切削刀具的硬度、強(qiáng)度和韌性，從刀具材料、工藝及刀具設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了闡述。

　　隨著人類對(duì)資源和環(huán)境的認(rèn)識(shí)，工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域提出了綠色制造和清潔生產(chǎn)的概念。由于機(jī)械產(chǎn)品的制造過程是直接消耗資源和產(chǎn)生廢棄物的主要環(huán)節(jié)，因此綠色加工工藝愈來愈受到重視，并成為未來制造業(yè)的重要發(fā)展方向之一。

　　目前切削加工工藝的綠色化主要集中在不使用切削液。干切削是消除切削液污染，實(shí)現(xiàn)清潔化生產(chǎn)的有效途徑。機(jī)械制造企業(yè)逐步取消切削液，選用干式加工，主要是出于經(jīng)濟(jì)和環(huán)境兩方面的考慮：經(jīng)濟(jì)方面，據(jù)德國(guó)統(tǒng)計(jì)資料表明，使用切削液的費(fèi)用占總成本的14%——17%，而切削刀具消耗的費(fèi)用僅占制造成本的3%——4%;另據(jù)美國(guó)Balyers公司統(tǒng)計(jì)顯示，切削液消耗是刀具費(fèi)用的3——4倍。

　　環(huán)境方面，切削液的使用會(huì)使長(zhǎng)期暴露在空氣中的磨削液、合成切削液，尤其是霧狀切削液對(duì)操作者的健康造成損害，同時(shí)還會(huì)造成工作場(chǎng)地、局部環(huán)境(水，氣，土壤等)污染。近年來，美國(guó)在制造業(yè)廣泛采用了干式加工。在歐洲已有一半的企業(yè)采用了干切削加工技術(shù)，尤其在德國(guó)，應(yīng)用更為廣泛。

　　研究表明，干切削技術(shù)的發(fā)展在很大程度上要依賴于新型刀具的開發(fā)與應(yīng)用。

　　2干切削刀具的關(guān)鍵技術(shù)干切削加工時(shí)刀具要承受比濕切削更高的溫度，干切削加工是要在沒有切削液時(shí)創(chuàng)造具有與濕切削相同或相近的切削條件，刀具與切屑和刀具與工件接觸面間的摩擦系數(shù)要盡可能小，而且還要求刀具能夠斷屑和有利于排屑，因此，對(duì)刀具提出了更高的要求，其關(guān)鍵技術(shù)主要有以下幾個(gè)方面：刀具應(yīng)有更高的強(qiáng)度和耐沖擊韌性可選擇適宜干切削的刀具材料，如超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金、陶瓷和金屬陶瓷刀具材料、金剛石和CBN等;也可在高速鋼、硬質(zhì)合金基體上進(jìn)行適宜的涂層，如TAIN涂層、HCN涂層、TiAIN+M8涂層、類金剛石DLC(DiamoncMike-Carbon)涂層等;還可以改進(jìn)刀具設(shè)計(jì)、工藝等，以提高刀具的強(qiáng)度和耐沖擊韌性。

　　切屑和刀具之間的摩擦系數(shù)要盡可能小干切削加工時(shí)，在切削區(qū)產(chǎn)生的高溫將導(dǎo)致化學(xué)不穩(wěn)定性增加、刀具與切屑之間的摩擦增大、排屑速度減慢、極易產(chǎn)生積屑瘤、加劇刀具磨損等。因此，須減小切屑和刀具之間的摩擦系數(shù)，有效的方法就是進(jìn)行刀具表面涂層，并設(shè)計(jì)排屑良好的刀具結(jié)構(gòu)。

　　刀具的結(jié)構(gòu)要能快速排屑干切削加工中，為了保證工件加工質(zhì)量和刀具壽命，要求刀具能快速排出切屑，使傳入工件和刀具的熱量大大減少。

　　刀具應(yīng)具有優(yōu)異的耐高溫性能一方面，選擇有足夠的耐高溫磨損性能，適宜在干切削條件下使用的刀具材料，如新性能硬質(zhì)合金、聚晶陶瓷和CBN等;另一方面，對(duì)刀具進(jìn)行涂層也是有效的方法，涂層在切削過程中的作用如同在刀具與切屑之間增加了一道力和熱的隔離層，可阻止熱量傳遞到刀具基體，保證刀具切削刃鋒利，使刀頭硬度不會(huì)很快下降，可大大提高其耐高溫性能。生產(chǎn)實(shí)踐證明，盡管在干切削中還不能將切削區(qū)產(chǎn)生的熱量完全隨切屑排出，但只要合理選擇刀具材料、幾何形狀、切削參數(shù)，就能使絕大部分切削熱隨切屑排出，取得良好的加工效果。

