傳統的切削加工工藝包括車削、銑削、鏜削等。在金屬切削加工過程中，刀具的前、后刀面不斷與切屑和工件接觸，并發生劇烈摩擦，接觸區處于高溫、高壓狀態。一方面，發生在刀具上的摩擦與磨損會造成刀具鈍化失效，使切削無法進行；另一方面，發生在工件上的劇烈摩擦則會使加工表面質量惡化。    

現代切削加工過程中，一般使用切削液來降低加工過程中的摩擦和磨損。但切削液的存儲、使用以及廢棄處理需要專門的物流系統，因而費用很高。此外，我國制定的國家危險廢物名錄中明確規定切削液為乳化液屬于危險廢物，切削液的排放對環境的污染非常嚴重。這些缺陷使得人們希望能夠減少甚至完全避免切削液的使用，干式切削方法應運而生。

圖1 刀具切削加工示意圖，其中四個箭頭為濕加工中潤滑液進入的四種可選擇方向（圖片來源：自潤滑陶瓷刀具的設計開發及其自潤滑機理研究）

根據德國的CDMA和日本精密工程協會的研究表明：切削加工中切削液的費用占生產總費用的15％到17％，而刀具成本占總生產費用的2％到4％。如果20％的切削加工采用干式加工，總的制造成本可降低1.6％。

環境友好加上經濟效益驅動，干式切削方法已經成為傳統切削加工方法的必然方向。但是相比于傳統的濕切削，干切削也有一些不足：由于缺少切削液的潤滑和冷卻作用，刀具前刀面-切屑、刀具后刀面-工件之間的摩擦會加劇，切削溫度急劇升高，刀具的磨損嚴重，刀具壽命下降，加工表面質量惡化。所以，干切削對刀具提出了更高的要求：

1. 刀具應具有優異的耐高溫性能；

2. 刀具與切屑之間的摩擦系數要盡可能小；

3. 刀具應具有高硬度和耐磨性。

針對以上幾點要求，陶瓷刀具尤其是自潤滑陶瓷刀具似乎天然地與之匹配。

圖2 針對鎳基高溫合金加工的陶瓷銑刀（圖片來源：歐士機）

自潤滑陶瓷刀具材料是指刀具自身具有減摩、抗磨效果，在沒有外界輔助潤 滑條件下，刀具自身具有潤滑功效，自潤滑陶瓷刀具材料在切削過程中，由于自潤滑特性，能夠減少摩擦的產生、提高刀具的使用性能以及加工精度，從而在很 大程度上改善當前在工件加工過程中所出現的誤差大、刀具壽命短以及精度不夠 等問題，降低了因多次更換刀具、浪費材料而產生的環境污染和資源濫用程度， 從根本上推進了工業的可持續發展。

實現陶瓷刀具自潤滑效果的方法主要有2種：

1. 將具有潤滑性質的固體相加載至該類型材料的基體中，然后將兩者的混合物進行燒結整合。

2. 在實際的加工過程中，由于工件變形熱以及刀具摩擦熱所產生的熱量非常巨大，在如此高溫的環境之下，刀具的加工表面就會產生一系列的反應，而正是這種反應產生了一種具有潤滑特性的膜。實驗表明，該類型反應膜具有一定的潤滑效果，能夠在很大程度上減小摩擦。

目前，自潤滑陶瓷刀具已經在實際生產中獲得應用。例如，在航空航天領域，鎳基高溫合金的抗高溫性能非常好，其性質可以長期保持穩定，所以廣泛應用于航空器材各種高溫部件的應用中，比如渦輪盤、燃燒室等。隨著我國工業化進程的不斷推進，鎳基高溫合金的應用不僅限于航空航天事業中，冶金、交通和石油等行業也開始逐漸應用鎳基合金。不過，由于鎳基合金屈服強度192MPa，其切削力比45號鋼高50%，導熱系數只有45號鋼的1/5，切削溫度高，且極易產生積屑瘤，并且合金中的金屬碳化物硬質點，對刀具有強烈的顆粒沖擊，是典型的難加工材料。

圖3 鎳基高溫合金的應用實例（圖片來源：中航邁特）

傳統硬質合金的紅硬性在600℃～800℃，在800℃之后，其硬度顯著降低，而陶瓷的紅硬性可達到1100℃～1300℃。這是陶瓷刀具適合作為鎳基高溫合金切削加工的基礎。

圖4 陶瓷材料和傳統硬質合金的硬度對比（圖片來源：刀具界）

對于鎳基高溫合金的切削加工，眾多公司開發出不同適應性的刀具。華昇科技是一家主業為刀具、量具、夾具的公司，圖5為華昇開發的一款適用于鎳基高溫合金加工的氮化硅陶瓷銑刀。據悉，氮化硅陶瓷的表面精加工至0.05μm～0.025μm時，摩擦系數可達0.01。此外，由于氮化硅材料具有自潤滑特性，同等條件下，摩擦系數小于多數材料，且在干摩擦條件下耐磨性良好。

圖5 上海華昇科技生產的氮化硅純陶瓷銑刀（圖片來源：華昇科技）

綜合而言，干切削加工技術是實現綠色制造的關鍵技術，是一種先進的制造技術，而干切削刀具制造技術則是切削加工技術中的關鍵技術。由于缺少切削液的潤滑和冷卻，干切削刀具在實際加工的摩擦條件會異常嚴酷，刀具磨損十分嚴重。“耐高溫+耐磨損+高硬度+低摩擦”的自潤滑陶瓷刀具的研究與應用，必然成為干切削加工實現的重要途經之一。

參考文獻

氧化鋁基自潤滑陶瓷刀具切削過程的有限元模擬與實驗研究，齊魯工業大學，陳俊玲。

自潤滑陶瓷刀具的設計開發及其自潤滑機理研究，山東大學，曹同坤。

By：火宣