干式切削工具：实现清洁化生产的有效途径

干式切削加工能消除切削液污染，是实现清洁化生产的有效途径，而干式切削加工技术的发展主要取决于干式切削加工刀具的开发与应用。干式切削加工刀具设计时总是考虑几何参数、刀具材料和涂层之间的相互兼顾，不可能只通过选择合适的刀具材料来用于干式切削加工，或者只用涂层方法使传统的刀具变成干式切削加工刀具。

2.3.1 干式切削加工对刀具的要求

干式切削加工由于不用切削液，因而不可避免地会使加工中产生的热量增加，导致切削温度升高、排屑不畅、刀具寿命变短、生产效率降低，并使表面加工质量变差。只有克服这些不利因素，才能使干式切削加工具有湿式切削加工的同样效果，从而使干式切削加工得到成功应用。与湿式切削加工相比，干式切削加工刀具的工作条件更为恶劣，对刀具的要求也就更为严格，如图8-5所示。

图8-5 干式切削加工对刀具的要求

（1）刀具应具有优异的耐高温性能。干式切削加工通常是在高速下进行（低速下的干式切削加工也有应用，如低速拉削等），加工产生的切削热主要作用于由刀具、工件、机床和工艺装备组成的工艺系统。随着切削速度的提高，切削温度会上升，因此，干式切削加工的切削温度较湿式切削加工时的切削温度高，因而刀具要有更高的耐高温性能。目前的刀具材料中，如新型硬质合金、陶瓷和PCBN等有足够的耐高温磨损性能，能够在干式切削加工条件下使用。此外，对刀具表面进行涂层，在切削过程中就会在刀具与切屑之间增加了一道隔热屏障，阻止热量传递到刀具基体上，因而能保证刀具切削刃的锋利性，显著提高刀具的耐高温性能。

（2）干式切削加工时，刀具/切屑及刀具/工件表面之间的摩擦系数要尽可能小。湿式切削加工通常是采用切削液来降低刀具/切屑及刀具/工件表面之间的摩擦系数。但干式切削加工由于没有切削液，切削区产生的高温会造成化学不稳定性、刀具与切屑之间的摩擦增大、排屑速度减慢，因而极易产生积屑瘤，加剧刀具磨损。因此，必须采取措施减小切屑和刀具之间的摩擦系数，例如，选择刀具材料与工件材料的合理匹配及对刀具表面涂层等方法。

（3）干式切削加工刀具的结构要保证排屑方便快捷，以减小热量堆积。为了保证工件加工质量和刀具具有一定的寿命，要求传入其中的热量尽可能少，这样在产生相同热量的情况下，切屑必须带走更多的热量，这就需要刀具必须能够快速排出切屑，即以尽可能高的金属切除率进行加工，这样可使刀具和工件之间的接触时间最短，传入工件和刀具的热量就会大幅度减少，当然机床的布局也要适应高速切削，并尽可能使切屑快速离开工作区。

（4）刀具应具有更高的强度和耐冲击韧度。选择适宜于干式切削加工的刀具材料，如超细晶粒硬质合金、陶瓷和金属陶瓷刀具材料、金刚石和立方氮化硼（CBN）等，也可在高速钢、硬质合金基体上进行适宜的涂层，如TiAlN涂层、TiCN涂层、TiAlN+MoS₂涂层、类金刚石碳（Diamond-Like Carbon，DLC）涂层等。金刚石和CBN可用于干式切削加工铸铁、过共晶铝合金、各种钢和钛合金等。

（5）干式切削加工刀具安装要求安全可靠。干式切削加工通常是在高速加工状态下进行的，要求刀片在刀体上定位夹紧牢固、安全，刀具与机床连接可靠；必须对刀体、刀片和刀具与机床的连接进行特殊结构设计，以保证刀具在高速回转时能正常工作。

2.3.2 干式切削加工刀具材料的选择

由于干式切削加工不同于以往的传统切削加工，它对刀具材料提出了更高的要求。合适的刀具材料是干式切削加工的基本条件。干式切削加工刀具材料的选择，首先应考虑干式切削加工的特点，即刀具材料应具有耐高温、耐磨损、高韧性、低摩擦系数等性能。工件材料不同，所选用的刀具材料也不同。表8-1为加工常见工件材料时适宜的干式切削加工刀具材料。

表8-1 加工常见工件材料时适宜的干式切削加工刀具材料

其次，刀具材料的选择还应考虑加工要求、加工方式等因素，并进行必要的试验研究。如有色金属干式切削较为理想的刀具材料是K10和K20硬质合金，而精加工时金刚石刀具则效果更好。

1.硬质合金刀具材料 国际标准化组织（ISO）将切削用硬质合金按用途分为P类、K类和M类。P类（WC+TiC+Co）包括P01、P10、P20、P30等，主要用于加工热轧、锻造或铸造高合金钢，退火工具钢（低于45HRC）等材料。K类（WC+Co）包括K01、K10、K20、K30等，主要用于加工奥氏体钢、淬硬钢（高于45HRC）、冷硬铸铁、铸铁、有色金属、高温合金以及非金属材料等。M类包括M05、M10、M20、M40等，由于这种硬质合金有良好的综合性能，因而其应用范围更为广泛。

（1）P类硬质合金。P类硬质合金由于含有TiC，因而具有较高的硬度，特别是具有较高的耐磨性，在高温时的硬度和抗压强度比K类硬质合金高，抗氧化性能好。在用P类硬质合金干式切削钢材时，金属切除率常常不是受刀具抗月牙洼磨损能力的限制，而是受刀具抗塑性变形能力或抵抗刀具后刀面快速磨损能力的限制。

P类硬质合金的导热性能差，切削时传入刀具的热量较少，大部分热量集中在切屑中，切屑受强热后会发生软化，因而有利于干式切削加工的顺利进行。

（2）K类硬质合金。K类硬质合金有较高的抗弯强度和抗冲击韧性（与P类硬质合金相比），这可减少切削时的崩刃。同时，K类硬质合金的热导率比较大，有利于切削热从刀尖散走，降低刀尖温度，避免刀尖过热软化。因此，K类硬质合金比较适合干式切削加工铸铁、有色金属和非金属材料。

