1．引言

綠色制造工藝技術(shù)是以傳統(tǒng)的工藝技術(shù)為基礎(chǔ)，并結(jié)合材料科學(xué)、表面技術(shù)、控制技術(shù)等新技術(shù)的先進(jìn)制造工藝技術(shù)。其目標(biāo)是對(duì)資源的合理利用，降低成本，減少對(duì)環(huán)境造成的嚴(yán)重污染。綠色制造是清潔生產(chǎn)的重要組成部分，根據(jù)綠色制造“節(jié)約能源、節(jié)約資源、污染最小，有利環(huán)保”的指導(dǎo)思想，綠色切削應(yīng)具備以下特征：(1)最大限度地節(jié)約能源：在切削加工過(guò)程的各個(gè)階段所消耗的能源應(yīng)最少，使能源得到最有效的利用。(2)最大限度地利用材料資源：綠色切削應(yīng)盡可能減少材料的使用量和使用材料的種類(lèi)。(3)最大限度地減少污染、保護(hù)環(huán)境：綠色切削從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工工藝編制到切削加工、設(shè)備維護(hù)乃至切屑、廢液回收處理的各個(gè)過(guò)程中均應(yīng)是低耗、對(duì)環(huán)境無(wú)負(fù)面影響或污染甚小。

機(jī)械制造在整個(gè)制造業(yè)中占有主導(dǎo)地位，尤其是面對(duì)中國(guó)逐漸成為世界的生產(chǎn)制造基地，機(jī)械工業(yè)中的綠色制造技術(shù)顯得尤為重要。如何在實(shí)際生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)機(jī)械零件的綠色制造，是機(jī)械行業(yè)技術(shù)人員必須認(rèn)真研究的問(wèn)題。干式切削就為了保護(hù)環(huán)境和降低成本而有意識(shí)地在機(jī)械加工中減少或完全停止使用切削液的加工方法，能使企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益協(xié)調(diào)優(yōu)化地發(fā)展。從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，國(guó)外對(duì)干式切削技術(shù)進(jìn)行了大量研究，并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，取得了一定的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，干式切削技術(shù)已成為金屬切削加工發(fā)展的趨勢(shì)。

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2.切削液的負(fù)面影響

在金屬切削加工中，常常使用切削液。切削液的主要作用是降低切削溫度，改善加工過(guò)程的摩擦磨損狀態(tài)，從而提高工件的表面質(zhì)量，延長(zhǎng)刀具的使用壽命。然而，近幾年隨著社會(huì)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展意識(shí)的提高，人們已開(kāi)始從切削液的整個(gè)生命周期關(guān)注它所帶來(lái)的一系列負(fù)作用：

（1）制造成本增加

隨著切削用量的成倍增大，切削液的消耗量也大幅提高，因而它在零件制造成本中所占的比例也大大增加。據(jù)國(guó)外許多統(tǒng)計(jì)資料表明，切削液及切削液的供給、保養(yǎng)、回收及切削廢液的處理等費(fèi)用加在一起，占總制造成本的16%，而刀具消耗的費(fèi)用僅占制造成本的4%。這個(gè)統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)必須引起人們的高度重視，因?yàn)樵诋?dāng)今日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本和銷(xiāo)售價(jià)格，已成為企業(yè)生存與發(fā)展的重要因素。 123,123

（2）嚴(yán)重污染環(huán)境

切削液是金屬切削加工中造成環(huán)境污染的一個(gè)重要根源。如乳化液不僅含有油，而且含有燒堿、油酸皂、乙醇和苯酚等有害物質(zhì)。如果這些切削液未經(jīng)處理直接排入外界，就會(huì)污染土地、水源和空氣，嚴(yán)重影響動(dòng)植物的生長(zhǎng)，破壞生態(tài)環(huán)境，不利于可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施。

（3）直接危害操作工人的身體健康

目前生產(chǎn)中廣泛使用的水基切削液或多或少都含有對(duì)人體有害的化學(xué)成分。在切削過(guò)程中，切削液受熱揮發(fā)，形成煙霧，在車(chē)間工作區(qū)常常彌漫著難聞的異味。切削液產(chǎn)生的油煙會(huì)引起工人肺部和呼吸道的多種疾病，切削液與人體直接接觸會(huì)誘發(fā)多種皮膚病，直接影響工人的健康。

