1、金属切削刀具的发展历史与现状前言刀具是机械制造中用于切削加工的工具，又称切削工具。广义的切削工具既包括刀具，还包括磨具。刀具技术的进步，体现在刀具材料、刀具结构、刀具几何形状和刀具系统四个方面，刀具材料新产品更是琳琅满目。当代正在应用的刀具材料有高速钢、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和金刚石。其中，高速钢和硬质合金是用得最多的两种刀具材料，分别约占刀具总量的 30%40%和50%60%。本文将介绍刀具的发展历程，发展现状，并对未来刀具的发展法相作出分析。刀具的发展历史刀具的发展在人类进步的历史上占有重要的地位。中国早在公元前 28前 20 世纪，就已出现黄铜锥和紫铜的锥、钻、刀等铜质刀具。战国后期
2、(公元前三世纪) ，由于掌握了渗碳技术，制成了铜质刀具。当时的钻头和锯，与现代的扁钻和锯已有些相似之处。 然而，刀具的快速发展是在 18 世纪后期，伴随蒸汽机等机器的发展而来的。1783 年，法国的勒内首先制出铣刀。1792 年，英国的莫兹利制出丝锥和板牙。有关麻花钻的发明最早的文献记载是在 1822 年，但直到 1864 年才作为商品生产。 那时的刀具是用整体高碳工具钢制造的，许用的切削速度约为 5 米/分。1868 年，英国的穆舍特制成含钨的合金工具钢。1898 年，美国的泰勒和.怀特发明高速钢。1923 年，德国的施勒特尔发明硬质合金。 在采用合金工具钢时，刀具的切削速度提高到约 8 米
3、/分，采用高速钢时，又提高两倍以上，到采用硬质合金时，又比用高速钢提高两倍以上，切削加工出的工件表面质量和尺寸精度也大大提高。 由于高速钢和硬质合金的价格比较昂贵，刀具出现焊接和机械夹固式结构。19491950 年间,美国开始在车刀上采用可转位刀片，不久即应用在铣刀和其他刀具上。1938 年，德国德古萨公司取得关于陶瓷刀具的专利。1972 年，美国通用电气公司生产了聚晶人造金刚石和聚晶立方氮化硼刀片。这些非金属刀具材料可使刀具以更高的速度切削。1969 年，瑞典山特维克钢厂取得用化学气相沉积法，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展了物理气相沉积法，在硬质合金或
4、高速钢刀具表面涂覆碳化钛或氮化钛硬质层。表面涂层方法把基体材料的高强度和韧性，与表层的高硬度和耐磨性结合起来，从而使这种复合材料具有更好的切削性能。 刀具的发展现状任何一个强大的国家都必须具有包括金属切削加工在内的强大制造业基础。在整个 21 世纪中，金属切削加工仍是机械制造业的主导方法，切削加工(包含磨削)不仅占其 90%以上的份额，而且刀具消耗费用占制造成本的 2%5%。1、刀具的各种分类刀具按工件加工表面的形式可分为五类。加工各种外表面的刀具，包括车刀、刨刀、铣刀、外表面拉刀和锉刀等；孔加工刀具，包括钻头、扩孔钻、镗刀、铰刀和内表面拉刀等；螺纹加工工具，包括丝锥、板牙、自动开合螺纹切头、
