刀具创新对提高金属切削效率的作用与影响

摘要：世界范围内激烈的市场竞争迫使机械制造业降低成本以保持盈利。由于加工成本的主要部分是占用机床时间的费用，因此目前人们的注意力集中在通过提高加工生产率以缩短加工周期。机床的改进，性能更优异的零件材料的开发，新的加工方法的开发以及涉及切削液安全处理的环保法规的制订等，都给刀具行业带来了新的挑战。为了回应这些挑战，刀具行业对各种刀具材料进行了卓有成效的创新。本文重点讨论刀具技术的进步对提高金属切削生产率所起的作用。 

1.引言 

机械制造业在推动国家经济发展、创造社会财富方面所起的重要作用众所周知。为了在全球市场有效地竞争并保持盈利，机械制造业正不断努力降低加工成本。对组成加工成本的各种因素进行的分析表明：作为易耗品的刀具花费在产品制造总成本中仅占约4%，而主要的费用耗费在机床占用时间、企业管理和人工的成本（75％）以及工件材料成本（21％）。很明显，只有通过缩短加工周期或提高加工效率才能获得对加工成本最有效的控制。这就是为提高生产率而开发高速和高进给量刀具的主要动力。生产率的提高不仅可以降低生产成本，而且为增加产量赢得了加工时间。在生产车间里增加的产量提高了效益，获得了用以增加新设备的资金，从而进一步改进加工技术。 

刀具制造商正面对机床的不断改进、新的加工方法的开发、高性能材料零件的加工以及提倡干切削或微量润滑切削（MQL）以满足环保要求等各种挑战。为了回应这些挑战，刀具制造商不断推进对各种刀具材料的改进，新的表面处理技术已令人注目地扩展了刀具的应用范围，提高了制造业的生产率。先进的机床使用策略使用户能够利用已有的固定资产（设备）获取更大的收益。本文将分别对这几方面进行讨论。 

2．刀具材料的分类 

刀具材料通常被分为五大类：高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷和超硬材料。高速钢是一种具有强韧性的刀具材料，但其较低的抗磨损性能使它只能在低速时使用。高速钢常用于制造需要高韧性、锋利的切削刃以及用其它材料不能制造的几何形状复杂的刀具，其典型的应用包括钻头、立铣刀、铰刀和齿轮加工刀具。而在刀具材料序列的另一端是超硬材料如聚晶立方氮化硼（PCBN）和聚晶金刚石（PCD）。聚晶立方氮化硼（PCBN）和聚晶金刚石（PCD）具有极高的耐磨损性能，可用于高速低进给加工。在这两极之间是硬质合金、金属陶瓷和陶瓷刀具材料，它们可以在一个较大的切削速度和进给量范围内广泛使用，以满足制造业的不同加工需求。 

从各种刀具材料的热硬性曲线可以注意到，与硬质合金相比，Si3N4/Sialon陶瓷和陶瓷显示出更高的抗磨损性和高速性能。 

3．刀具材料的创新与发展过程 

3.1 涂层硬质合金 

由于硬质合金兼具强韧性和抗磨损性，因此是一种主要的刀具材料。今天在美国使用的金属切削刀具中涂层硬质合金刀具几乎占了80%。通过延缓各种磨损过程（前刀面磨损、月牙洼磨损、缺口磨损、粘结磨损等），超硬涂层延长了硬质合金刀具的使用寿命，提高了被加工零件的表面精度，通过高速、高进给加工显著提高了金属切削生产率。CVD（化学涂层）已占涂层硬质合金刀具的60%～65%，其余的为PVD（物理涂层）。 

（1）CVD涂层 

现代CVD涂层具有以下特征：包括TiCN、TiC、TiN、ZrCN和Al2O3等各种化合物的多层涂层，具有可控的晶体结构（alpha-alumina或kappa-alumina）和优化的颗粒尺寸以满足各种加工应用。通过对CVD工艺过程控制的改进，刀具制造商目前可以在一个较大的厚度范围内（4～25μm）提供具有良好一致性和复现性的涂层。各单层厚度仅为0.2μm的多层涂层可适合于加工具有强韧性的工件材料。CVD涂层可以在高温（1000℃）、中温（MT-CVD，850℃左右）下沉积，或者通过等离子体辅助工艺（PA-CVD，约600℃）获得。中温化学涂层较低的工艺温度和较快的沉积速率使得涂层与基体分界面上的脆性η相最小化，同时减少了在高温CVD涂层中常见的由高温导致的拉伸（thermallyinducedten-sile）裂纹。目前MT-CVDTiCN涂层已成为在硬质合金基体上进行多层CVD涂层的一个主要成分。CVD涂层刀具被广泛应用于各类机械加工包括车削、钻削、螺纹加工、切槽加工、切断加工以及铣削加工，可适应不同的切削速度和进给量。 