（3）超细晶粒硬质合金。一般普通硬质合金中的WC粒度为微米级，而超细晶粒硬质合金WC的粒度在0.2～1μm之间，大部分在0.5μm以下。这种硬质合金也称为超微粒硬质合金。

超细晶粒硬质合金是一种高硬度、高强度兼备的硬质合金，它具有硬质合金的高硬度和高速钢的强度。其含钴量通常在9%～15%之间，硬度一般为90～93HRA，抗弯强度为2000～3500MPa。与含钴量相同的WC−Co（YG）类硬质合金相比，其硬度一般要高1.5～2HRA，抗弯强度要高600～800MPa，这是由于其硬质相和钴高度分散，增加了粘结面积，提高了粘结强度。这种合金的高温硬度比一般WC−Co要高。

我国研制的YM051、YM052、YM053属于超细晶粒硬质合金范围，其平均晶粒尺寸为0.4～0.5μm，1μm以下的占95%以上。它兼有高硬度和高强度，硬度大于92.5HRA，抗弯强度在1600MPa以上。YM051和YM052的通用性很强，既能干式切削加工钢材，又能干式切削加工铸铁，还能干式切削加工耐热合金，特别是对难加工材料的干式切削加工的效果尤为显著。YM053则主要用于干式切削加工各种铸铁。

2.金属陶瓷刀具材料 金属陶瓷是硬质合金的一种，与前述WC基硬质合金不同。它主要的硬质相成分是TiC和TiCN，具有高的抗磨损性能。作为刀具材料的金属陶瓷，应用最广泛的是Ti（C，N）基金属陶瓷，通常以TiC为主要成分，Ni作为粘结金属，增加其含量，可提高合金的强度，但会使合金的硬度降低。向Ni中添加Mo（或Mo₂C），可改善液态金属对TiC的湿润性，使TiC晶粒变细，可提高合金的强度及硬度。Ni和Mo的总含量（质量分数）通常为20%～30%。

Ti（C，N）基金属陶瓷的性能特点是：

1）硬度很高。一般可达91～93.5HRA，有些可达94～95HRA，即达到陶瓷刀具硬度水平。

2）有很高的耐磨性和理想的抗月牙洼磨损能力，在高速切削钢时磨损率极低。其耐磨性可比WC基硬质合金高3～4倍。

3）有较高的抗氧化能力。一般硬质合金月牙洼磨损开始产生温度为850～900℃，而Ti（C，N）基金属陶瓷为1100～1200℃，高出200～300℃。TiC氧化形成的TiO₂有润滑作用，所以氧化程度较WC基合金低约10%。

4）有较高的耐热性。Ti（C，N）基金属陶瓷的高温硬度、高温强度与高温耐磨性都比较好，在1100～1300℃高温下尚能进行切削加工。一般切削速度可比WC基硬质合金高2～3倍，可达300～400m/min，即使切削加工某些高硬度材料和难加工材料，切削速度也可达200m/min。

5）化学稳定性好。Ti（C，N）基金属陶瓷刀具切削时，在刀具与切屑、工件接触面上会形成Mo₂O₃、镍钼酸盐和氧化钛薄膜。它们都可以作为干润滑剂，以减少摩擦。Ti（C，N）基合金与钢不易产生粘结，在700～900℃时也未发现粘结情况，即不易产生积屑瘤，加工表面粗糙度较低。

Ti（C，N）基金属陶瓷在具有良好的综合性能的同时，还可以节约普通硬质合金所必需的Co、Ta、W等贵重稀有金属。随着资源消耗速度的加快和绿色制造的推广应用，Ti（C，N）基金属陶瓷必会成为一种应用广泛的工具材料。

3.陶瓷刀具材料 陶瓷刀具比硬质合金刀具有更高的化学稳定性，可在高的切削速度下进行切削加工，并持续较长的时间。纯氧化铝可以耐非常高的温度，但是它的强度和韧性很低，工作条件如果不好，容易破碎。为了降低陶瓷对破碎的敏感性，加入氧化锆或碳化钛与氮化钛的混合物，以改善其韧性和提高耐冲击性能。虽然使用陶瓷刀具加工效率很高，但是应用必须正确。例如，陶瓷刀具不能用于加工铝，而对灰铸铁、球墨铸铁、淬硬钢和某些未淬硬钢、耐热合金则特别合适。陶瓷刀具由于具有高耐热性和良好的化学稳定性，非常适合于干式切削加工。但陶瓷材料脆性大、强度及韧性差等固有物理特性却在很大程度上限制了它在干式切削加工中的应用。新型陶瓷材料的开发较好地解决了这一难题。

（1）高纯度细晶粒氧化铝陶瓷刀片。提高陶瓷材料强度及韧性最有效的方法是减小陶瓷晶粒尺寸，提高材料纯度。在陶瓷刀片制造过程中，特别是在高温烧结时，存在晶粒长大现象。为遏制晶粒长大，常在陶瓷粉末中加入MgO作为抑制剂，但该氧化物烧结后形成玻璃相，沉积于晶界处，使晶界分离，从而降低了晶界强度，且易产生晶间碎裂。如能在低温下烧结陶瓷，则无须添加抑制剂，就可避免上述现象，提高陶瓷刀片性能。

日本学者开发了一种微细颗粒（0.22μm）、高纯度（99.99%）的新型氧化铝陶瓷粉末用于制造陶瓷刀片。这种微细粉末具有很大的比表面积（15.1m²/g），压实时具有极大的表面能，在此能量作用下，烧结时所需温度明显降低，在1230℃时即可充分烧结，这就意味着烧结时无须添加抑制剂，从而使晶界处无杂质存在。

（2）加入结晶纹理或碳化硅晶须，提高氧化铝陶瓷韧性的方法。在陶瓷材料的增韧补强方面常用的主要方法（粒子弥散增韧、氧化锆相变增韧和晶须增韧）中，实践证明，晶须增韧不仅增韧效果好，而且适用于室温和高温，因此该方法是目前陶瓷材料的最佳增韧手段。

