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干切削刀具的补强增韧

随着人类对资源和环境的认识，工业生产领域提出了绿色制造和清洁生产的概念。由于机械产品的制造过程是直接消耗资源和产生废弃物的主要环节，因此绿色加工工艺愈来愈受到重视，并成为未来制造业的重要发展方向之一。

目前切削加工工艺的绿色化主要集中在不使用切削液。干切削是消除切削液污染，实现清洁化生产的有效途径。机械制造企业逐步取消切削液，选用干式加工，主要是出于经济和环境两方面的考虑：经济方面，据德国统计资料表明，使用切削液的费用占总成本的14%——17%，而切削刀具消耗的费用仅占制造成本的3%——4%;另据美国Balyers公司统计显示，切削液消耗是刀具费用的3——4倍。

环境方面，切削液的使用会使长期暴露在空气中的磨削液、合成切削液，尤其是雾状切削液对操作者的健康造成损害，同时还会造成工作场地、局部环境(水，气，土壤等)污染。近年来，美国在制造业广泛采用了干式加工。在欧洲已有一半的企业采用了干切削加工技术，尤其在德国，应用更为广泛。

研究表明，干切削技术的发展在很大程度上要依赖于新型刀具的开发与应用。

2干切削刀具的关键技术干切削加工时刀具要承受比湿切削更高的温度，干切削加工是要在没有切削液时创造具有与湿切削相同或相近的切削条件，刀具与切屑和刀具与工件接触面间的摩擦系数要尽可能小，而且还要求刀具能够断屑和有利于排屑，因此，对刀具提出了更高的要求，其关键技术主要有以下几个方面：刀具应有更高的强度和耐冲击韧性可选择适宜干切削的刀具材料，如超细晶粒硬质合金、陶瓷和金属陶瓷刀具材料、金刚石和CBN等;也可在高速钢、硬质合金基体上进行适宜的涂层，如TAIN涂层、HCN涂层、TiAIN+M8涂层、类金刚石DLC(DiamoncMike-Carbon)涂层等;还可以改进刀具设计、工艺等，以提高刀具的强度和耐冲击韧性。

切屑和刀具之间的摩擦系数要尽可能小干切削加工时，在切削区产生的高温将导致化学不稳定性增加、刀具与切屑之间的摩擦增大、排屑速度减慢、极易产生积屑瘤、加剧刀具磨损等。因此，须减小切屑和刀具之间的摩擦系数，有效的方法就是进行刀具表面涂层，并设计排屑良好的刀具结构。

刀具的结构要能快速排屑干切削加工中，为了保证工件加工质量和刀具寿命，要求刀具能快速排出切屑，使传入工件和刀具的热量大大减少。

刀具应具有优异的耐高温性能一方面，选择有足够的耐高温磨损性能，适宜在干切削条件下使用的刀具材料，如新性能硬质合金、聚晶陶瓷和CBN等;另一方面，对刀具进行涂层也是有效的方法，涂层在切削过程中的作用如同在刀具与切屑之间增加了一道力和热的隔离层，可阻止热量传递到刀具基体，保证刀具切削刃锋利，使刀头硬度不会很快下降，可大大提高其耐高温性能。生产实践证明，尽管在干切削中还不能将切削区产生的热量完全随切屑排出，但只要合理选择刀具材料、几何形状、切削参数，就能使绝大部分切削热随切屑排出，取得良好的加工效果。

因此，干切削加工须合理选择刀具材料及结构。本文仅就关键技术之一的刀具补强增韧技术进行探讨。

3补强增韧途径涂层刀具是当今干切削加工最常用的刀具，基体一般投资总额超过1600亿元是韧性较好的硬质合金，在基体上涂上一层或多层TiN、TiC、TiAIN之类的耐磨硬涂层，起耐热和隔热的屏障作用。为减少切削过程中的摩擦与粘附，往往又在硬涂层之上再加Mo+、WC之类起润滑作用的软涂层，使其集硬涂层的硬度高、热稳定性好和软涂层的摩擦系数低、自润滑性好的优点于一身。资料显示，在合金钢材料上干钻盲孔(孔深为直径的4倍)，无涂层的钻头干钻1个孔就损坏了，涂有TiAIN硬涂层的钻头干钻85个孔才失效，涂有TiAIN加―C复合涂层的钻头则可以加工108个孔。