（2）PVD涂层 

上世纪80年代中期，低温下（<500℃）采用PVD在硬质合金工具上进行超硬TiN涂层就已进入商业应用。涂层在低压的等离子区沉积，该离子区具有源于磁控溅射、电弧蒸发以及电子束蒸发所衍生的金属元素。经过蒸发或溅射处理的金属元素（钛、铝、铬等）与气体类物质（如氮气、甲烷等）反应，从而沉积形成硬涂层。典型的商业涂层包括TiN、TiCN、CrN、TiAlN、AlTiN、TiB2以及多层物质如TiN-TiAlN。PVD工艺具有独特的优点，它能在锋利的切削刃上涂覆细颗粒、光滑、低摩擦、抗热裂的涂层。同时，PVD涂层具有的残余压应力使它在抗裂纹扩展、防止刀具早期失效方面更具优势。更新的PVD纳米涂层和PVD纳米结构涂层尚处在开发阶段。 

PVD TiN和TiAlN涂层已经显著提高了高速工具钢在用于钻头、立铣刀时的性能。经过PVD涂层的硬质合金刀具在螺纹加工、切槽加工、切断加工、精车、铣削、钻孔等操作中被应用于加工各种各样的工件，包括碳钢、合金钢、奥氏体、铁素体和马氏体不锈钢、钛合金、耐高温合金、铸铁以及非铁金属材料。PVD涂层工具特别适合抵抗在低碳钢、奥氏体不锈钢的加工过程中出现的积屑瘤和微小崩刃。经过PVD TiAlN涂层的硬质合金刀具所具有的高热硬性、高化学稳定性和抗氧化的性能，更适合用于高温合金的高速加工。PVD TiB2涂层工具因其具有防止积屑瘤生成的能力，所以在加工铝镁合金方面更胜一筹。 

（3）PVD-CVD复合涂层 

在20世纪80年代末研制成功的PVD-CVD复合涂层，既有一个具有高结合强度的CVD TiN-TiCN内层涂层，同时又有硬度高、颗粒精细、防裂纹、表面光滑的带有残余压应力的PVD TiN外层涂层。这种复合涂层使刀具在断续切削钢件和难加工材料方面表现出众。其它包含PVD TiAlN的PVD-CVD复合涂层也已经进入了商业化应用。 

（4）固体润滑涂层 

考虑到对切削液安全处理的环境保护方面的要求，迫使切削工具的用户把冷却液的使用减到最少甚至完全不用切削液（采用干切削）。切削工具制造商则通过应用固体润滑涂层（如MoS2和WC/C）来满足这种需要。当与硬涂层底层（如PVD TiAlN）结合时，固体润滑涂层可使硬质合金刀具在钢件、铝合金件上钻孔、攻丝时的金属切削性能得以提升。 

3.2 超细颗粒硬质合金 

具有硬度（抗磨损性）与强度（抗弯强度）完美结合的超细颗粒硬质合金（粒度小于0.5μm）目前正应用于制造木工刀具、印刷电路板刀具及立铣刀等领域。预计它们的使用将在未来得以增长，尤其是在铝合金和铸铁发动机缸体的铣削方面。 

3.3 带梯度功能基体的涂层硬质合金 

第一款具有梯度功能基体的CVD TiC-TiCN-TiN涂层的工程化硬质合金开发于1982年。与刀片原坯相比，其刀片表面含有更多的钴。在这种第一代高钴工具中，不仅边缘的钴含量高（约为体积内的3倍），而且钴是以多层的形式出现，这在断续切削的过程中会有效地阻止裂纹的扩展，因此可以防止刀片碎裂。在为满足更高速度的加工需要所开发的第二代高钴工具中，刀片边缘不仅钴含量更高，同时也避免了碳化物的“立方化”。这两个因素都使刀片边缘的强度得到提高。 

3.4 表面处理 

涂层硬质合金刀具的性能不仅依赖于材料成分、显微结构、基体特性及涂层，也依赖于基体与涂层间的内部结合强度。近年来，在该领域的研究已取得了显著的进展，其中包括在涂层之前对硬质合金基体的表面用磨料进行处理，以改善表面的完整性和平滑度，从而增加涂层的结合强度。 

涂层硬质合金刀具表现出的主要问题之一，是在某些加工应用中涂层“分层”的敏感性会导致切削刃的微小崩刃以及积屑瘤的堆积，从而降低零件加工的光洁度并导致刀具早期失效。通过涂层后的处理，这个问题现在已经在很大程度上得到了解决，通过涂层后的处理去掉了上部的TiN层，露出在切削刃处的氧化铝层。 