SiC增韧Al₂O₃基陶瓷材料是国外研究最多、应用最广的陶瓷刀具材料，它比一般陶瓷刀具材料表现出更好的韧性、强度和导热性，可大大提高加工速率和加工质量，且刀片寿命长，抗机械冲击和热冲击性好，可加工各种难加工材料，且刀片质量稳定。这种方法可在材料中形成特殊的、很结实的SiC晶须（平均直径φ为1mm，长度为20μm），其作用犹如钢筋混凝土中的钢筋，它能成为阻挡或改变裂纹发展方向的障碍物，极大地增加了陶瓷的韧性、强度和抗热冲击性能。晶须加强陶瓷是一种很有前途的干式切削加工刀具材料。

4.聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具材料 PCBN是干式切削加工中应用较为广泛的超硬刀具材料。这主要是因为这类刀具材料具有优良的切削加工性能。

（1）PCBN的种类。按添加成分的不同，PCBN可以分为直接由CBN单晶烧结而成的PCBN和添加一定比例粘结剂的PCBN烧结体两大类；按制造复合方式分，有整体PCBN烧结块和与硬质合金复合烧结的PCBN复合片两类。目前应用较广的是带粘结剂的PCBN复合片。添加的粘结剂比例不同，PCBN硬度也不同，粘结剂含量越多，则硬度越低；粘结剂种类不同，PCBN的用途也不同。表8-2所示为常见粘结剂的PCBN刀具及其用途。

表8-2 常见粘结剂的PCBN刀具及其用途

（2）PCBN刀具的性能。由于CBN晶体与金刚石晶体都属闪锌矿型，且晶格常数相近，化学键类型相同，因此它具有接近金刚石的硬度和抗压强度，是自然界中硬度仅次于金刚石的矿物质（显微硬度达8000～9000HV），而又由于其是由N、B原子所组成，因此它具有比金刚石更高的热稳定性和化学惰性。PCBN刀具主要性能如下：

1）具有很高的硬度和耐磨性。CBN单晶的显微硬度为8000～9000HV，其硬度仅次于金刚石，至少是其他刀具材料（如碳化硅、氧化铝、硬质合金）硬度的2倍，是工具钢的6倍。PCBN复合片的硬度一般约为3000～5000HV，如图8-6所示。PCBN刀具的耐磨性约为陶瓷刀具的2～5倍，是涂层硬质合金刀具的5～10倍，如图8-7所示。因此，用于加工高硬度材料时，它具有比硬质合金及陶瓷刀具更高的耐磨性，能减小大型零件加工中尺寸偏差及尺寸分散性，尤其适用于自动化程度高的加工设备，可减少换刀、调刀的辅助时间。

2）具有很高的热稳定性和高温硬度。PCBN刀具的耐热性可达1400～1500℃，在800℃时仍具有相当Al₂O₃/TiC陶瓷刀具的常温硬度。因此，当切削温度较高时，被加工材料会软化，此时工件材料与刀具间的硬度差增大，有利于切削加工进行，而对刀具寿命影响不大。

图8-6 各种刀具材料的硬度

图8-7 刀具材料的耐磨性比较

3）具有较高的化学稳定性。CBN具有很高的抗氧化能力，在1000℃时不产生氧化现象，与铁系材料在1200～1300℃时不发生化学反应，但在1000℃左右时与水产生水解作用，造成大量CBN被磨耗。因此，PCBN刀具最适合干式切削加工方式。

4）具有良好的导热性。CBN材料的热导率低于金刚石，但大大高于硬质合金，并且随切削温度的提高，PCBN刀具的热导率会增大，可使刀尖处的热量很快传出，有利于加工精度的提高。

5）具有较低的摩擦系数。CBN与不同材料的摩擦系数在0.1～0.3之间，大大低于硬质合金的摩擦系数（0.4～0.6），而且随摩擦速度及正压力的增大略有减小。因此，低的摩擦系数及优良的抗粘结能力，使PCBN刀具切削时不易形成滞留层或积屑瘤，有利于加工表面质量的提高。

图8-8a、b是两种不同的PCBN刀具材料[PCBN1：90%（质量分数）CBN；PCBN2：65%（质量分数）CBN）]在断续和连续切削时的性能对比情况。在试验条件下，PCBN2显得较为耐磨，但在恶劣的条件下，PCBN1的性能则显得更为适用，如图8-9所示。PCBN在高速干式切削加工情况下，比湿式切削加工具有更长的刀具寿命，如图8-10所示。这是因为，干式切削加工时的切削温度高，PCBN刀具在高温下硬度降低少，而工件材料在高温下硬度大幅度下降。刀具硬度与工件硬度在高的切削温度下的这种相对变化，有利于干式切削加工的顺利进行。

图8-8 不同的PCBN刀片的磨损曲线

图8-9 切削状态与PCBN1、PCBN2的选择

图8-10 干式切削加工与湿式切削加工情况下 PCBN刀具寿命与切削速度的关系

5.聚晶金刚石（PCD）刀具材料 聚晶金刚石（PCD）复合片是由粒度为微米级的金刚石颗粒与Co、Ni等金属粉末均匀混合后，在高压高温下，在碳化钨（WC）基材上烧结而成的一种刀坯新材料。PCD复合片不仅具有金刚石的高硬度、高耐磨性、高导热性、低摩擦系数等优越性能，同时还具有硬质合金的良好强度和韧性。PCD复合片还具有导电性，因此可用线切割机切割成所需刀头，将刀头焊接在刀体上，经过刃磨制成PCD刀具。

PCD刀具材料的主要性能表现在：

1）PCD的硬度可达8000HV，为硬质合金的80～120倍；

2）PCD的热导率为700W/（m⋅K），PCD刀具热量传递迅速；

3）PCD的摩擦系数一般仅为0.1～0.3（硬质合金的摩擦系数为0.4～1），因此PCD刀具可显著减少切削力；

4）PCD的热膨胀系数仅为0.9×10^-6～1.18×10^-6℃^-1，仅相当于硬质合金的1/5，因此，PCD刀具热变形小，加工精度高；

5）PCD刀具与有色金属和非金属材料间的亲和力很小，在加工过程中切屑不易粘结在刀尖上。

在实际选用时，应根据PCD刀具的使用场合、被切削材料的特性以及加工的具体要求，选用适当牌号和粒径的PCD复合片制作刀具刀头。一般情况下，复合片中金刚石体积分数高或粒径较大的，耐磨性较好，金刚石体积分数低或粒径小的，则韧性较好。