3.1.1传统涂层方法在传统涂层里，不同的涂层材料根据磨损模型可以进行多层结构的组合和优化。内部(中间)涂层通常保证良好的抗后刀面磨损。最常用的中间层是Ti(C，N)，主要用于中温化学气相沉积。AI23常用在中间层的上面，起降低前刀面月牙洼磨损的作用，又可起到热屏障作用。一层薄的TiN通常沉积在复合涂层的顶面使刀具呈金黄色，有助于防止磨损。

3.1.2新型纳米涂层刀具为了改善刀具的切削性能，增加刀具的硬度、强度和韧性，新的刀具涂层材料及涂覆层出不穷，纳米涂层是其中较成功的一种。这种涂层可采用多种涂层材料的不同组合，诸如金属/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要求。设计合理的纳米涂层可使刀具的硬度、强度和韧性显著增加，使其具有优异的抗摩擦磨损及自润滑性能，适用于各种干切削加工。

由摩擦、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/软组合：碳化物/金属组合，如B4C/W、SiC/A、SiC/WSiC/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MS/Mo、W+/W、TaS/Ta、MoS/AI-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，可界面剂交互叠加涂覆上百层，总厚度可达2!!。2新型陶瓷刀具陶瓷刀具由于具有高耐热性和良好的化学稳定性，非常适合于干切削。但陶瓷材料脆性大、强度及韧性差等固有的特性却在很大程度上限制了它在干切削中的应用。新型陶瓷材料的开发较好地解决了这一难题。

3.2.1低温烧结微细高纯陶瓷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。

一种微细颗粒(0.22!m)、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，这就意味着烧镇海、上海和南京基地正按最大程度依托现有装置、设施及内涵挖潜的原则抓紧展开前期工作结时无须添加抑制剂，从而使晶界处无杂质存在。

3.2.2碳化物陶瓷-金属复合材料由于陶瓷材料的固有脆性限制了它们的应用，在陶瓷中引入纤维、晶须、颗粒及其他第二相材料提高其强度、断裂韧性和热稳定性，即构成了新型陶瓷基复合材料。

碳化物陶瓷-金属复合材料是应用最广泛的复合材料之一，如：1923年出现的碳化钨基硬质合金及20世纪50年代出现的碳化钛基陶瓷-金属(Ni-Co-Cr粘结合金)等。20世纪60年代以来国内主要使用的是TiC和WC基钢结硬质合金。

研究认为，Ni、Co、Cr和Si能与碳化钛形成坚固的粘结，成状沿晶界渗透，因而可作为陶瓷基材发挥粘结金属作用。对于Ti-Ni系统，1450.时，纯Ni对TiC的润湿角为30：。把过渡族金属加到Ni中，会使其润湿角减小。

Co同Ni―样可作为TiC基陶瓷-金属复合材料的粘结剂。然而，因为TiC-C系共晶温度(1370+)比Ti-Ni系统的共晶温度(1280+)高，所以用Co粘结的陶瓷-金属复合材料烧结时收缩较晚。两种合金中碳化物晶粒的长大是在1440+时开始的，所以TiC-Co烧结的最佳温度范围比TiC-Ni要窄些。

陶瓷一金属复合材料中，TiC经常添加其它碳化物，如：/"、乙尤：：：和贾匚等组成的碳化物相。另外，氮对TiC陶瓷一金属复合材料的组织和性能也产生良好的影响，低氮含量、高碳含量的复合材料具有高的机械性能。研究表明，在高温(1000+左右)和低应力下含TiN的陶瓷基一金属(Ni)复合材料的抗蠕强度已超过WC复合材料，这对降低材料成本，尤其是贫钨国家具有十分重要的意义。