3.5 金属陶瓷 

尽管TiC-Ni合金作为金属陶瓷家族的第一个切削工具，早在上世纪30年代初就进入了商业应用，但也无法与天生就更强的WC-Co基刀具相抗衡。上世纪60年代钼的增加、80年代TiCN对TiC的取代以及90年代TaC、NbC、ZrC、HfC、WC、VC、Cr3C2以及Co的增加，开发了抗磨损性能、抗热冲击力以及强度不同组合的金属陶瓷，使得金属陶瓷刀具可以适合各类不同的需要，如对碳钢、合金钢、不锈钢、球墨铸铁、高温合金、易切削铝以及其它非铁合金的半精加工和精加工。虽然金属陶瓷原本具有很高的化学稳定性，但为了提高它的韧性而增加镍、钴结合剂的含量已使它具有一定的化学反应性，以涂覆加工黑色金属所需的硬涂层。然而，CVD涂层过程中的高温有可能产生含有镍和钛的脆性的金属间化合物，因此，金属陶瓷刀具都采用PVD涂层。 

3.6 陶瓷刀具 

陶瓷刀具具有天然的稳定性，并且在高温下（更高的切削速度下）比硬质合金刀具更坚硬也更易碎，因此，对该类刀具的开发重点是提高其断裂韧性。陶瓷刀具主要有Al2O3陶瓷和Si3N4/Sialon 陶瓷两种。 

（1）Al2O3陶瓷 

通常白色的、含少量ZrO2的Al2O3基陶瓷用于加工铸铁件，而ZrO2含量更高的Al2O3基陶瓷用于加工钢件。通过强韧化机理，ZrO2增强了工具的断裂韧性，但它降低了工具的热导率和硬度。而TiC含量高达30%的黑陶瓷与白陶瓷相比，其韧性和硬度都更好，被应用于加工更硬的铁、钢、镍基合金。韧性和抗磨损性兼备的细颗粒Al2O3-TiCN黑陶瓷在铸铁、铁合金、硬度高达60HRC的不锈钢的车削和钻削精加工中取代了Al2O3-TiC陶瓷刀具。PVD TiN进一步提高了这些刀具的抗磨损性。开发于80年代初、带有SiC晶须增强物的Al2O3陶瓷因SiC晶须分散的晶胞所导致的裂纹偏转而比黑、白陶瓷具有更好的韧性。由于具有更高的热传导率和较低的热膨胀率，这些晶须同时也提高了材料的硬度和抗热冲击能力。这些刀具材料适用于镍基合金和铸铁的高速/高进给加工，但因SiC的化学稳定性较差而不宜用于钢铁加工。 

（2）Si3N4/Sialon 

Si3N4/Sialon陶瓷刀具材料开发于80年代早期。由于具有类晶须的晶粒构造，该类陶瓷比白色的Al2O3陶瓷具有更强的韧性。同时，它们具有出色的热硬性和抗热冲击能力，使它们能进行高速高进给加工并可用于镍基合金和铸铁的断续切削。但它们较低的化学稳定性使其在加工钢件时缺乏优势。最近开发的CVD Al2O3涂层Si3N4陶瓷刀具可用于球墨铸铁的高速加工。 

（3）AlON陶瓷 

最近，一种以氮氧化铝（AlON）为基体的新型陶瓷刀具已经面市。在这种材料中，碳化硅晶须使氮氧化铝陶瓷基体得到加强。对于传统的高温合金精加工而言，这款刀具材料具有强韧性、抗磨损性和抗热冲击性三者的完美结合。与碳化硅晶须增强铝基陶瓷相比，经碳化硅晶须增强的氮氧化铝陶瓷已被证明可以提高对缺口磨损的抵抗力。 

3.7 超硬刀具材料 

（1）PCBN刀具 

PCBN极高的硬度（约5000HV）以及抗磨损性能使它成为加工淬硬铸铁和淬硬钢（硬度>50HRC的理想工具。PCBN分为CBN含量低（<75%）或CBN含量高（>75%）两类，并采用陶瓷或金属结合剂。随着CBN含量的增加，材料的热传导率、断裂韧性和抗磨损性都随之增加。CBN含量较少的刀具通常被用于连续切削，而CBN含量高的刀具在断续切削中表现出色。尽管PCBN刀具具有很高的抗磨损能力，但N和B元素在钢中的易溶性使这种刀具缺少抗化学磨损的能力。因此，先进的PCBN刀具采用CVD Al2O3或者PVD TiAlN进行涂层。尽管PCBN刀具成本昂贵（比硬质合金涂层刀具高出5～30倍），但由于PCBN刀具具有高的金属切除率，因此能够提供最低的单件成本。此外，PCBN刀具较长的使用寿命也可明显减少替换刀具的时间。 