2.3.3 干式切削加工刀具涂层及应用

除了选择适宜的刀具材料外，对刀具表面进行涂层对干式切削加工来讲是非常重要的。涂层可以减少切屑与刀具之间的摩擦与粘结，并通过降低热穿透能力减小基体的热效应，因此，涂层通常被认为是刀具表面的“固态润滑剂”。

目前，所有刀具中的40%是涂层刀具，同时为了适应更宽的加工范围和优化加工工艺，新涂层也在不断地出现。涂层刀具最适宜于干式切削加工，因为适宜的涂层既可承受高的切削温度，降低刀具/切屑及刀具/工件表面之间的摩擦系数，减小刀具磨损和产生的热量，还可使刀具具有强韧的基体及满足切削要求的切削刃或工作表面。因此，适宜的基体与涂层组合及经济可行的涂层工艺技术是干式切削加工的关键技术之一。

1.常用涂层及其性能 涂层刀具整体性能的优劣与基体材料及涂层本身的性能密切相关。常用的涂层基体材料主要是硬质合金、高速钢等，涂层材料主要有TiC、TiN、TiAlN、Al₂O₃、MoS₂金刚石等，涂层方式有单涂层及多涂层。涂层厚度通常在2～18μm之间，较薄的涂层比厚涂层在冲击切削条件下，经受温度变化的性能要好，这是因为较薄的涂层应力较小，不易产生裂纹。在快速冷却和加热时，厚的涂层就像玻璃杯极快地加热冷却一样，容易破碎，用薄涂层刀片进行干式切削加工可以延长刀具寿命高达40%。表8-3是常见涂层的物理力学性能。

表8-3 常见涂层的物理力学性能

表8-4是各种常用涂层的散热特性。由该表可知，各种涂层的散热性能与TiN相比，TiAlN最好，TiC次之。因此，干式切削加工刀具大都采用了TiAlN作为涂层物质。有的厂商采用Al₂O₃和TiCN复合涂层，刀具也可获得优异的耐磨性。

表8-4 各种常用涂层的散热特性

（1）TiN涂层。TiN涂层是使用最广泛的刀具涂层材料之一。其常用的基本材料是高速钢。TiN的硬度远高于高速钢，摩擦系数低，并且具有良好的韧性，很高的热硬度，能承受一定的弹性变形的压力。其热膨胀系数与高速钢相近，在切削过程中，当温度变化时，它们间的热应力较小，具有良好的结合强度。它还具有良好的化学稳定性、抗腐蚀性和抗氧化性，不易与被切削金属发生化学反应。另外，TiN膜的制备方法简单，几乎可以用所有的物理和化学气相沉积法制备。

TiN涂层刀具主要用于高速切削或加工较高硬度的材料，如正火材料或调质材料的切削加工、锡青铜材料的滚切，以及螺纹加工和钻削加工。

图8-11所示是TiN涂层钻头进行干式钻削加工时，刀具寿命与非涂层钻头使用5%乳化液时的寿命基本相同，这就意味着TiN涂层在这里承担并代替了乳化液的功能。

图8-12是采用TiN涂层高速钢拉刀进行干式切削加工与普通湿式切削加工的拉削长度对比情况。从该图可以看出，干式拉削加工完全可行，拉刀寿命提高5～10倍（工件材料为16CrNiMo6 BG和42CrMo4V），而且取消了含氯切削液的使用。

（2）Al₂O₃涂层。Al₂O₃涂层具有良好的力学性能、极好的热硬性和化学稳定性，因此，Al₂O₃涂层刀片具有良好的抗月牙洼磨损性能，刀具寿命得到很大提高。另外，Al₂O₃涂层具有低的热导率，且随着温度的升高而降低，在切削加工过程中，可阻碍切削热传到刀具的切削刃，防止切削刃受热发生塑性变形所导致的突然失效。

图8-11 TiN涂层对钻头转角磨损和切削路程的影响

1—非涂层，干切削 2—非涂层，5%乳化液 3—TiN涂层，干切削 4—TiN涂层，5%乳化液注：钻头直径：φ18mm；钻孔深度：35mm；钻头材料：高速钢；工件材料：45号钢；工件材料硬度：200HB；切削速度：35m/min；每齿进给量：0.05mm。

图8-12 干式切削加工与普通湿式切削加工的拉削长度比较

注：拉削速度为10m/min，切削厚度为0.1mm。

Al₂O₃涂层主要用于硬质合金刀具表面，其涂层后的刀具兼有陶瓷刀具的耐磨性和硬质合金的强度，适用于陶瓷刀具因脆性大而易于崩刃场合，可用来切削加工铸铁和高速钢。

例如，用Al₂O₃涂层刀具加工汽车铸铁制动盘和制动鼓等零件时，其耐用度比TiC涂层刀具、金属陶瓷及陶瓷刀具要高2～4倍，比硬质合金刀具高6～8倍。在365～550m/min的切削速度范围内可与陶瓷刀具相比。一般在Al₂O₃涂层与基体间增加一层TiC、TiN或TiCN膜，不但可以提高耐磨性，而且可防止高温下Co、W等元素从硬质合金基体中向涂层扩散，从而改善涂层与基体的结合强度。但中间层TiC作为脆性相，会降低膜的强度。

（3）TiAlN涂层。TiAlN是一种较好的能高速干式切削加工的涂层。TiAlN抗氧化温度高，这种含铝的涂层，在切削时会生成Al₂O₃膜，具有较好的抗氧化性能，开始氧化温度为700～800℃，高于TiC、TiN等涂层的氧化温度。TiAlN在高温时比TiN更硬，且具有热稳定性。其高温时产生的氧化膜（Al₂O₃膜）可改善刀具与工件、切屑的摩擦，减少热量的产生。此外，TiAlN涂层的热导率也低于TiN等涂层，从而起到隔热作用，使刀具在干式切削加工时能承受更高的温度。图8-13是干式铣削加工时，TiN和TiAlN涂层刀具的切削性能比较，结果表明TiAlN涂层刀具具有明显的优越性。

