近幾十年來，隨著數控技術和切削刀具的不斷進步，切削加工技術得到了極大的發展。其中，高速切削技術憑借其生產效率高和加工質量好的優點，已成功應用在航空航天、汽車制造和高鐵船舶等高精度制造領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，對加工技術的發展起著重要的作用。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量。

高速切削 圖片來源：斯爾云官網

一、高速切削對刀具材料要求

刀具材料種類較多，主要根據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合金、金剛石、陶瓷、立方氮化硼四類。

高速切削對刀具材料要求

二、各刀具材料的特點及應用

每一種刀具材料都有特定的加工范圍，只能適應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鍵。

高速切削刀具

（1）金剛石刀具

金剛石是碳的同素異構體，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構，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，使碳原子轉化為石墨結構，刀具極易損壞。

金剛石刀具

金剛石刀具

（2）立方氮化硼刀具

立方氮化硼是純人工合成的材料，它是由六方氮化硼在高溫、高壓條件下加入催化劑轉變而成的。性質與形狀類似于石墨，硬度僅次于金剛石，熱穩定性和化學穩定性則強于金剛石。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生嚴重的積屑瘤，而使加工表面惡化。

立方氮化硼刀具

立方氮化硼刀具

（3）陶瓷刀具

現代陶瓷刀具材料大多數為復合陶瓷，其種類及可能的組合如圖8所示。目前國內外廣泛使用的、以及正在開發的陶瓷刀具材料基本上都是根據下圖的組合，采取不同的增韌補強機制來進行顯微結構設計的，其中以氧化鋁基和氮化硅基陶瓷刀具材料應用最為廣泛。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。

陶瓷刀具材料的種類及組合

陶瓷刀具

陶瓷刀具

 （4）硬質合金材料刀具

硬質合金材料刀具可分為碳化鎢基硬質合金和碳（氮）化鈦（TiC(N)）基硬質合金。根據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）的硬質合金，常用的金屬黏結相是Mo和Ni。

硬質合金刀具

硬質合金切削工具 圖片來源：東莞市鴻恩金屬材料

三、刀具材料的現狀及展望

（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法合成金剛石發展迅速，而且，由于CVD法合成金剛石在質量、尺寸、凈度、功能等多方面的優勢，有望異軍突起。同時開發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仍需深入。

（2）立方氮化硼刀具

    對于cBN的研究和開發，在大顆粒的合成技術方面遠遠落后于金剛石。應研究粗顆粒（毫米級及以上）cBN的低成本合成生產技術和工藝的穩定化。cBN經過幾十年的發展，作為超硬材料用于磨料應用已經非常成熟，但在作為功能材料方面的應用開發具有廣闊的發展空間，應加快基礎研究和應用技術開發。

（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，而且現代陶瓷刀具材料大多數為復合陶瓷。同時，納米金屬陶瓷刀具、 涂層氮化硅陶瓷刀具、陶瓷與硬質合金的復合刀片等新品也在不斷應用中。

陶瓷材料刀具種類

（4）硬質合金材料刀具

一般的硬質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合金刀具的性能，近年來國內外研究者對提升硬質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合金刀具強化機理和方法，并取得了創新性成果，今后硬質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

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的發展提供助力，應該充分考慮加工材料的性質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，同時也應該加快對于新的刀具材料的研發速度，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，也可以對現有的技術進行整合，以現代計算機輔助工程技術，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過程的數值模擬研究 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用  葉毅

（6）硬質合金刀具研究進展  祁志旭

作者：晴天