用PCBN刀具加工所获得的优异的表面精度以及良好的零件尺寸公差，推进了它们在硬车削中的使用并表现出明显的生产率优势（与磨削相比较）。 

分别对采用磨削和PCBN刀具车削一个传动装置零件所耗费的时间进行的对比表明，采用PCBN刀具进行车削加工时加工时间减少了83%，辅助时间减少了71%。 

（2）金刚石工具 

聚晶体金刚石（PCD）刀具广泛用于加工铝合金、非铁材料及复合材料，主要应用于自动化（如制动器转子、驱动轴加工等）以及航空工业（如降落装置组件加工）。由于金刚石在钢铁中的易溶性以及铁对金刚石石墨化的催化效应，金刚石材料不能用于钢材加工。 

在20世纪90年代初期开发的一种低压CVD工艺，可用来在硬质合金基体上沉积纯金刚石薄膜（<50μm）或生成可钎焊在硬质合金基体上的金刚石厚膜（>350μm）。硬质合金基体需要经过特别的预处理以保证与金刚石薄膜的良好粘附。在高精加工应用中，金刚石厚膜刀具能提供最好的表面光洁度和最优的刀具寿命。而金刚石薄膜涂层刀具由于其多面体的表面形貌，加工表面较粗糙，但可应用于断续切削。CVD金刚石涂层刀具具有很多优势，包括用于多刃刀具的涂层、不受切削深度的限制以及可对带排屑槽的刀片进行涂层。 

4．刀片几何形状的革新 

针对特定的加工对刀片切削刃的几何参数进行优化设计已经取得了显著的进步。这些先进的、具有精确公差的刀片几何形状设计能确保高效排屑，降低切削阻力，并提高工件表面的质量。例如：当需要考虑尺寸控制、光洁度和零件变形最小化时，一种磨了周边的大前角的FS刀片可作为理想的精加工刀具；一种精密压制的MS刀片，其刃口经最佳的处理，可适用于不要求锋利切削刃的中等切削负荷的应用场合。另一个刀片几何形状实例专门设计用于仿形车削加工（轮廓加工或向外走刀加工端面）。通常用向外走刀加工零件端面时，由于普通刀片糟糕的切屑控制能力而无法缩短加工时间。与普通的DNMG刀片相比，特殊设计的（DNMG-CT）刀片大的切屑断裂区可用于在仿形车削中提供优良的切屑控制。 

4.1 Wiper刀片 

Wiper刀片是又一个提高加工生产率的刀片创新设计的实例。与传统的刀片相比，这种刀片设计了一个经过改进的刀尖圆弧半径，能获得极高的表面加工质量，可应用于半精加工和精加工。允许用户成倍提高进给率的同时可获得与传统刀片加工相媲美的表面质量；而在标准刀片通常采用的切削条件下，Wiper刀片则能获得极高的表面光洁度。 

5．提高机床利用率的措施与方法 

据估计，在加工过程中，只有20%的机床主轴运转时间用在实实在在的切削加工中，而其余的时间都花在了调整和空转上。旨在提高设备利用率的尝试，已经引起了大量的产品、技术、生产工艺的开发，其中包括快速换刀系统、刀具的预调、配套刀具小车以及工具管理系统：快换刀具系统显著减少了换刀和零件调整时间；通过更换预调好的切削刀具整体而不是更换某一单独的刀片，可明显减少机床的非工作时间；将一个生产过程所需要的所有刀具都配成套并放在靠近机床的工具车上，换刀过程快速而高效，可获得更多的机床运行时间。放置在刀具车中的成套刀具都经过预测和调整，并储存每把刀具的数据，以便在换刀后进行刀具偏置值调整时使用；刀具管理系统为生产中所需的刀具提供了一个方便的找刀途径，并且减少了调集刀具所需要的时间。该系统还能精确地记录刀具的利用率，并能自动发出指令更改原定的库存数量。 

通过应用上述策略和方法，就有可能将有效切削时间从机床主轴运行时间的20%增加到60%。 

6.对提高生产率的作用 

综上所述，对各类切削刀具材料的改进和创新都使金属去除率得以显著提高。测试数据说明，生产率的提高可显著降低加工费用。 

然而通过采用更高的速度和（或）进给获得金属去除率（MRR）不断提高的同时，也降低了刀具的使用寿命，加工单个零件需要耗用更多的刀片，刀具费用开始增加。需要通过最优化的MRR使单个工件的总加工成本达到最小值，而进一步降低加工成本的唯一方法是选择一种更先进的刀具材料。 

7．结语 

各种切削刀具材料的创新及涂层技术的进展，有利于采用更高的切削速度和进给率，从而显著提高金属切削生产率；在用某种给定的刀具材料加工时，加工成本的最小化取决于对金属去除率的优化，而要进一步节约成本，只能选择采用了更新技术的切削刀具；提高机床的利用率能减少无价值的辅助时间并增加机床有效切削时间；从先进切削刀具设计与开发的快速发展来看，刀具使用者有必要不断重新评估制造过程并且应用最新的切削刀具技术。