（4）刀具表面的富氧TiAlON涂层。TiAlN比TiN涂层有更高的耐氧化性，这主要是因为TiN在600℃就产生氧化，而TiAlN在800℃时才开始氧化，并且由于氧化，在刀具表层形成致密的Al₂O₃层增加了TiAlN膜的抗扩散和抗氧化能力。非合金化的Al₂O₃显微硬度比较低（1500HV0.05），但Al₂O₃刀具材料却具有高的抗磨损性，这主要是由于Al₂O₃中的α相有良好的氧化稳定性和高的热稳定性。

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图8-13 涂层高速钢端铣刀干式铣削加工时的最大磨损值（铣削路程）

注：切削速度：20m/min；进给量：55mm/min；铣削宽度：15mm；铣削深度：2.5mm；铣削路程：1m；工件材料：st1.2379。

通过加入氮，可形成Al-O-N涂层。若再加入钛，形成了富氧Ti-Al-O-N涂层，使涂层的显微硬度和耐磨损性会得到进一步的提高。因此，通过物理气相沉积（PVD）工艺形成的TiAlON涂层具有更高的氧化稳定性，而且显微硬度提高很多，改善了刀具干式切削加工时的耐磨损性。

单层TiAlON涂层由于界面之间的氧化杂质，其显微硬度较低（<2000HV0.05），粘结强度不高。为了确保有良好的粘结强度和高的显微硬度，可以采用TiAlN−TiAlON基的多层涂层。

2.超硬材料涂层

（1）金刚石（PCD）涂层。金刚石涂层具有许多适合于刀具切削的性能特点，主要表现在以下几个方面：

1）具有极高的硬度和耐磨性；

2）与有色金属的摩擦系数比其他材料都低，约为硬质合金的一半，不仅降低了变形和切削力，而且不产生积屑瘤，改善了加工表面粗糙度；

3）具有高的弹性模量，可长期保持切削刃的锋利性，有利于减小切削及磨削力；金刚石涂层还具有高的化学稳定性，耐绝大部分酸、碱和溶剂的腐蚀。

但是高温下金刚石化学活性高，与被加工工件材料发生化学反应，导致化学磨损，所以金刚石涂层刀具不适合加工铁合金。金刚石涂层刀具主要用来加工Al−Si合金、Ti合金、Cu合金、纤维强化聚合物以及复合材料等。

干式切削加工铝合金时减少粘结的涂层为金刚石（PCD）涂层、类金刚石碳（DLC）涂层或碳化钨/碳（WC/C）涂层，它们都是具有很低的摩擦系数和良好的抗粘结性能。这类涂层的硬质合金刀片比PCD复合刀片有更合理的几何参数，可降低切削温度，WC/C涂层还具有软涂层的特点。

目前，形成金刚石涂层的方法主要有三类：等离子法、材料热电子放射法和化学反应法。等离子法根据等离子发生方法的不同又可分为微波等离子法、高频等离子法及电弧等离子法；材料热电子放射法（热丝法）是最早开发的金刚石气相合成法；化学反应法是用乙炔和氧的混合气体的燃烧焰内得到的乙炔过剩部分生成金刚石。从金刚石成膜的稳定性、速度及整体成本来看，目前主要采用的是微波等离子法和热丝法对刀具进行涂层。

金刚石涂层刀具最本质的问题是金刚石膜与基体的附着强度，附着强度在很大程度上取决于基体材料的性质。陶瓷中的Si₃N₄与金刚石有良好的附着力，而含钴硬质合金就很差（主要是两者热膨胀系数不匹配）。其次取决于基体表面状态，在基体上刻划微痕可大大改善金刚石的生成和附着力。美国QQc公司开发了一种可使金刚石与硬质合金材料之间得到真正冶金结合的扩散工艺，其优点是热导率大、热扩散快，与铝不亲和，且可对复杂刀具及成型刀具进行涂层。

目前，金刚石涂层主要用于硬质合金基体，且以薄膜涂层（涂层厚度小于50µm）为主。薄膜金刚石涂层可以用于诸如有断屑台车刀、立铣刀、特型铣刀及钻头等复杂刀具。厚膜金刚石涂层的研究及商品化也是目前的研究热点之一，它主要用于平刀片表面的涂层。

（2）类金刚石碳涂层。在开发具有高硬度、低摩擦、粘结趋势小的涂层材料方面，人们做了大量的工作。通过物理气相沉积（PVD）法所形成的硬涂层，如TiN、CrN、TiAlN等均具有一定的减摩效果，但与金属之间的干摩擦值范围通常在0.3～0.6之间，这对于干式切削加工而言仍然比较高。在这一方面，类金刚石碳（Diamond-Like Carbon，DLC）涂层是最好的选择。DLC是一种非晶体，其大量的类金刚石结合剂在很大程度上决定了涂层的电学、光学、机械和化学特性。

通常，这类涂层不导电（电阻率范围为10⁶～10¹²Ω·cm），击穿电压约为10⁶V·cm^-1，其颜色在深棕色到深灰色之间变化，在波长1.2～1.5µm的红外区间是透明的。它不会受任何化学物质的影响，但会很快地被氧等离子体带走。加入适当的原子，可从本质上增加这类涂层对氧等离子体的稳定性。