碳化钨基陶瓷-金属(Co)基复合材料是传统优良的切削金属工具材料。为提高复合材料的切削强度、冲击韧性和稳定性，往往通过细化陶瓷(WC)晶粒结构来达到这一目的。研究认为，在WC-Co系统中添加碳在烧结温度下，饱和液相可阻碍WC晶粒的长大，其中抑制效果最显著的是VC，而后是Cr(C2、NbC和TaC.中添加0.015% 3.29%的Cu对复合材料的密度、晶粒大小和机械性能均有显著影响。例如添加Cu时，复合材料密度有明显增加，Cu含量为0.3： 1.0：时，可达到最大密度，其抗弯强度也达最大值。当Cu含量适当时，会抑制碳化物(W、Ti、Ta)晶粒的生长，使其平均尺寸降低;另外，Cu也会改善碳化物-金属液相间界面的拉直机润湿性。

碳化钨基-镍复合材料的性能与用Co为粘结剂相比，强度相对较低、可塑性较高。其抗断裂性能随Ni含量的增加和WC晶粒尺寸的加大而增强。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复合材料的强度、硬度提高。碳化钨基-镍复合材料中38%WC、17%TiC、40：ZrC和5：Ni成分，在最佳条件下烧结时，复合材料具有非常细小的碳化物晶粒，以及较高的硬度、强度和其他使用性能。

3.2.3晶须与颗粒增韧陶瓷陶瓷刀具有硬度高、化学稳定性和抗粘结性好、摩擦系数低等优点，是相对廉价的干切削刀具材料，但其强度、韧性和抗冲击性能差，为此加入各种补强增韧相并改进其压制工艺，可以显著提高陶瓷刀具的强度、韧性等。

目前，用于陶瓷增韧的晶须与颗粒主要采用的是碳化硅晶须与颗粒。晶须增韧的陶瓷基复合材料主要及SiCP/Y-TZP复合材料。

短纤维、晶须、颗粒增韧陶瓷复合材料常规制备方法是将增强(韧)材料与陶瓷进行冷压、烧结，该工艺烧结时，由于基体发生天线插头较大量的收缩，制出的复合材料具有较多裂纹。为改善晶须、颗粒在陶瓷基体中的分布均匀性，以及复杂形状的制性能而没有到达要求备，近年来，相继研究成功一些新技术、新工艺，如汽-液反应、化学气相蒸汽沉积、纳米复合技术等等。

晶须对陶瓷材料补强增韧的效果是很显著的。陶瓷基复合材料中，晶须增韧的主要机理是裂纹的偏转和晶须的拔出。在陶瓷基体中，加入第二相晶须后一般会产生裂纹的偏移，裂纹前缘遇到晶须后发生扭折，裂纹的表面增加，从而使韧性提高。在相同体积下，第二相颗粒的形状不同，对韧性增加的效果不同，一般棒状晶须的增韧效果最明显，球形颗粒的最低。

另外，裂纹尖端的应力场使晶须与基体材料间界面变弱，在外应力的进一步作用下，产生晶须的拔出现象。同时在基体开裂部位，裂纹的上下表面依靠晶须桥联，也使得裂纹尖端的应力集中被显著降低，从而使陶瓷基体增韧。

晶须对陶瓷材料补强增韧的效果是很显著的，例如SiCW/莫来石复合材料中，莫来石材料的室温抗弯强度(246MPa)和断裂韧性(!hc=2.9MPaj1/2G都很低，而晶须含量20% 30%(体积)时，强度提高到435MPa，断裂韧性也达到最大值约4.6MPa-m1/2.颗粒补强增韧陶瓷受影响的因素较多，包括：颗粒和基体界面之间的结合状态;颗粒和基体间的性质(热膨胀系数、弹性模量、韧性等)匹配;几何学因素(颗粒大小、形状、体积比……)。根据上述的影响因素，颗粒补强增韧的机理可分为以下几种。