5、螺纹车刀和螺纹铣刀等；齿轮加工刀具，包括滚刀、插齿刀、剃齿刀、锥齿轮加工刀具等；切断刀具，包括镶齿圆锯片、带锯、弓锯、切断车刀和锯片铣刀等等。此外，还有组合刀具。 按切削运动方式和相应的刀刃形状，刀具又可分为三类。通用刀具，如车刀、刨刀、铣刀(不包括成形的车刀、成形刨刀和成形铣刀)、镗刀、钻头、扩孔钻、铰刀和锯等；成形刀具，这类刀具的刀刃具有与被加工工件断面相同或接近相同的形状，如成形车刀、成形刨刀、成形铣刀、拉刀、圆锥铰刀和各种螺纹加工刀具等；展成刀具是用展成法加工齿轮的齿面或类似的工件，如滚刀、插齿刀、剃齿刀、锥齿轮刨刀和锥齿轮铣刀盘等。各种刀具的结构都由装夹部分和工作部分组成。整体结构刀
6、具的装夹部分和工作部分都做在刀体上；镶齿结构刀具的工作部分(刀齿或刀片) 则镶装在刀体上。刀具的装夹部分有带孔和带柄两类。带孔刀具依靠内孔套装在机床的主轴或心轴上，借助轴向键或端面键传递扭转力矩，如圆柱形铣刀、套式面铣刀等。 带柄的刀具通常有矩形柄、圆柱柄和圆锥柄三种。车刀、刨刀等一般为矩形柄；圆锥柄靠锥度承受轴向推力，并借助摩擦力传递扭矩；圆柱柄一般适用于较小的麻花钻、立铣刀等刀具，切削时借助夹紧时所产生的摩擦力传递扭转力矩。很多带柄的刀具的柄部用低合金钢制成，而工作部分则用高速钢把两部分对焊而成。刀具的工作部分就是产生和处理切屑的部分，包括刀刃、使切屑断碎或卷拢的结构、排屑或容储切屑的空间
7、、切削液的通道等结构要素。有的刀具的工作部分就是切削部分，如车刀、刨刀、镗刀和铣刀等；有的刀具的工作部分则包含切削部分和校准部分，如钻头、扩孔钻、铰刀、内表面拉刀和丝锥等。切削部分的作用是用刀刃切除切屑，校准部分的作用是修光已切削的加工表面和引导刀具。刀具工作部分的结构有整体式、焊接式和机械夹固式三种。整体结构是在刀体上做出切削刃；焊接结构是把刀片钎焊到钢的刀体上；机械夹固结构又有两种，一种是把刀片夹固在刀体上，另一种是把钎焊好的刀头夹固在刀体上。硬质合金刀具一般制成焊接结构或机械夹固结构；瓷刀具都采用机械夹固结构。刀具工作部分的结构有整体式、焊接式和机械夹固式三种。整体结构是在刀体上做出切削
8、刃；焊接结构是把刀片钎焊到钢的刀体上；机械夹固结构又有两种，一种是把刀片夹固在刀体上，另一种是把钎焊好的刀头夹固在刀体上。硬质合金刀具一般制成焊接结构或机械夹固结构；瓷刀具都采用机械夹固结构。刀具切削部分的几何参数对切削效率的高低和加工质量的好坏有很大影响。增大前角，可减小前刀面挤压切削层时的塑性变形，减小切屑流经前面的摩擦阻力，从而减小切削力和切削热。但增大前角，同时会降低切削刃的强度，减小刀头的散热体积 。刀具材料大致分如下几类：高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、聚晶立方氮化硼以及聚晶金刚石。我主要提下陶瓷，陶瓷用于切削刀具的时间比硬质合金早，但由于其脆性，发展很慢。但自上世纪 70 年代
9、以后，还是得到了比较快的发展。陶瓷刀具材料主要有两大系，即氧化铝系和氮化硅系。陶瓷作为刀具，具有成本低、硬度高、耐高温性能好等优点，有很好的前景。2、国外刀具的发展现状1.切削工具材料和涂层技术不同种类的切削工具材料都有所进步，包括高速工具钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、聚晶立方氮化硼(PCBN)和聚晶金刚石(PCD)。高速工具钢(HSS) 是高韧性的刀具材料，能制作成其他材料不能制作的各种复杂几何形状和尺寸的锋利切削刀具。而高耐磨性的 CBN 和 PCD 超硬材料则适用于高速、小进给量加工。介于上述两种材料之间的是硬质合金、金属陶瓷和陶瓷刀具材料，这些材料广泛使用于各种切削速度和进刀量需求的加