类金刚石碳涂层的主要力学性能包括：

1）显微硬度在2000HV（纯α-C：H）到3000HV（加入原子或合金化的α-C：H）之间；

2）与金属的干摩擦系数为0.1（相对湿度为50%时）；

3）弹性恢复能力为90%；

4）与其他材料几乎不产生粘结反应；

5）最大耐久温度，对钢基体为600℃，而对于陶瓷基体则大于800℃；

6）可以进行涂层的材料包括钢、铝、镁、陶瓷等。

加入适当原子的类金刚石碳涂层刀具可以用来加工钢材。通常碳和铁会产生相互作用，但类金刚石碳涂层没有这种趋势，这是因为掺杂物可使类金刚石碳的原子结构稳定性增加，这样就可以加工钢和铁材料，其寿命是TiN涂层刀具的2倍。特别是在高速钻削和加工钢件螺纹时，其寿命大约是非涂层刀具的17倍。图8-14是类金刚石碳涂层刀具与TiN、金刚石涂层刀具的加工性能的比较。加工工件材料是AlSi18，这种材料由于含有大量的偏析硅晶体，因而与刀具的粘结趋势很强。从该图可以看出，类金刚石碳涂层刀具与TiN、金刚石涂层刀具相比，类金刚石碳涂层刀具的磨损最小。

图8-14 类金刚石碳涂层刀具与TiN、金刚石涂层刀具的加工性能比较

注：加工方式：横向车削；工件材料：AlSi18；刀具材料：HMK10，TiN-D/DLC；冷却方式：切削液。

（3）氮化碳（C₃N₄）涂层。氮化碳是20世纪90年代初才出现的新型超硬材料。20世纪80年代后期Cohen等人通过理论计算预言类似β-Si₃N₄结构的βC_-3N₄化合物可能具有超过金刚石的硬度，此说立即引起国内外研究人员的广泛关注。1993年Niu首先宣布用激光烧蚀法得到了β-C₃N₄薄膜。随后研究人员用电子回旋共振-化学气相沉积（ECR−CVD）、热丝CVD、反应磁控溅射等方法成功合成了氮化碳薄膜。

武汉大学自1994年起研究氮化碳的合成方法。先后用射频CVD、磁控溅射等方法成功合成了氮化碳薄膜，并研究了氮化碳薄膜在高速钢衬底上的镀膜工艺。氮化碳涂层刀具有以下特性：

1）超硬性。氮化碳涂层的超硬特性是其在刀具上应用的关键。由表8-5可知，将氮化碳镀在刀具表面将极大提高刀具的表面硬度。

表8-5 各种材料硬度比较

2）较好的热稳定性。用热失重（TG）−差热分析（DTA）研究氮化碳在室温至1200℃的热稳定性发现，石墨相含量较小的样品在上述范围内无明显的热失重，证明氮化碳薄膜具有较好的热稳定性。

3）与Fe元素的低亲和性。由于氮化碳中的C—N共价键与金刚石中的C—C共价键不同，N的电负性更强，束缚住了碳原子，使其难以与Fe发生亲和反应，从而使其能用于切削黑色金属。

由于氮化碳涂层刀具具有高的硬度、良好的抗磨损能力和热稳定性，使其成为较理想的干式切削加工刀具。试验表明，镀有氮化碳的钻头比没镀氮化碳的钻头寿命提高25倍，比镀氮化钛的钻头寿命提高3倍。此外，该涂层刀具还能进行硬质面加工，并可以取代部分磨削。

3.软硬组合涂层 刀具可进行软、硬两种涂层的结合，每种涂层各有优、缺点，能否将两种涂层的优点集中起来，更有效地提高刀具的切削性能，为此出现了软硬涂层相结合的组合涂层。例如，用TiN与MoS₂一起作为在基体材料上的基本涂层。固体润滑涂层沉积在硬质材料涂层上，在切削楔角部位达到一种功能分离的效果，硬质材料涂层起到改善刀具耐磨性的作用，而固体润滑涂层降低了切屑与刀具之间的摩擦。

（1）WC/C与TiAlN的组合涂层。美国一家刀具制造企业研制了一种称为BALINIT HARDLUBE的软硬结合的双层涂层，这种涂层在没有润滑剂的情况下，可以改善排屑性能。其中的硬质涂层是氮铝化钛（TiAlN），而软质涂层，即润滑层是碳化钨/碳（WC/C），它具有中等硬度和低的摩擦系数。这两种涂层的组合能改善切屑流动状态，并且减小了刀具与切屑表面的摩擦，降低了切削力。

BALINIT HARDLUBE组合涂层是通过PVD技术来完成的。TiAlN层主要通过铝化钛在活性氮气体中沉积而成，WC/C层通过喷涂沉积而成。BALINITHARDLUBE的TiAlN层在切削过程中可保护切削刃，而不致在高温下产生磨损。外层的WC/C层的滑动性和润滑性可减小切削应力，同时可控制切屑的形成，减小切屑流动摩擦。WC/C层的微观硬度可达1000（HV0.005）。表8-6是各种PVD涂层与BALINIT HARDLUBE组合涂层的性能比较。

表8-6 不同PVD涂层性能比较

（2）基于MoS₂的组合涂层。MoS₂是一种具有润滑作用的软涂层，摩擦系数很小（与钢的摩擦系数为0.04～0.09），可代替切削液减少刀具/切屑表面之间的摩擦，它能防止积屑瘤产生，又有利于切屑排出。这种涂层具有特氟隆（Teflon）的特性，与刀具基体表面粘结性能优良，且形成的涂层表面光滑、摩擦系数小。其中第一种涂层就是基于二硫化钼（MoS₂）的涂层，被称为MOVIC。在含9%Si的硅铝合金工件上攻螺纹时，非涂层丝锥（基体为含钴10%的超细晶粒硬质合金）可加工20个孔，TiAlN涂层丝锥可加工1000个孔，而MOVIC涂层丝锥可加工4000个孔。另一种涂层是组合涂层，即将MOVIC软涂层涂覆在某种硬涂层之上，这种涂层的刀具也在钻削钢及含9%Si的硅铝合金中得到了成功应用。

MoS₂+TiAlN的复合涂层刀具具有较好的综合性能，特别适合于钻削与攻螺纹。由于铝合金在切削时易产生粘刀，为防止这一现象，一般都应用切削液，而采用TiN+MoS₂复合涂层干式铣削加工AlSi₁₀Mg铸铝比未涂层的湿式铣削加工，其耐用度提高10%。