為使金屬切削加工盡可能少地產(chǎn)生污染，人們提出了“清潔化生產(chǎn)”這一概念。干切削是消除切削液污染，降低產(chǎn)品成本，實(shí)現(xiàn)清潔化生產(chǎn)的最有效的途徑。從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，國(guó)外對(duì)干式切削技術(shù)進(jìn)行了大量研究，并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，取得了一定的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，干式切削技術(shù)已成為金屬切削加工發(fā)展的趨勢(shì)。 123456

3.干切削刀具材料

實(shí)現(xiàn)干式切削的最大技術(shù)難題是刀具，他是使干式切削加工得以順利進(jìn)行的關(guān)鍵因素。刀具在切削加工過(guò)程中，要承受很大的壓力，同時(shí)由于切削時(shí)產(chǎn)生的金屬塑性變形以及在無(wú)切削液的情況下刀具、切屑、工件相互接觸表面間將產(chǎn)生更強(qiáng)烈的摩擦，使刀具切削刃上產(chǎn)生極高的溫度和受到很大的應(yīng)力，在這樣的條件下，刀具將迅速磨損或破損，因此干式切削刀具材料應(yīng)具備更高的耐熱性和熱韌性，良好的耐熱沖擊性、抗粘結(jié)性及高的耐磨性。常用的有高韌性和高硬度兼?zhèn)涞募?xì)顆粒硬質(zhì)合金，涂層硬質(zhì)合金，陶瓷及金屬陶瓷，立方氮化硼(CBN)，聚晶金剛石(PCD)等。

（1）超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金

超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金具有很好的韌性和耐熱性，適用于需要大前角的場(chǎng)合，可用于干切削中使用的鉆頭、深孔鉆。 123456

（2）涂層硬質(zhì)合金

在基體硬質(zhì)合金上，用CVD(化學(xué)氣相沉積)或PCD等方法，涂覆耐磨的TiC、TiN、A1203等薄層，形成表面涂層硬質(zhì)合金。1969年西德克虜伯公司和瑞典山特維克公司研制的TiC單層涂層硬質(zhì)合金刀片首次投入市場(chǎng)。其后，世界各國(guó)都進(jìn)行了研制、生產(chǎn)。中國(guó)在稍后也掌握了涂層技術(shù)。

涂層硬質(zhì)合金刀片均為可轉(zhuǎn)位形式，裝夾在刀桿或刀體上使用。具有以下優(yōu)點(diǎn)：①表面涂層材料具有很高的硬度和耐磨性，故與未涂層刀片相比，涂層硬質(zhì)合金可采用較高的切削速度，或能在同樣的切削速度下大幅度地提高刀具耐用度。②涂層材料與被加工材料之間的摩擦系數(shù)較小，故切削力有一定減小，比未涂層刀片約降低5%左右。③用涂層刀片加工，已加工表面質(zhì)量較好。④由于綜合性能好，涂層刀片有較好的通用性。一種牌號(hào)的刀片經(jīng)常有較寬的適用范圍。

涂層刀具最適用于干切削加工，因?yàn)檫m宜的涂層既可承受高的切削溫度，降低刀具與切屑以及刀具與工件表面之間的摩擦系數(shù)，減小刀具磨損和產(chǎn)生的熱量，還可使刀具具有強(qiáng)韌的基體及滿(mǎn)足切削要求的切削刃或工件表面。因此，適宜的基體與涂層組合及經(jīng)濟(jì)可行的涂層工藝技術(shù)是干切削加工的關(guān)鍵技術(shù)之一。刀具涂層技術(shù)的研究，國(guó)內(nèi)外也都取得了很好的成績(jī)。涂層刀具分成兩大類(lèi)：一類(lèi)是“硬”涂層刀具，如TiN、TiC和Al2O3等涂層刀具，這類(lèi)刀具表面硬度高，耐磨性好。另一類(lèi)是“軟”涂層刀具，也稱(chēng)為“自潤(rùn)滑刀具”，如MoS2、WS等涂層刀具，它與工件材料的摩擦系數(shù)很低，只有0.01左右，能減小切削力和降低切削溫度。常見(jiàn)的單涂層及多涂層組合有：TiC、TiN、TiCN、TiAlN、TiC／TiN、TiC／TiCN／TiN、TiC／Al2O3／TiN等。多涂層及其相關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)，使涂層既可提高與基體的結(jié)合強(qiáng)度又能具有多種材料的綜合性能。

