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。