　　因此，干切削加工須合理選擇刀具材料及結(jié)構(gòu)。本文僅就關(guān)鍵技術(shù)之一的刀具補(bǔ)強(qiáng)增韌技術(shù)進(jìn)行探討。

　　3補(bǔ)強(qiáng)增韌途徑涂層刀具是當(dāng)今干切削加工最常用的刀具，基體一般是韌性較好的硬質(zhì)合金，在基體上涂上一層或多層TiN、TiC、TiAIN之類的耐磨硬涂層，起耐熱和隔熱的屏障作用。為減少切削過程中的摩擦與粘附，往往又在硬涂層之上再加Mo+、WC之類起潤(rùn)滑作用的軟涂層，使其集硬涂層的硬度高、熱穩(wěn)定性好和軟涂層的摩擦系數(shù)低、自潤(rùn)滑性好的優(yōu)點(diǎn)于一身。資料顯示，在合金鋼材料上干鉆盲孔(孔深為直徑的4倍)，無涂層的鉆頭干鉆1個(gè)孔就損壞了，涂有TiAIN硬涂層的鉆頭干鉆85個(gè)孔才失效，涂有TiAIN加―C復(fù)合涂層的鉆頭則可以加工108個(gè)孔。

　　3.1.1傳統(tǒng)涂層方法在傳統(tǒng)涂層里，不同的涂層材料根據(jù)磨損模型可以進(jìn)行多層結(jié)構(gòu)的組合和優(yōu)化。內(nèi)部(中間)涂層通常保證良好的抗后刀面磨損。最常用的中間層是Ti(C，N)，主要用于中溫化學(xué)氣相沉積。AI23常用在中間層的上面，起降低前刀面月牙洼磨損的作用，又可起到熱屏障作用。一層薄的TiN通常沉積在復(fù)合涂層的頂面使刀具呈金黃色，有助于防止磨損。

　　3.1.2新型納米涂層刀具為了改善刀具的切削性能，增加刀具的硬度、強(qiáng)度和韌性，新的刀具涂層材料及涂覆層出不窮，納米涂層是其中較成功的一種。這種涂層可采用多種涂層材料的不同組合，諸如金屬/金屬組合、金屬/陶瓷組合、陶瓷/陶瓷組合、固體潤(rùn)滑劑/金屬組合等，以滿足不同的功能和性能要求。設(shè)計(jì)合理的納米涂層可使刀具的硬度、強(qiáng)度和韌性顯著增加，使其具有優(yōu)異的抗摩擦磨損及自潤(rùn)滑性能，適用于各種干切削加工。

　　由摩擦、潤(rùn)滑和磨損的觀點(diǎn)看，硬質(zhì)合金刀具的多層納米涂層可分為四類：(1)硬/硬組合：碳化物、硼化/軟組合：碳化物/金屬組合，如B4C/W、SiC/A、SiC/WSiC/Ti等。(3)軟/軟組合：金屬/金屬組合，如Ni/Cu等。(4)具有潤(rùn)滑性能的軟/軟組合：固體潤(rùn)滑劑/金屬組合，如MS/Mo、W+/W、TaS/Ta、MoS/AI-Mo等。這些復(fù)合涂層每層由兩種材料組合而成，厚度僅為幾納米。根據(jù)切削性能需要及涂層性質(zhì)，可交互疊加涂覆上百層，總厚度可達(dá)2!!。2新型陶瓷刀具陶瓷刀具由于具有高耐熱性和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，非常適合于干切削。但陶瓷材料脆性大、強(qiáng)度及韌性差等固有的特性卻在很大程度上限制了它在干切削中的應(yīng)用。新型陶瓷材料的開發(fā)較好地解決了這一難題。

　　3.2.1低溫?zé)Y(jié)微細(xì)高純陶瓷提高陶瓷材料強(qiáng)度及韌性最有效的方法是減小陶瓷晶粒尺寸，提高材料純度。在陶瓷刀片制造過程中，特別在高溫?zé)Y(jié)時(shí)，存在晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象。為遏制晶粒長(zhǎng)大，常在陶瓷粉末中加入MgO作為抑制劑，但該氧化物燒結(jié)后形成玻璃相，沉積于晶界處，使晶界分離，從而降低了晶界強(qiáng)度，且易產(chǎn)生晶間碎裂。如能在低溫下燒結(jié)陶瓷，則無須添加抑制劑就可避免上述現(xiàn)象，提高陶瓷刀片性能。