內(nèi)容來(lái)自123456

TiC是一種高硬度的耐磨化合物，有良好的抗后刀面磨損和抗月牙洼磨損能力。TiN的硬度稍低，但它與金屬的親和力小，潤(rùn)濕性能好，在空氣中抗氧化能力比TiC好。TiCN具有了TiC和TiN的綜合性能，其硬度高于TiC和TiN，因此是一種較為理想的刀具涂層材料。TiAlN是含有鋁的PVD涂層，在切削過(guò)程中鋁氧化而形成氧化鋁，從而起到抗氧化和抗擴(kuò)散磨損的作用，在高速切削時(shí)，TiAlN涂層刀具的切削效果優(yōu)于TiN和TiCN涂層刀具，主要原因是TiAlN涂層刀具的硬度、抗氧化和抗粘結(jié)能力高。尤其是由于TiAlN涂層刀具具有很高的高溫硬度。目前，TiAlN／Al2O3多層PVD涂層也已研究成功，其涂層硬度達(dá)HV4000，涂層數(shù)為400層(總厚度5μm)，切削性能優(yōu)于TiC／Al2O3／TiN涂層刀具。

最近又開(kāi)發(fā)了納米涂層(Nanocoating)技術(shù)。這種方法可采用多種涂層材料的不同組合滿(mǎn)足不同的功能和性能要求，特別適合于高速干切削。硬質(zhì)合金刀具的多層納米涂層可分為4大類(lèi)：①硬／硬組合，如B4C／SiC、TiC／TiB2、TiC／TiN等；②硬／軟組合，如B4C／W、SiC／W、SiC／Ti等；③軟／軟組合，如Ni／Cu等；④具有潤(rùn)滑性能的軟／軟組合，如MoS2／Mo、WS2／W、TaS2／Ta等。這些復(fù)合涂層每層由兩種材料組合而成，厚度僅為幾納米，根據(jù)切削需要，可相互疊加涂覆上百層，總厚度可達(dá)2～5μm。設(shè)計(jì)合理的納米涂層可使刀具的硬度和韌性顯著增加，使其具有優(yōu)異的抗摩擦磨損及自潤(rùn)滑性能，十分適合于干切削。

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（3）陶瓷及金屬陶瓷

A1203系陶瓷刀具

A1203系復(fù)合陶瓷刀具材料的研究進(jìn)展主要集中在復(fù)合強(qiáng)化、纖維強(qiáng)化、復(fù)合增韌補(bǔ)強(qiáng)、超細(xì)顆粒復(fù)合等方面，基本上都是以氧化鋁系陶瓷為基礎(chǔ)材料，通過(guò)采用真空熱壓、熱等靜壓等先進(jìn)燒結(jié)工藝，添加碳化物、氮化物、氧化物、硼化物以及金屬等成分復(fù)合增韌補(bǔ)強(qiáng)，納米復(fù)合、控制顆粒尺寸等措施，使得A1203系陶瓷刀具材料的斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度有了極大的提高，可達(dá)7.4MPa／m2、820MPa，適用范圍亦日益擴(kuò)大。目前新型A1203系復(fù)合陶瓷刀具材料的研制仍是國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。
①A1203-碳化物系陶瓷

目前刀具市場(chǎng)上應(yīng)用較多的是A1203-TiC復(fù)合陶瓷，主要用于切削淬硬鋼和各種耐磨鑄鐵。A1203-TiC-金屬系復(fù)合陶瓷通過(guò)加入少量的粘結(jié)金屬Ni、Mo等，提高了A1203與TiC的連結(jié)強(qiáng)度，可用于粗加工。SiC晶須增韌A1203基陶瓷刀具的應(yīng)用亦非常成功，可有效地用于斷續(xù)切削及粗車(chē)、銑削和鉆孔等工序中，適于加工鎳基合金、高硬度鑄鐵和淬硬鋼等材料。

本文來(lái)自123

②A1203-硼化物系陶瓷

A1203-TiB系復(fù)合陶瓷刀具材料在國(guó)外作為商品投放市場(chǎng)已多年，已被證明是高效加工某些難加工材料的理想刀具材料，其強(qiáng)度、韌性、耐熱性和耐磨性均優(yōu)于A1203-TiC陶瓷刀具材料。TiB顆粒與A1203具有良好的化學(xué)相容性和物理匹配性，且硬度高于TiC，其復(fù)合刀具材料具有極好的耐沖擊性和耐磨性。此刀具材料在于切削淬硬剛時(shí)，當(dāng)切削速度大于l20m/min時(shí)，會(huì)出現(xiàn)高溫自潤(rùn)滑功能。

