盡管陶瓷切削刀具具有在高溫領域硬度高、抗折強度好的材料特性，能夠實現遠超硬質合金的高速加工，但在這種高速切削過程中，磨損始終是其伴隨的永恒話題。陶瓷刀具的前后刀面不斷與工件、切屑接觸摩擦并劇烈摩擦，不可避免導致刀具表面的磨損，從而使刀具失效。為了提高陶瓷刀具在高速切削過程中的耐磨性，科研人員通過長期的觀察和實踐，在仿生摩擦學中獲取了靈感，他們發現動物身上一些微突起、微凹坑的微小結構具有減摩、耐磨等作用，于是，借鑒其中原理將這種結構特征運用到了陶瓷刀具的表面處理中，即對陶瓷刀具表面進行微織構。

陶瓷刀具表面并不是越光滑越好？

在我們的認知中，越光滑的表面摩擦力越小，也就越耐磨。但在切削刀具中卻恰恰相反，這是因為在高速切削過程中，光滑的刀具表面與工件、切屑之間的接觸面更大，也就意味著表面摩擦力越大，刀具越容易磨損，同時工件被切金屬的彈塑性變形和前后刀面處產生的大量切削熱也因較大的接觸面無法有效地散發，使從而刀具過熱并加速磨損。

刀具與切削接觸示意圖

通過對陶瓷刀具表面引入一些微小結構，不僅可以減少刀具與切屑之間的接觸面積，降低切削力和切削溫度，還可在這種細微結構中添加固體潤滑劑，切削時產生的高溫使固體潤滑劑軟化而形成連續的固態潤滑膜可改善陶瓷刀具表面的潤滑效果。此外，這種織構紋理能夠儲存切削碎屑及涂層顆粒，當涂層顆粒被擠壓參與接觸時，刀具與切屑間的接觸狀態由滑動接觸變為滑動—滾動復合接觸，有效降低兩者間的摩擦系數，對于陶瓷刀具的表面也有一定的保護作用。

切削液在織構刀具—切屑間的滲透潤滑

如何加工？

由于陶瓷刀具屬于硬脆材料，且其表面的微細結構的排布方式以及結構參數都會其切削性能造成影響，引入的細微結構通常要求非常精細，因此加工較為困難。目前常采用激光加工、磨削加工、聚焦離子束等方式在陶瓷刀具表面引入細微結構。其中最為常用的方法是激光加工。

（1）激光加工是利用具有高能量密度的激光束聚焦并照射至工件表面，使聚焦位置獲得極高溫度，使加工材料熔化氣化，具有可控性較好、加工速度快、通用性強、熱影響區小的特點，且在合理使用激光參數的情況下，不會對陶瓷刀具表面涂層造成損壞，可加工出納米級的精細結構表面，是陶瓷刀具目前最常用的表面加工手段之一。

激光加工陶瓷表面微織構形貌

（2）聚焦離子束是通過將具有特定直徑和強度的離子束直接撞擊到陶瓷刀具表面上，從而構建出特征尺寸等于或小于1μm的精細結構表面，與激光加工一樣，離子束具有高分辨率，且對基材的選擇沒有限制，但因加工速度較慢，該技術僅限于小尺寸精細表面的加工。

（3）微磨削加工也叫超精密磨削，相較其他工藝，微磨削加工過程非常簡單，成本也較低。通常是利用砂輪等磨削工具來磨蝕去除材料，形成的毛刺較少，微觀織構形態平滑，對于溝槽的制備相對簡單，但對于凹坑的制備較為困難，因此在應用上受到了限制。

微磨削示意圖及構造的表面結構

（4）微噴砂是一種物理過程，因此也是一種能夠適應不同種類材料的一種表面處理技術，能夠構造出具有連續的微溝壑和大量表面微凸體的表面精細結構，適用于構造面積較大的精細表。但一般情況下，表面織構的大小和形狀取決于微磨料粉末的晶粒尺寸、空氣壓力和噴嘴對表面距離的影響，不確定性較大。

微噴砂示意圖及在刀具表面構造的精細結構

各種表面處理工藝對比

總結

在陶瓷刀具表面構造細小的微觀結構，可以減少刀具與磨屑、工件的接觸表面，并起到自潤滑的效果，在高速/高性能切削加工、航空航天以及醫療機械等諸多領域有著廣泛的應用前景。在目前的表面處理方法中，激光加工因可控性較好、加工速度快、通用性強的特點，成為了陶瓷刀具表面處理的最常用方法。未來，充分利用仿生學技術，進一步深入研究微織構刀具減磨機理，開發具有摩擦阻尼更小的微觀織構，將是陶瓷切削刀具一個新的發展方向。

參考文獻：

1、郭江,王興宇,趙勇等.微織構刀具制備技術及加工性能研究新進展[J].機械工程學報.

2、軒文濤,陳光軍,王建肖等.表面微織構刀具切削加工技術[J].工具技術.

3、屠春娟,郭旭紅,郭大林等.不同形貌微織構自潤滑陶瓷刀具切削性能的對比[J].機械工程材料.

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