　　一種微細(xì)顆粒(0.22!m)、高純度(99.99%)的新型氧化鋁陶瓷粉末用于制造陶瓷刀片。這種微細(xì)粉末具有很大的比表面積(15.1m2/g)，壓實(shí)時(shí)具有極大的表面能，在此能量作用下，燒結(jié)時(shí)所需溫度明顯降低，在1230.時(shí)即可充分燒結(jié)，這就意味著燒結(jié)時(shí)無須添加抑制劑，從而使晶界處無雜質(zhì)存在。

　　3.2.2碳化物陶瓷-金屬復(fù)合材料由于陶瓷材料的固有脆性限制了它們的應(yīng)用，在陶瓷中引入纖維、晶須、顆粒及其他第二相材料提高其強(qiáng)度、斷裂韌性和熱穩(wěn)定性，即構(gòu)成了新型陶瓷基復(fù)合材料。

　　碳化物陶瓷-金屬復(fù)合材料是應(yīng)用最廣泛的復(fù)合材料之一，如：1923年出現(xiàn)的碳化鎢基硬質(zhì)合金及20世紀(jì)50年代出現(xiàn)的碳化鈦基陶瓷-金屬(Ni-Co-Cr粘結(jié)合金)等。20世紀(jì)60年代以來國(guó)內(nèi)主要使用的是TiC和WC基鋼結(jié)硬質(zhì)合金。

　　研究認(rèn)為，Ni、Co、Cr和Si能與碳化鈦形成堅(jiān)固的粘結(jié)，成網(wǎng)狀沿晶界滲透，因而可作為陶瓷基材發(fā)揮粘結(jié)金屬作用。對(duì)于Ti-Ni系統(tǒng)，1450.時(shí)，純Ni對(duì)TiC的潤(rùn)濕角為30：。把過渡族金屬加到Ni中，會(huì)使其潤(rùn)濕角減小。

　　Co同Ni―樣可作為TiC基陶瓷-金屬復(fù)合材料的粘結(jié)劑。然而，因?yàn)門iC-C系共晶溫度(1370+)比Ti-Ni系統(tǒng)的共晶溫度(1280+)高，所以用Co粘結(jié)的陶瓷-金屬復(fù)合材料燒結(jié)時(shí)收縮較晚。兩種合金中碳化物晶粒的長(zhǎng)大是在1440+時(shí)開始的，所以TiC-Co燒結(jié)的最佳溫度范圍比TiC-Ni要窄些。

　　陶瓷一金屬復(fù)合材料中，TiC經(jīng)常添加其它碳化物，如：/"、乙尤：：：和賈匚等組成的碳化物相。另外，氮對(duì)TiC陶瓷一金屬復(fù)合材料的組織和性能也產(chǎn)生良好的影響，低氮含量、高碳含量的復(fù)合材料具有高的機(jī)械性能。研究表明，在高溫(1000+左右)和低應(yīng)力下含TiN的陶瓷基一金屬(Ni)復(fù)合材料的抗蠕強(qiáng)度已超過WC復(fù)合材料，這對(duì)降低材料成本，尤其是貧鎢國(guó)家具有十分重要的意義。

　　碳化鎢基陶瓷-金屬(Co)基復(fù)合材料是傳統(tǒng)優(yōu)良的切削金屬工具材料。為提高復(fù)合材料的切削強(qiáng)度、沖擊韌性和穩(wěn)定性，往往通過細(xì)化陶瓷(WC)晶粒結(jié)構(gòu)來達(dá)到這一目的。研究認(rèn)為，在WC-Co系統(tǒng)中添加碳在燒結(jié)溫度下，飽和液相可阻礙WC晶粒的長(zhǎng)大，其中抑制效果最顯著的是VC，而后是Cr(C2、NbC和TaC.中添加0.015%<3.29%的Cu對(duì)復(fù)合材料的密度、晶粒大小和機(jī)械性能均有顯著影響。例如添加Cu時(shí)，復(fù)合材料密度有明顯增加，Cu含量為0.3：<1.0：時(shí)，可達(dá)到最大密度，其抗彎強(qiáng)度也達(dá)最大值。當(dāng)Cu含量適當(dāng)時(shí)，會(huì)抑制碳化物(W、Ti、Ta)晶粒的生長(zhǎng)，使其平均尺寸降低;另外，Cu也會(huì)改善碳化物-金屬液相間界面的潤(rùn)濕性。