③A1203- Zr02陶瓷和A1203-TiCN陶瓷

在國(guó)內(nèi)外發(fā)展較為重要的兩種新型材料為A1203-Zr02(ZTA陶瓷)和A1203-TiCN復(fù)合陶瓷。Zr02有較高的韌性，在Zr02中加入一定量的穩(wěn)定劑控制四方晶相Zr02到單斜晶相Zr02的相變，可提高A1203陶瓷的斷裂韌性。TiC、TiN顆?？梢葬斣w中的裂紋，阻止源裂紋的生長(zhǎng)，提高A1203陶瓷的硬度、熱沖擊性能和導(dǎo)熱性。這兩種刀具材料因優(yōu)異的耐磨損能力特別適合切削淬硬鋼，且A1203-TiCN復(fù)合陶瓷材料有著更高的耐磨損能力。 123,123

氮化硅基陶瓷

氮化硅基陶瓷是20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的新刀具材料，它以高純度的Si3N4粉末為原料，添加Y203、MgO、Zr02和HfO2等燒結(jié)劑或耐磨相A1203或強(qiáng)化相SiC等燒結(jié)而成。具有高的硬度、耐磨性、耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性良好的耐熱沖擊性能，是一種有發(fā)展前途的刀具材料。

國(guó)外的Si3N4陶瓷材料發(fā)展較快，其中以日本和美國(guó)最快。國(guó)內(nèi)在20世紀(jì)80年代就研制成功了這類(lèi)刀具材料，氮化硅(Si3N4)的顯微硬度，僅次于金剛石、立方氮化硼和碳化硼，是一種新型的刀具材料，此種陶瓷刀具在20世紀(jì)80年代初開(kāi)始用于切削加工中。它的制造過(guò)程是將硅粉在l300～l400℃下通氮?dú)夂筮M(jìn)行球磨，加入少量助燒結(jié)劑，在l700～l750℃和2Gpa～3GPa壓力下熱壓燒結(jié)而成。其主要特點(diǎn)是具有良好的耐熱性和抗熱沖擊性能。耐熱性高達(dá)l300～l400℃，高于一般陶瓷，可進(jìn)行高速切削。其熱導(dǎo)率約為A1203陶瓷的2～3倍，而熱膨脹系數(shù)只有A1203陶瓷的1/3左右，使得抗熱沖擊性能比A1203陶瓷提高1～2倍，有良好的抗崩刃性。在斷續(xù)車(chē)削或銑削加工中，氮化硅陶瓷刀具的使用壽命明顯比A1203陶瓷刀具長(zhǎng)。因此，氮化硅陶瓷刀具不僅能進(jìn)行淬硬鋼、冷硬鑄鐵等材料的精加工和半精加工，而且可以用于鋼基硬質(zhì)合金、鎳基合金、玻璃鋼材料的精加工和部分粗加工，還可以用于一般陶瓷不能勝任的有硬皮鑄件的毛壞切削。 copyright 123456

①Sialon陶瓷

Sialon陶瓷是英國(guó)IdcasAydon公司研制成功的一種新型陶瓷刀具。Sialon陶瓷刀具是A1203在Si3N4中的固溶體，是氮化鋁、氧化鋁和氮化硅的混合物在1800℃進(jìn)行熱壓燒結(jié)而成的一種單相陶瓷材料，氮化硅的結(jié)晶晶格稍微擴(kuò)大，在其中Y203可使組織致密化。Sialon陶瓷刀具具有很高的強(qiáng)度，抗彎強(qiáng)度達(dá)到1050～1450MPa(硬度為94HRA)，比純A1203及A1203-TiC陶瓷刀具都高，其斷裂韌性也是幾種陶瓷刀具中最高的，其沖擊強(qiáng)度遠(yuǎn)勝于一般陶瓷刀具(3～4倍)而接近于涂層硬質(zhì)合金刀具。適用于高速切削、強(qiáng)力切削、斷續(xù)切削。Sialon陶瓷刀具有良好的抗熱沖擊性能，是A1203陶瓷刀具的三倍，不僅適合于干切削，也適合于濕式切削。

與Si3N4陶瓷刀具相比，Sialon陶瓷刀具的抗氧化能力、化學(xué)穩(wěn)定性、抗蠕變能力與耐磨性能都提高了，并易于制造和燒結(jié)。Sialon陶瓷刀具的耐熱溫度較高，達(dá)1300℃以上，而A1203-TiC陶瓷刀具的耐熱溫度為1100℃因此，Sialon陶瓷刀具有較好的抗塑性變形能力。Sialon陶瓷可成功地用于鑄鐵、鎳基合金和硅鋁合金的加工，是高速加工鑄鐵和鎳基合金的理想刀具材料。如用Sialon陶瓷刀具加工鑄鐵時(shí)，切削速度可超過(guò)900m/min，可對(duì)鑄鐵進(jìn)行間斷切削。刀具耐用度比涂層硬質(zhì)合金刀具或A1203陶瓷刀具提高10～15倍。Sialon陶瓷刀具不適合加工鋼(因其溶解磨損速率很高)。Sialon陶瓷刀具雖有很多優(yōu)點(diǎn)，但與熱壓氮化硅陶瓷刀具一樣，其抗磨損性能比一般陶瓷刀具差。 123,123