MoS₂与金属或其他涂层组合在一起可极大地改善刀具的切削性能。如MoS₂与金属Ti组成的组合涂层（其代号为MoST），其硬度比MoS₂本身的硬度高，且具有优良的耐磨性能，应用范围非常广泛。这种涂层有低Ti（含Ti 10%）和高Ti（含Ti 20%）两种。低Ti组合涂层的显微硬度为500HV，在100N载荷作用下的摩擦系数为0.02，磨损率很低。而高Ti组合涂层的硬度比TiN低，在100N载荷作用下的摩擦系数为0.04，磨损率比低Ti组合涂层还要低很多。

MoS₂/Ti组合涂层刀具在众多切削加工中表现出了比普通硬涂层刀具优异的性能。例如用分别涂有TiN、TiCN（低含碳量）、TiAlN（高含铝量）、TiN+MoS₂、TiCN（低含碳量）+MoS₂涂层的高速钢丝锥钻头进行钻削对比试验。试验分别在干式和加注切削液（混合油及20%的水溶液）的条件下进行，在AISI400不锈钢（板厚为11.7mm）上钻削直径φ5.5mm的通孔、切削速度分别为10m/min（转速为530r/min）和22m/min（转速为1060r/min）条件下，不同涂层钻头加工孔的数量比较如图8-15所示。

图8-15 不同涂层钻头加工孔的数量比较

在TiN及TiCN上涂覆MoS₂/Ti组合涂层的钻头在干式加工条件下，其加工孔的数量是TiN涂层钻头的2倍，是TiCN涂层钻头的4.1～4.8倍。在TiCN硬涂层上再进行MoS₂/Ti涂层的钻头在采用混合油的加工条件下，钻头的寿命提高了2.4倍。

4.纳米涂层刀具 纳米涂层（Nanocoatings）是20世纪80年代末期才出现的，对干式切削加工来说，这是很有前途的涂层方法。纳米材料是指材料颗粒尺寸在100nm以下、直径接近原子尺寸（0.2～0.3nm）的粒子，这时，很多传统的物理原则将不复存在，而出现光、电、磁、化学、力学性能的奇异变化，因此纳米材料被人们誉为“21世纪最有前途的材料”。纳米涂层可采用多种涂层材料的不同组合，如金属/金属组合、金属/陶瓷组合、陶瓷/陶瓷组合、固体润滑剂/金属组合等，以满足不同的功能和性能的要求。设计合理的纳米涂层可使刀具的硬度和韧性显著增加，使其具有优异的抗摩擦、磨损及自润滑性能，十分适合于干式切削加工。

从摩擦、润滑和磨损的观点看，硬质合金刀具的多层纳米涂层可分为四类：

1）硬/硬组合：碳化物、硼化物、氮化物、氧化物之间的组合，如B₄C/SiC、B₄C/HfC、TiC/TiB₂、TiN/TiB₂、TiC/TiN等。

2）硬/软组合：碳化物/金属组合，如B₄C/W、SiC/Al、SiC/W、SiC/Ti等。

3）软/软组合：金属/金属组合，如Ni/Cu等。

4）具有润滑性能的软/软组合：固体润滑剂/金属组合，如MoS₂/Mo、WS₂/W、TaS₂/Ta、MoS₂/Al-MO等。

这些复合涂层每层由两种材料组合而成，厚度仅为几纳米。根据切削性能需要及涂层性质，可交互叠加涂覆上百层，总厚度可达2～5μm。

纳米涂层的涂覆可采用先进的封闭场不平衡磁溅射（CFUMS）法获得。该方法与普通磁溅射法相比，具有效率高、功率消耗小、溅射室压力小、温度低、靶到工件距离大等优点，获得的涂层更纯净、更致密、性能更一致。此外，试验证明，CFUMS法生产重复性好，涂层具有更高的粘结强度，摩擦系数恒定，因而在干式切削加工中具有更长的使用寿命。

采用CFUMS涂覆工艺在硬质合金刀具和HSS钻头上涂覆B₄C/W多层纳米涂层（100层双材料层，每层B₄C厚度为1.3nm），然后分别采用未涂层刀具、普通单涂层（TiAlN）刀具、三涂层（TiC/TiCN/TiN和TiC/Al₂O₃/TiN）刀具，在105m/min的切削速度下对中碳钢进行了干式切削加工对比试验。试验结果表明，纳米涂层刀具的后刀面磨损量比未涂层刀具和常用的TiC/Al₂O₃/TiN三涂层刀具大大减小。此外，随着切削时间的延长，纳米涂层刀具的切削力，与未涂层刀具、TiC/TiCN/TiN三涂层刀具和TiAlN涂层刀具相比，也显著减小。

采用固体润滑剂多层纳米涂层（MoS/Mo双材料涂层，共400层，总厚度3.2μm，每层厚80nm）HSS钻头（直径φ9.5mm）与未涂层钻头进行了干式切削对比试验。加工工件材料为Ti-6Al-4V合金（这种材料热导率低，切削时易生成积屑瘤，加工硬化现象严重，属难加工材料），转速为2200r/min。试验结果表明，测得的钻削力和钻头磨损量与进给量呈函数关系。未涂层钻头钻进时，钻削力急剧增大，最后导致钻头卡入工件中，而多层纳米涂层钻头钻进时的钻削力减小约33%，在相同的钻削时间内钻削顺利，未发生钻头卡住现象或其他故障，钻削性能显著优于未涂层钻头。切削试验表明，纳米涂层刀具是适于干式切削加工的理想刀具。

2.3.4 干式切削加工刀具的设计要点及应用

尽管近几年在新型刀具材料的制备与开发上取得了很大的进步，但用金属陶瓷、陶瓷、CBN和PCD制造的刀具仍然是比硬质合金要脆得多，不能经受太大的压力，因此用这些材料制造的刀具必须结合其特点进行设计，即对它加强支撑、分散压力。

（1）为了加强刀具刃口强度，通常可采用以下三种刃口强化措施：

1）T型刃带。T型刃带就是一个倒棱——在刃口上磨出窄的平面，以取代较脆弱而锋利的刀刃。用此方法进行刀具设计时，一个重要的任务就是要找出最小的平面宽度和能赋予刀刃适当强度和寿命的角度，这是因为大的宽度和加大刀片的角度无疑会增加切削力。

