近幾十年來，隨著數(shù)控技術(shù)和切削刀具的不斷進步，切削加工技術(shù)得到了極大的發(fā)展。其中，高速切削技術(shù)憑借其生產(chǎn)效率高和加工質(zhì)量好的優(yōu)點，已成功應(yīng)用在航空航天、汽車制造和高鐵船舶等高精度制造領(lǐng)域的金屬及其合金材料的切削加工過程。而刀具作為切削加工的重要工具，對加工技術(shù)的發(fā)展起著重要的作用。刀具材料的各項性能指標決定了刀具的加工能力、加工性能和工件的加工表面質(zhì)量。
圖1 高速切削圖片 來源：斯爾云官網(wǎng)
一、高速切削對刀具材料要求刀具材料種類較多，主要根據(jù)加工強度和性能要求選擇刀具材料。目前，刀具材料主要分為硬質(zhì)合金、金剛石、陶瓷、立方氮化硼四類。
圖2 高速切削對刀具材料要求
二、各刀具材料的特點及應(yīng)用每一種刀具材料都有特定的加工范圍，只能適應(yīng)一定的工件材料和一定的切削速度范圍，不同的刀具材料或同種刀具加工不同的工件材料時，刀具的壽命往往會存在很大的差別。合理選用刀具材料是成功進行切削加工的關(guān)鍵。
圖3 高速切削刀具
01（1）金剛石刀具金剛石是碳的同素異構(gòu)體，是目前已知的自然界中最硬的材料。金剛石為單一碳原子晶體結(jié)構(gòu)，屬于等軸面心立方晶系，且晶體間通過sp3雜化共價鍵連接。金剛石刀具分為單晶金剛石刀具和多晶金剛石刀具。但其不足之處是熱穩(wěn)定性較差，切削溫度超過700℃～800℃時，就會完全失去其硬度；此外，它不適于切削黑色金屬，因為金剛石（碳）在高溫下容易與鐵原子作用，使碳原子轉(zhuǎn)化為石墨結(jié)構(gòu)，刀具極易損壞。
圖4 金剛石刀具
圖5 金剛石刀具
02（2）立方氮化硼刀具立方氮化硼是純?nèi)斯ず铣傻牟牧?，它是由六方氮化硼在高溫、高壓條件下加入催化劑轉(zhuǎn)變而成的。性質(zhì)與形狀類似于石墨，硬度僅次于金剛石，熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性則強于金剛石。但不宜用于低速、沖擊載荷大的粗加工；同時不適合切削塑性大的材料（如鋁合金、銅合金、鎳基合金、塑性大的鋼等），因為切削這些金屬時會產(chǎn)生嚴重的積屑瘤，而使加工表面惡化。
圖6 立方氮化硼刀具
圖7 立方氮化硼刀具
03（3）陶瓷刀具現(xiàn)代陶瓷刀具材料大多數(shù)為復(fù)合陶瓷，其種類及可能的組合如圖8所示。目前國內(nèi)外廣泛使用的、以及正在開發(fā)的陶瓷刀具材料基本上都是根據(jù)下圖的組合，采取不同的增韌補強機制來進行顯微結(jié)構(gòu)設(shè)計的，其中以氧化鋁基和氮化硅基陶瓷刀具材料應(yīng)用最為廣泛。氧化鋁基陶瓷刀具有20多個品種，氮化硅基陶瓷刀具有10多個品種，前者占全部量的三分之二。但陶瓷刀具材料性能上存在著抗彎強度低、沖擊韌性差問題，不適于在低速、沖擊負荷下切削。
圖8 陶瓷刀具材料的種類及組合
圖9 陶瓷刀具
圖10 陶瓷刀具
04（4）硬質(zhì)合金材料刀具硬質(zhì)合金材料刀具可分為碳化鎢基硬質(zhì)合金和碳（氮）化鈦（TiC(N)）基硬質(zhì)合金。根據(jù)碳合物鎢基可分為鎢鈷類（YG）、鎢鈷鈦類（YT）、添加稀有碳化物類（YW）三類。碳（氮）化鈦基硬質(zhì)合金是以TiC為主要成分（有些加入了其他碳化物或氮化物）的硬質(zhì)合金，常用的金屬黏結(jié)相是Mo和Ni。
