开发出来并应用于涂层刀具， 将会使涂层刀具的性能有新的突破。金刚石晶体是立方晶系， 属Fd3m 空间群。利用热丝法， 等离子体增强化学气相沉积（PECVD）， 包括微波（ PCVD） 、电子回旋共振（ ECR -PCVD）、直流和射频（PCVD） 等方法， 以及直流和高频电弧放电热等离子体法， 实现抑制石墨相， 促进金刚石相生长， 在硬质合金刀具表面沉积金刚石薄膜。CBN 薄膜中BN 有三种异构体，而其中的BN 和CBN 中， B、N 原子都要被形成四配位结构， 它们都是超硬材料， 硬度和导热率方面仅次于金刚石， 热稳定性极好。用高温高压方法得到的CBN 是颗粒状晶体， 最高显微硬度可达84.3GPa， CBN 薄膜的最高显微硬度为61.8GPa， 其综合性能并不亚于金刚石薄膜。但其生产中依然有着需要克服的难题（反应机制、成膜过程、设备开发、工艺环境等）。

      （2） 超硬涂层优势和加工要求

      超硬涂层的刀具由于膜层超硬化合物的硬度高、熔点高及热化学稳定性优良， 其磨损量小。纳米技术的运用， 使其强度更高， 并可有效地控制精密刀具刃口形状及精度， 其加工精度毫不逊色于未涂层刀具。涂层刀片拥有普通刀具1.5倍~3 倍寿命， 它的干式铣削比湿式铣削更稳定。从目前市场的反应来看， 涂层成分向多元化发展是大势所趋， 涂层成分将复杂化并更具针对性。每单层成分瘦身、纳米化， 使涂层温度降低， 预计PVD、MT-CVD 工艺将会成为主流。优质涂层的获取对镀膜条件、工艺参数、镀前基体预处理有着严格的要求。刀具表面的状态影响着涂层的附着力，  所以在被镀工件镀膜前需检查其表面有无其他膜层、烧斑、锈斑、油污等。此外， 工件要经过严格的喷砂和去油清洗， 当使用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD） 制取金刚石涂层前， 还要对被镀工件进行离子轰击清洗。同时涂层刀具对刀具几何形状提出了新的要求。刀具几何形状的改进， 如前角、排屑空间等， 应集中在排屑能力上， 以适应在更高的进给量和更高的速度下切削量的增加。

 5 干切技术的应用

      （1） 切削液的应用及问题

       为了达到润滑、冷却、排除切屑的目的， 现代金属切削加工中通常使用切削液， 在提高零件表面加工质量， 提高刀具寿命，  提高效率方面起到了重要作用。切削液作为金属加工的重要配套材料可分为油基切削液、半合成切削液以及合成切削液。虽然切削液在现代金属切削加工中有着种种益处，  但是在实际使用过程中也存在着不可忽视的问题。

      1） 切削液的腐蚀问题。由于切削液的pH 值过高或过低， 会对加工零件表面产生腐蚀， 影响表面加工精度。所以应根据金属材料选择合适pH值的切削液， 并避免不相似的材料接触， 还要使用防锈液， 控制细菌的数量， 避免细菌的产生。

      2） 切削液的变质问题。由于生产环境或者加工环境， 会有大量厌氧菌和耗氧菌混入切削液中，

导致其变黑发臭， 并释放出SO2， 具有臭鸡蛋味。为避免切削液的变质， 需要较精确的配比浓度及高纯度原料， 将切削液pH 值保持在8.3~9.2 之间。

      3） 切削液的泡沫问题。在金属切削加工过程中， 因为切削液流速过快、液面太低或喷管角度太直， 都会导致产生大量泡沫沉积， 这些都需要对切削液流速、液面和喷管角度加以控制。

      4） 工人健康问题。刀具的切削部分是在较大的切削力及较高的切削温度和剧烈的摩擦下进行的， 许多高速加工工序中加入的切削液会在高温下蒸发成烟雾。这些切削液不仅对环境造成了巨大的污染， 更对操作人员的身体健康带来危害。切削液的pH 值过高还会引起操作者皮肤过敏。

      5） 零件的生产成本大幅度提高。有统计数据表明， 在零件加工总成本中， 切削液费用约占16%， 而刀具费用只占总成本的4%。

      （2） 干切技术

      切削液在加工生产中的成本比重从几十年前的不到3%上升到16%， 基于经济以及上述原因的考虑， 切削液已不得不引起生产经营者的注意。近年来兴起的干切技术实现了绿色制造， 保证了企业的经济效益和社会效益最优化。

       干切削加工技术是一种加工过程不用或微量使用切削液的加工技术， 是一种对环境污染源头进行控制，  清洁环保的制造工艺。各种超细晶粒硬质合金、耐高温材料以及涂层技术的发展，  为干切技术提供了有利前提。微量润滑系统简单地说就是精密控制油量的喷油装置，  是将压缩空气与极微量的润滑液混合气化后喷射到工作区。微量润滑装置高效应用在各种心小孔孔加工标准刀具中，  使得准干切技术得到广泛应用。更有学者将准干切技术归为广义的干切技术， 即为干净、高效、环保的技术。

      干切技术的出现对刀具提出了更高的要求：

      1） 具有优良红硬性耐磨性。干切由于缺少冷却液， 其切削温度比湿切削时高得多， 红硬性

高的刀具材料才能有效地承受切削过程高温， 保持加工精度。

      2） 较低摩擦系数。一定程度上可替代切削液润滑作用， 抑制切削温度上升。也可采用涂层技术降低摩擦系数。

      3） 较高热化学稳定性。干切削高温下， 刀具仍然保持较高化学稳定性， 降低高温对化学反应催化作用， 从而延长刀具寿命。

      4） 具有合理刀具结构几何角度。合理刀具结构几何角度， 不但可以降低切削力， 抑制积屑瘤产生， 降低切削温度， 而且还有断屑控制切屑流向功能。刀具形状保证了排屑顺畅， 易于散热。

      目前， 干切削刀具的主要材料有超细颗粒硬质合金、聚晶金刚石、立方氮化硼、SiC 晶须增韧陶瓷及纳米晶粒陶瓷等。

       随着刀具材料的迅速发展， 新的硬质合金牌号特别是有些涂层牌号， 在高速、高温的情况下可以不用切削液，  加工工件的温度会成倍增加。但是由于温度分布均匀， 夹具和机床温度很低，从而保证了工序的质量， 提高了切削效率。对于间断切削， 切削区温度越高，  越不适合用切削液。除此之外， 选择正确的机床和恰当的装备是非常重要的， 因为速度快、温度高、材料硬，  所以需要保证机床刚性足、马力大。福特汽车厂从2000 年起， 就拟将离合器壳体和变速箱的加工由湿加工逐步转为干切削。从日本、美国、德国等发达国家的工业生产线来看， 干切技术的应用将成为发展主流之一。