当颗粒尺寸"p "m时，可能发生的机制是裂纹偏析或分枝;的机制是钉扎效应;当颗粒热膨胀系数《p m时，若两相界面车篮结合不强，则发生颗粒界面解离，裂纹尖端应力分散，裂纹扩展可终止或绕过颗粒相前进;若两相界面结合足够强时，则颗粒和基体产生的张应力更容易造成微裂纹，而构成裂纹增韧或更有助于裂纹偏析;ap!m时，颗粒受张应力，将有损于强化;当!!

在a-SiC陶瓷基体中添加TiC颗粒制备复合材料时，TiC颗粒使复合材料的强度和韧性明显提高。TiC的和440GPa;均为0.25.颗粒周围a-SiC基体上受张应力=1000MPa，在裂纹扩展时，遇到SiC颗粒则会发生裂纹偏析或分枝，使复合材料产生补强增韧作用。例如，255(体积)TiC颗粒(直径0.8m)/SiC复合材料室温的抗弯强度可高达586MPa，断裂韧性c*7.15MPa-m1/2. 4可转位刀具为达到补强增韧目的，还可采用陶瓷可转位刀具，设计时要注意以下几点。

由于刀片材料强度(包括抗弯、抗冲击强度)低于硬质合金，故可采用无孔刀片型式。

刀片刃口需采用倒棱处理或其它增强处理。

刀片采用0 法后角(专用刀片有时采用5.、7.法后角)。

无孔刀片采用上压式结构夹紧，必要时采用双重夹紧。

在相同切削条件下，选择陶瓷刀片的刀尖圆弧半径应大于硬质合金刀片。

5结语干切削加工是一种理想的绿色制造工艺方法。由于干切削加工尚存在诸多待研发的课题，目前其应用范围还不是很广泛，但对它的研究却已成为当前的热点之一。针对干切削加工的关键技术，研发新型的刀具材料、改进刀具设计及工艺，将加速完善干切削加工技术，加速干切削加工技术的推广使用。

张崇高，钱昌明，等。新型金属陶瓷刀具在干切削中的应用。

刘志峰。干切削加工刀具及其设计。制造技术与机床，1999，吴希让。用于干切削的新型刀具。工具技术，1999，(2)：.李树尘，陈长勇，许基清，等。材料工艺学。北京：化学工业出版社，2000.王西彬。绿色切削加工技术的研究。机械工程学报，2000，制造技术、切削刀具等领域研究。

美国科学家用碳纳米管造出了世界上最小的电动机，它的直径约为500nm，比头发丝还要小300倍，能够在电压驱动下转动。

纳米电动机是美国加利福尼亚大学伯克利分校的科学家设计的。电动机的旋转叶片是一片金叶，长度不到300nm，叶片安装在一根由多层碳纳米管做成的转轴上。多层碳纳米管由多根口径不同的空心圆管套在一起，两端装有二氧化硅制的电极，将它固定在一块硅片上，碳纳米管的周围还安置了另外3个电极。在碳纳米管与其中一个电极之间施加电压，就能使它带动金叶片转动。如果电压更大，碳纳米管最外面一层管子就会与内层脱离，使金叶片旋转得更灵活。恒定的电压能使叶片保持在固定的位置，周期性的电压则能使它以一定速度旋转。

此前也有科学家研制出多种微小的纳米电动机，但有的尺寸更大，有的需要激光或磁驱动，操作不如它灵活方便。这种纳米电动机容易驱动、运动灵活，对温度和化学条件要求宽松，甚至在真空里也能运转，因此有着很大的应用潜力，例如以金叶片为反射镜操纵光信号，或通过叶片的共振转动速度来探测化学物质等。