10、工工业领域。与刀具材料同步发展的还有化学涂层 CVD 和物理涂层 PVD 技术，如今几乎75%的硬质合金刀具为涂层刀具, 其中 CVD 涂层约占 80%。当代 CVD 涂层的特点是多层涂层。其涂层结构包括 TiCN、TiC、TiN、ZrCN和 Al2O3。通过对 CVD 工艺的良好控制,刀具制造商现在可提供质量稳定的从5m 到 20m 厚度的涂层刀具，以及用于高硬度材料工件加工的单层涂层厚度不超过 0.2m 的多层涂层合金刀具。PVD 物理涂层技术使在金属陶瓷和硬质合金基体上的涂层厚度为 2m 到5m 的硬质涂层已经进入了商业化。典型的商业化涂层方式包括TiN、TiCN、TiAlN、 CrN、
11、 TiB2，还有诸如 TiN/TiAlN 的多层涂层。PVD 涂层工艺具有的独特优势是:可以给锐利的切削刃面提供超细晶粒、平滑、低摩擦和防止高温热裂的涂层。纳米 PVD 涂层（每层涂层厚度甚至薄到 2nm，例如 TiN/TiAlN 涂层）和纳米复合涂层（TiN 或 TiAlN 纳米结晶被植入 Si3N4 的矩阵之中）正处于研发阶段。新近发展的硬质合金刀具涂层包含外部用 PVD TiN 或者 TiAlN 涂层与内部CVD TiN/TiCN/TiN 涂层的结合。内部 CVD 涂层可提供极好的基体粘合力和耐磨性，而外部 PVD 涂层提供一个坚固的、超细晶粒的、不易脆裂的、表面光滑的刀具表层。这种 C
12、VD-PVD 相互结合的涂层有助于延长刀具在难加工金属材料和钢材加工的断续切削时刀具使用寿命。新型的 PVD TiCN 或 TiAlN 涂层的金属陶瓷刀具,在用于车削和铣削钢材、不锈钢和铸铁的精加工和半精加工过程中，其可靠性已经得到改进。它们的化学成分稳定,具有高红硬性和维持高速切削的能力, 确保了降低被加工零件的尺寸误差，获得良好的表面质量, 高的效率以及更长的刀具使用寿命。陶瓷刀具也有了重要意义的发展。常规的 Al2O3 白色陶瓷刀具已被超细微粒的 Al2O3-TiCN 黑色陶瓷所取代。其高强度与高抗磨损性适用于硬度高达60HRC 的铸铁、合金钢、工具钢和不锈钢的车削和镗削精加工。PVD
13、TiN 涂层已经为这些工具的耐磨性的更进一步的提高做出了贡献。碳化硅强化 Al2O3 陶瓷的发展,使得高速加工镍基合金已成为现实。纯 Si3N4 基陶瓷所具有的高热导率和坚韧性使用于铸铁( 发动机气缸，刹车鼓，刹车)的高速加工。CVD Al2O3 涂层使 Si3N4 基陶瓷可应用于加工灰口韧性铸铁。作为强化 Al2O3 金属陶瓷的补充刀具材料,SIALON 硅铝氧氮聚合材料彻底更新了镍基合金加工的生产力。例如:以 3500sfm(英尺 /分钟)的表面速度加工高温合金材料 718 铬镍合金和 PH 不锈钢就是一个 SIALON 硅铝氧氮聚合材料作为刀具材料的有力佐证。高速加工需要超硬的切削工具。
14、其中聚晶金刚石(PCD)适用于加工非常耐磨损的高硅铝合金(含 Si12%)、有色金属材料和复合材料;聚晶立方氮化硼(PCBN)适用于硬的黑色金属材料的车削、镗削和铣削加工。涂层领域新近的发展是将纯金刚石薄膜用 CVD 涂层的手段牢固地涂覆于硬质合金基材上。金刚石涂层的硬质合金刀具可具有 PCD 刀具的性能,又可以通过模具成型断屑槽的方式使刀具在设计和使用工艺上更具灵活性。切削工具制造商正通过开发像 MoS2 或者 WC/C 这样的固体润滑剂来满足这一需要。当与 PVD TiAlN 涂层刀具和固体润滑剂结合使用时,能显著的提高金属切削的性能，尤其是对于钢和铝合金进行钻孔和攻丝的加工。如今超耐磨切