　　碳化鎢基-鎳復(fù)合材料的性能與用Co為粘結(jié)劑相比，強(qiáng)度相對(duì)較低、可塑性較高。其抗斷裂性能隨Ni含量的增加和WC晶粒尺寸的加大而增強(qiáng)。另外，在WC基材中添加Mo2C、ZrC和HfC等，或在Ni中溶解添加物Si、Ti、Cr、Mo等都能使WC基-Ni復(fù)合材料的強(qiáng)度、硬度提高。碳化鎢基-鎳復(fù)合材料中38%WC、17%TiC、40：ZrC和5：Ni成分，在最佳條件下燒結(jié)時(shí)，復(fù)合材料具有非常細(xì)小的碳化物晶粒，以及較高的硬度、強(qiáng)度和其他使用性能。

　　3.2.3晶須與顆粒增韌陶瓷陶瓷刀具有硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性和抗粘結(jié)性好、摩擦系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，是相對(duì)廉價(jià)的干切削刀具材料，但其強(qiáng)度、韌性和抗沖擊性能差，為此加入各種補(bǔ)強(qiáng)增韌相并改進(jìn)其壓制工藝，可以顯著提高陶瓷刀具的強(qiáng)度、韌性等。

　　目前，用于陶瓷增韌的晶須與顆粒主要采用的是碳化硅晶須與顆粒。晶須增韌的陶瓷基復(fù)合材料主要及SiCP/Y-TZP復(fù)合材料。

　　短纖維、晶須、顆粒增韌陶瓷復(fù)合材料常規(guī)制備方法是將增強(qiáng)(韌)材料與陶瓷進(jìn)行冷壓、燒結(jié)，該工藝燒結(jié)時(shí)，由于基體發(fā)生較大量的收縮，制出的復(fù)合材料具有較多裂紋。為改善晶須、顆粒在陶瓷基體中的分布均勻性，以及復(fù)雜形狀的制備，近年來，相繼研究成功一些新技術(shù)、新工藝，如汽-液反應(yīng)、化學(xué)氣相蒸汽沉積、納米復(fù)合技術(shù)等等。

　　晶須對(duì)陶瓷材料補(bǔ)強(qiáng)增韌的效果是很顯著的。陶瓷基復(fù)合材料中，晶須增韌的主要機(jī)理是裂紋的偏轉(zhuǎn)和晶須的拔出。在陶瓷基體中，加入第二相晶須后一般會(huì)產(chǎn)生裂紋的偏移，裂紋前緣遇到晶須后發(fā)生扭折，裂紋的表面增加，從而使韌性提高。在相同體積下，第二相顆粒的形狀不同，對(duì)韌性增加的效果不同，一般棒狀晶須的增韌效果最明顯，球形顆粒的最低。

　　另外，裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)使晶須與基體材料間界面變?nèi)?，在外?yīng)力的進(jìn)一步作用下，產(chǎn)生晶須的拔出現(xiàn)象。同時(shí)在基體開裂部位，裂紋的上下表面依靠晶須橋聯(lián)，也使得裂紋尖端的應(yīng)力集中被顯著降低，從而使陶瓷基體增韌。

　　晶須對(duì)陶瓷材料補(bǔ)強(qiáng)增韌的效果是很顯著的，例如SiCW/莫來石復(fù)合材料中，莫來石材料的室溫抗彎強(qiáng)度(246MPa)和斷裂韌性(!hc=2.9MPaj1/2G都很低，而晶須含量20%<30%(體積)時(shí)，強(qiáng)度提高到435MPa，斷裂韌性也達(dá)到最大值約4.6MPa-m1/2.顆粒補(bǔ)強(qiáng)增韌陶瓷受影響的因素較多，包括：顆粒和基體界面之間的結(jié)合狀態(tài);顆粒和基體間的性質(zhì)(熱膨脹系數(shù)、彈性模量、韌性等)匹配;幾何學(xué)因素(顆粒大小、形狀、體積比……)。根據(jù)上述的影響因素，顆粒補(bǔ)強(qiáng)增韌的機(jī)理可分為以下幾種。

　　當(dāng)顆粒尺寸"p>"m時(shí)，可能發(fā)生的機(jī)制是裂紋偏析或分枝;的機(jī)制是釘扎效應(yīng);當(dāng)顆粒熱膨脹系數(shù)《p>m時(shí)，若兩相界面結(jié)合不強(qiáng)，則發(fā)生顆粒界面解離，裂紋尖端應(yīng)力分散，裂紋擴(kuò)展可終止或繞過顆粒相前進(jìn);若兩相界面結(jié)合足夠強(qiáng)時(shí)，則顆粒和基體產(chǎn)生的張應(yīng)力更容易造成微裂紋，而構(gòu)成裂紋增韌或更有助于裂紋偏析;ap!m時(shí)，顆粒受張應(yīng)力，將有損于強(qiáng)化;當(dāng)!!