2）强化。强化就是圆整一下锋利的刃口。虽然强化刀具不像T型刃带那样有棱有角，但是强化对用于精加工的先进刀片材料效果很好。这些强化刀具应该用于切削时低速进给，并保持切削压力最小。

（2）干式车（铣）削加工刀具设计要点。在车削或铣削加工中，切屑通常带走大部分热量，对于普通铣削或车削刀具，由于切屑和前刀面接触面积大，会使积聚的热量增加，产生月牙洼磨损，降低刀具寿命。而采用图8-16所示的几何形状刀片，则会大大减小刀具与切屑之间的接触面积，使切屑带走大量热量。图8-17为干式切削加工（车削或铣削）和普通加工的过程示意图，由图可见，当切屑流过普通刀片前刀面时，由于接触面积大，传入刀具热量多，从而产生月牙洼磨损，降低刀具寿命；而采用图8-16所示的刀片，刀具前刀面上有加强棱，刀具与切屑的接触面积也大大减小，绝大部分热量被切屑带走，切削温度可比普通刀片降低约400℃，同时也增大了剪切角，使刀具寿命显著提高，这样可允许采用更高的切削速度，从而提高了生产效率；或保持普通的切削速度，则刀具寿命可提高3～4倍。

图8-16 干式切削加工中铣削刀片的几何形状

图8-17 干式车削和普通车削的加工过程比较

对于陶瓷刀具，由于其脆性较大，因此可以选用T型或双T型棱面，或者研磨，或几种方法的组合。如美国某公司推荐将0.5mm×（−30°）的T型棱面用于Al₂O₃+TiC刀片，干式加工淬硬钢，并尽量采用小的主偏角。根据不同刀片几何形状，半精车时的刀具主偏角为5°～30°，常用的刀片几何形状是正方形、三角形和80°菱形。

对CBN刀具，若倒棱太大，加工淬硬钢时，刀头处产生高温，会使刃口很快磨损，因此一般不采用大倒棱，刃口可采用斜面或倒圆及负前角、尽可能小的主偏角。建议的取值范围为：（15°～25°）×0.25mm的T型倒棱，再进行0.01～0.03mm的研磨。

（3）干式螺纹加工刀具设计要点。目前，在用丝锥攻螺纹时，以采用含有机氯化物抗极压的乳化液效果最好，但有机氯化物对环境污染很大。为了完成干式攻螺纹，在丝锥参数设计时必须考虑以下几方面的问题：

1）丝锥几何参数要使其有低摩擦阻力，以获得尺寸准确和表面粗糙度值小的螺纹；

2）丝锥槽型设计应使切屑易于卷曲，并自由离开螺孔；

3）对丝锥表面进行涂层处理，以获得理想的表面状态，使在高切削应力下保护丝锥。

德国Emuge螺纹刀具厂为减小环境污染，研制开发了öKO丝锥，即生态有利丝锥，它可在较广范围的材料上攻螺纹而无需切削液。这种丝锥的尺寸范围有两种，即M5～M10的加强柄尺寸系列和M12～M20的尺寸系列。

除选择合理的刀具材料及进行适宜的涂层外，干式切削还需根据不同工况条件选用合适的刀具结构及几何参数。如可采用热管式刀具、回转型刀具和特殊几何形状的新型刀片等，以获得更理想的干式切削加工效果。

图8-18所示为热管式车刀和热管式面铣刀。它们的结构与普通车刀和硬质合金面铣刀相同，所不同的是在车刀刀体或铣刀的单个刀齿内部制成了热管。热管刀具是一种自冷却刀具，它可大大降低切削温度（热管的热导率比相当的银、铜棒高几百倍），提高冷却效果，故无需再从外部浇注切削液，尤其适合于在数控机床、加工中心和自动生产线上应用。图8-19是采用热管式刀具的效果对比。从该图中可以看出，利用热管式刀具时，在相同条件下，其切削温度可降低50～60℃，热管式刀具前刀面的平均温度仅为普通刀具的2/3。热管式刀具目前已成功应用于车刀和铣刀上，一般可提高刀具耐用度2～3倍。可见，热管式刀具用于干式切削加工，将有助于提高刀具耐用度。

图8-18 热管式车刀和热管式面铣刀

图8-19 热管式刀具的效果对比

日本三菱金属公司开发出一种适用于干式切削的“回转型车刀”，该刀具采用圆形超硬刀片，刀片的支持部分装有轴承，在加工中刀片能自动回转，使切削刃始终保持锋利，具有工效高、加工质量好、刀具寿命长等特点。

近几年，国外还开发了许多大前角车削刀片（如美国Carbolo公司推出的一种ME-13新型硬质合金刀片上的前角达34°）和带正前角的螺旋形切削刃铣削型刀片，旨在减小切削力、降低切削温度来满足干式切削时对刀具的要求。日本某公司开发的WEN型面铣刀采用可转位波型刃刀片，干式铣削加工时的效果十分显著。这种刀片是在分析各种制约铣刀性能的因素的基础上开发出来的：在刀片最易损伤的刀尖圆弧附近，设计出较小的轴向前角，以提高刃尖强度；而与刃尖圆弧远离的部分，轴向前角又设计得较大，以便减轻切削时的抗力。另外，波型刃刀片还可减缓切削时的冲击，保持较长久的稳定切削状态。与原有的同规格面铣刀相比，这种铣刀的切削抗力可减小30%以上。

图8-20 吸引式车刀的原理

图8-21 吸引式铣刀工作原理图

开发易于排屑的刀具结构也是干式切削加工刀具的一个发展方向。国外已开发出了利用冷风、真空原理等的刀具，用这种刀具进行切削加工，对环境不会造成任何污染，而且排屑效果非常好。图8-20是吸引式车刀的原理，它是利用真空原理，在切削区形成负压，通过管道将切屑吸走。图8-21所示的是吸引式铣刀，这种铣刀可使切屑回收95%以上，大大改 善了环境，降低了成本。这种刀具最适宜于柔性制造系统（FMS）或加工中心等现代加工设备。