15、削刀具的应用，如金刚石刀具用于有色金属、CBN 刀具用于黑色金属的高速切削和磨削等已成为典范。尽管其刀具采购成本高于传统工具的 2050 倍，但因其具有比其它刀具至少长 100 倍的使用寿命，采用此类超耐磨刀具还是相当划算的。2.切削刀具的设计高速加工的使用者要求经过动平衡的切削刀具，以便减少调整刀具平衡的时间，延长刀具使用寿命，改进被加工零件的精度以及增加主轴轴承的寿命。钻削、镗削工具系统也在不断的改进和发展。可更换钻头合金刀片已成趋势，钻尖磨损后钻头无需从刀架上卸下也可更换切削刃。现在市场已可以提供直径小到 0.5 英寸的这类钻头。目前工具制造商正在制造直径为 0.25 英寸的此类钻头。带
16、有 0.5m 调整机构的高速精密微调镗刀系统也已进入市场。对于高的金属去除率的钛金属类加工，新开发的重切削立铣刀可安装多达72 个可转位刀片。这种刀具在设计上通过各个刀片的搭接提供各种变化多样的刀具螺旋角和轴向刃倾度。这种变化扰乱了切削加工时的共振，从而可以无共振地进行深度的铣削加工。3.工具系统结构制造商对 HSK 工具系统支持高速机械加工的运用越来越感兴趣。虽然这种工具系统最初十分昂贵，但 HSK 似乎能够提高系统的刚性和稳定性以及在高速加工时的产品精度,并缩短刀具更换时间。工具供应商正在不断地改进 HSK 工具系统,使其适应机床主轴转速达到 60000r/min。4.刀具质量与精度在 2
17、0 年前，CNC 机床达到 25m 的精度被视为极限。如今机床制造精度接近原精度值的 1/10 已不困难。与此同时,SPC 控制和在线检测对解决被加工零件质量的一致性起到了很好的控制作用。在零部件装配时不再需要根据零件加工误差进行分组选配。据报道高精密机床及被其加工的精密产品在过去的 20 年中对驱动美国生产力的提高起到了决定性的作用。虽然很多因素对于加工精度的重大改进有重大的贡献，但是在进一步提升制造业的精度水平中，数据收集、计量设备、工序过程标准化的应用等已经起到关键的作用。5切削工具制造商和服务近年来不断出现一些综合的工具制造商。一些主要切削工具供应商更多的注重发展其核心业务,并通过重组
18、和收购扩大其业务范围。 Sandivik 公司在过去的十年中收购了 35 家公司，2002 年又完成了对 Walter 和 Valenite 等三家重点公司的收购。美国肯纳公司也是如此。切削工具制造商能够通过简化现成的销售和服务渠道提供更大范围的产品和服务。3、国内刀具发展现状目前国内最常用的刀具材料仍为高速钢和硬质合金，且以普通高速钢和普通硬质合金为主。硬质合金焊接刀具的应用仍十分普遍；铝高速钢、粉末冶金高速钢的使用很少；由于市场供应的国产高速钢质量下滑，使含钴高速钢刀具品质较差；高性能硬质合金及细(超细) 颗粒硬质合金较少，几乎无专用牌号。我国的刀具涂层技术与国外相比差距较大，金刚石膜涂层