　　在a-SiC陶瓷基體中添加TiC顆粒制備復(fù)合材料時(shí)，TiC顆粒使復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性明顯提高。TiC的和440GPa;均為0.25.顆粒周圍a-SiC基體上受張應(yīng)力=1000MPa，在裂紋擴(kuò)展時(shí)，遇到SiC顆粒則會(huì)發(fā)生裂紋偏析或分枝，使復(fù)合材料產(chǎn)生補(bǔ)強(qiáng)增韌作用。例如，255(體積)TiC顆粒(直徑0.8m)/SiC復(fù)合材料室溫的抗彎強(qiáng)度可高達(dá)586MPa，斷裂韌性c*7.15MPa-m1/2. 4可轉(zhuǎn)位刀具為達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)增韌目的，還可采用陶瓷可轉(zhuǎn)位刀具，設(shè)計(jì)時(shí)要注意以下幾點(diǎn)。

　　由于刀片材料強(qiáng)度(包括抗彎、抗沖擊強(qiáng)度)低于硬質(zhì)合金，故可采用無孔刀片型式。

　　刀片刃口需采用倒棱處理或其它增強(qiáng)處理。

　　刀片采用0<法后角(專用刀片有時(shí)采用5.、7.法后角)。

　　無孔刀片采用上壓式結(jié)構(gòu)夾緊，必要時(shí)采用雙重夾緊。

　　在相同切削條件下，選擇陶瓷刀片的刀尖圓弧半徑應(yīng)大于硬質(zhì)合金刀片。

　　5結(jié)語干切削加工是一種理想的綠色制造工藝方法。由于干切削加工尚存在諸多待研發(fā)的課題，目前其應(yīng)用范圍還不是很廣泛，但對(duì)它的研究卻已成為當(dāng)前的熱點(diǎn)之一。針對(duì)干切削加工的關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)新型的刀具材料、改進(jìn)刀具設(shè)計(jì)及工藝，將加速完善干切削加工技術(shù)，加速干切削加工技術(shù)的推廣使用。

　　張崇高，錢昌明，等。新型金屬陶瓷刀具在干切削中的應(yīng)用。

　　劉志峰。干切削加工刀具及其設(shè)計(jì)。制造技術(shù)與機(jī)床，1999，吳希讓。用于干切削的新型刀具。工具技術(shù)，1999，(2)：15-18.李樹塵，陳長(zhǎng)勇，許基清，等。材料工藝學(xué)。北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.王西彬。綠色切削加工技術(shù)的研究。機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2000，制造技術(shù)、切削刀具等領(lǐng)域研究。

　　美國(guó)科學(xué)家用碳納米管造出了世界上最小的電動(dòng)機(jī)，它的直徑約為500nm，比頭發(fā)絲還要小300倍，能夠在電壓驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　納米電動(dòng)機(jī)是美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家設(shè)計(jì)的。電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)葉片是一片金葉，長(zhǎng)度不到300nm，葉片安裝在一根由多層碳納米管做成的轉(zhuǎn)軸上。多層碳納米管由多根口徑不同的空心圓管套在一起，兩端裝有二氧化硅制的電極，將它固定在一塊硅片上，碳納米管的周圍還安置了另外3個(gè)電極。在碳納米管與其中一個(gè)電極之間施加電壓，就能使它帶動(dòng)金葉片轉(zhuǎn)動(dòng)。如果電壓更大，碳納米管最外面一層管子就會(huì)與內(nèi)層脫離，使金葉片旋轉(zhuǎn)得更靈活。恒定的電壓能使葉片保持在固定的位置，周期性的電壓則能使它以一定速度旋轉(zhuǎn)。

　　此前也有科學(xué)家研制出多種微小的納米電動(dòng)機(jī)，但有的尺寸更大，有的需要激光或磁驅(qū)動(dòng)，操作不如它靈活方便。這種納米電動(dòng)機(jī)容易驅(qū)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)靈活，對(duì)溫度和化學(xué)條件要求寬松，甚至在真空里也能運(yùn)轉(zhuǎn)，因此有著很大的應(yīng)用潛力，例如以金葉片為反射鏡操縱光信號(hào)，或通過葉片的共振轉(zhuǎn)動(dòng)速度來探測(cè)化學(xué)物質(zhì)等。