圖11 硬質(zhì)合金刀具
圖12 硬質(zhì)合金切削工具圖片
來源：東莞市鴻恩金屬材料
三、刀具材料的現(xiàn)狀及展望01（1）金剛石刀具天然金剛石由于價格昂貴高，受到嚴重限制。但近年來，CVD法合成金剛石發(fā)展迅速，而且，由于CVD法合成金剛石在質(zhì)量、尺寸、凈度、功能等多方面的優(yōu)勢，有望異軍突起。同時開發(fā)大尺寸金剛石單晶或多晶金剛石膜不僅可降低制造成本，還可提升合成金剛石的檔次，CVD法合成的金剛石在培育鉆石和刀具涂層的研究開發(fā)仍需深入。
02（2）立方氮化硼刀具對于cBN的研究和開發(fā)，在大顆粒的合成技術(shù)方面遠遠落后于金剛石。應(yīng)研究粗顆粒（毫米級及以上）cBN的低成本合成生產(chǎn)技術(shù)和工藝的穩(wěn)定化。cBN經(jīng)過幾十年的發(fā)展，作為超硬材料用于磨料應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，但在作為功能材料方面的應(yīng)用開發(fā)具有廣闊的發(fā)展空間，應(yīng)加快基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)開發(fā)。
03（3）陶瓷材料刀具近年來，由于控制了原料的純度和晶粒尺寸，添加了各種碳化物、氮化物、硼化物、氧化物和晶須等，采用多種增韌機制進行增韌補強，使得陶瓷刀具材料性能都大幅度提高，而且現(xiàn)代陶瓷刀具材料大多數(shù)為復(fù)合陶瓷。同時，納米金屬陶瓷刀具、涂層氮化硅陶瓷刀具、陶瓷與硬質(zhì)合金的復(fù)合刀片等新品也在不斷應(yīng)用中。
圖13 陶瓷材料刀具種類
04（4）硬質(zhì)合金材料刀具一般的硬質(zhì)合金刀具在加工高比強度或新型材料（纖維／顆粒增強金屬基復(fù)合材料、陶瓷、有色金屬等）時難免會造成刀具的過度磨損甚至損壞。因此需要不斷提高硬質(zhì)合金刀具的性能，近年來國內(nèi)外研究者對提升硬質(zhì)合金刀具性能展開了廣泛研究，從微觀與宏觀、實驗與模擬等方面揭示硬質(zhì)合金刀具強化機理和方法，并取得了創(chuàng)新性成果，今后硬質(zhì)合金刀具的性能提升依然會涉及到原材料、涂層和深冷處理方面。
總結(jié)總而言之，最近幾年，伴隨著高速切削加工的普及，刀具材料也在不斷豐富，能夠為高速切削加工技術(shù)的發(fā)展提供助力，應(yīng)該充分考慮加工材料的性質(zhì)以及高速切削加工的要求，做好刀具材料的合理選擇和使用，同時也應(yīng)該加快對于新的刀具材料的研發(fā)速度，例如，可以借助土層材料來對刀具的性能進行改善，延長其使用壽命，也可以對現(xiàn)有的技術(shù)進行整合，以現(xiàn)代計算機輔助工程技術(shù)，對高速切削加工刀具進行仿真分析﹐推動刀具材料研究進程的加快。
參考文獻：
（1）陶瓷刀具材料熱壓燒結(jié)過程的數(shù)值模擬研究郭建偉
（2）高速切削加工用刀具材料的研究 梁天
（3）高速切削加工刀具材料的性能分析及合理化選擇 丁杰等
（4）高速切削加工中的刀具材料要求及選用 徐嘉琦等
（5）陶瓷刀具材料的種類與應(yīng)用 葉毅
（6）硬質(zhì)合金刀具研究進展 祁志旭