19、技术尚处于研发阶段；尚无商品化 TiCN 涂层产品；TiAIN、MoS2 涂层、纳米涂层等新技术尚待研究；具有优良耐磨性、抗高温、抗热震性的高速切削刀具材料也函待开发。国内对于陶瓷刀具的研究较为充分，已基本建立了融切削学和陶瓷学为一体的、基于切削可靠性的陶瓷刀具材料设计、研究理论新体系。国产氧化铝基陶瓷刀具已有近 20 个品种(部分产品性能及用途见表 3) ，氮化硅基陶瓷刀具已有近 10 个品种，陶瓷刀具的生产能力也较大。目前陶瓷刀具的研发水平已达到国际先进水平，陶瓷刀具的性能水平也不低于国外同类产品。已开发成功陶瓷硬质合金复合刀片、梯度功能陶瓷刀片、多种采用协同增韧机理的陶瓷刀具等国外尚未见
20、报道的新产品。目前与国外的差距主要表现在制造工艺水平较低，高精度陶瓷刀片和某些品种的陶瓷刀具(如加入氮化物的陶瓷刀具)质量欠佳，陶瓷刀具的推广应用也不如发达国家普遍。 国内已开发出可分别用于车削、镗削、铣削等加工领域的多种不同 CBN 含量的CBN 刀具和不同颗粒尺寸的 PCD 刀具，其中 CBN 刀具主要用于高速加工淬硬钢、高硬铸铁及某些难加工材料，PCD 刀具则用于加工铝合金。不足之处是品种规格不够齐全，某些产品质量欠佳，推广应用尚不普遍。未来发展展望切削加工追求的目标是高精度、高效率、低成本、绿色环保。近年来，切削加工技术在高速切削、硬态切削、微雾润滑切削、干式切削、复合切削等领域迅速发
21、展，这些切削加工技术是实现以最小限度生产设备高效率、低成本加工零件的生产方式的核心，到目前为止，切削加工技术发展的最大标志就是高速切削加工（HighSpeedCutting ，HSC）的发展。先进的刀具技术是促进切削技术发展的基础和保证，刀具技术的发展涉及刀具材料和刀具结构的发展，刀具材料是提升刀具性能的基础，刀具结构是提高工件加工精度的关键。随着高速加工、高精度加工技术的进步和难加工材料应用数量的增加，刀具材料的进展也十分显着，新型陶瓷、细晶粒硬质合金、超细晶粒硬质合金、TiC/TiN 基金属陶瓷、涂层硬质合金等材料大大提升了刀具的性能，刀具基体的耐磨性、耐热性、韧性和抗弯强度明显提高。复合
22、涂层技术使刀具性能进一步提升，涂层材料除了有适合高速切削的 TiC、TiN 、 TiAlN 以外，现在还使用金刚石、立方氮化硼、硅基纳米涂层等。近年来，人们在新型刀具材料的应用、刀具涂层技术以及新型刀具切削性能方面进行了大量的研究与应用工作，生产现场使用的刀具已经进入了以硬质合金材料为主体、多种涂层成熟应用的状态，未来刀具材料主要的发展趋势是“细晶粒的基体材料+复合涂层 ”，以适应高速切削、干式切削、高精度加工的基本需求。切削加工精度和表面质量是切削加工过程的关键因素，加工精度和表面质量取决于刀具的刃形、断屑性能和安装结构的稳定性。未来刀具的设计必须注重刃型设计、断屑槽设计、刀片定位或刀柄夹持设计以及表面涂层和刃口强化处理。为降低刀具的应用成本，镶齿结构、镶嵌结构、涂覆结构应成为刀具主体结构，整体结构在小规格、微型规格才使用。未来的刀具应该是双性能结构，即“高韧性高强度基体+高硬度高耐磨性刃部 ”。刀具材料及其涂层技术的发展促进了刀具切削速度的不断提高，带来了加工效率的变革，进一步带来了加工范围的拓展。刀具的设计和使用应考虑刀具材料与工件材料的性能匹配性，针对不同的工件材料和加工条件确定合理的刀具材料和结构形式。高速、高效、高精度切削加工要求刀具具有多种优异性能， “高韧性高强度基体+高硬度高耐磨性刃部”是未来刀具的主要发展方向。