②Si3N4-TiC陶瓷刀具

FT80陶瓷刀具由清華大學(xué)研制，在Si3N4陶瓷刀具中加人TiC及Co，提高了陶瓷刀具的力學(xué)性能和切削性能。TiC的作用是通過(guò)彌散硬化和減少陶瓷刀具與鐵之間的粘結(jié)，提高了陶瓷刀具的耐磨性。Co的作用是提高陶瓷刀具的沖擊韌性和承受切削力沖擊的能力。F85是清華大學(xué)研制的另一種Si3N4陶瓷刀具，其硬度為HRA93.5～94，抗彎強(qiáng)度為650～800MPa，斷裂韌性高于純A1203及A1203-TiC陶瓷刀具而接近于Sialon陶瓷刀具；其導(dǎo)熱系數(shù)為30～36W／(m·℃)，高于Sialon陶瓷刀具；熱膨脹系數(shù)為1.7×10-6／℃，小于Sialon陶瓷刀具。故這種陶瓷刀具有較好的耐熱沖擊性能，性能優(yōu)于硬質(zhì)合金及一些陶瓷刀具，能切削冷硬鑄鐵、合金冷硬鑄鐵及淬硬鋼等材料。

金屬陶瓷

金屬陶瓷是20世紀(jì)70年代開(kāi)發(fā)的一類(lèi)具有優(yōu)良機(jī)械力學(xué)性能和高溫性能的新型工具材料。與傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金刀具相比，金屬陶瓷刀具的耐熱性、耐磨性、抗月牙洼磨損能力等均有明顯提高，但韌性和導(dǎo)熱性相對(duì)較差。近年來(lái)，在陶瓷基體中加入少量納米粒子以形成納米陶瓷復(fù)合材料的研究取得了不少進(jìn)展和成果。金屬陶瓷含有鈦基化合物，粘結(jié)劑是鎳或鎳相。金屬陶瓷刀具適合于干切削。以往對(duì)硬質(zhì)磨具通常采用磨削或電火花加工，現(xiàn)在可用金屬陶瓷刀具進(jìn)行干銑加工，不僅提高了工效，表面質(zhì)量也得到了提高。 123,123

（4）立方氮化硼(CBN)

PCBN作為新一代超硬刀具材料，使切削技術(shù)發(fā)生了革命性變化，它為淬火硬材料提供了一種經(jīng)濟(jì)而高效的切削手段。發(fā)達(dá)國(guó)家將其作為提高加工水平和經(jīng)濟(jì)效益(節(jié)能、高效、精密、自動(dòng)化)的重要工具材料加以發(fā)展。在軍工、宇航等工業(yè)中對(duì)難加工材料的加工更是不可少，也是數(shù)控加工技術(shù)發(fā)展必備的長(zhǎng)壽命刀具材料，PCBN刀具可對(duì)各種硬的或耐磨性的材料進(jìn)行高速車(chē)、鏜、車(chē)端面、切槽、螺紋加工，粗、半精、精加工皆宜。實(shí)踐證明，PCBN刀具的成效不僅可提高產(chǎn)品的加工質(zhì)量，而且也可提高經(jīng)濟(jì)效益。因此，隨著現(xiàn)代制造業(yè)(尤其是汽車(chē)制造業(yè))的快速發(fā)展，超硬刀具的生產(chǎn)及應(yīng)用也逐年快速增長(zhǎng)。PCBN刀具符合當(dāng)今刀具發(fā)展的主要方向，即提高壽命、提高切削效率、降低加工成本、保證高精度和低粗糙度，滿(mǎn)足難切削材料加工的要求。隨著PCBN自身質(zhì)量的提高，刀具制造技術(shù)的不斷改進(jìn)，PCBN刀具應(yīng)用將得到更快的發(fā)展。

PCBN刀具非常適合于硬態(tài)材料的高速切削、干式切削，并能加工金剛石刀具所不能加工的黑色金屬材料，特別適合數(shù)控設(shè)備及自動(dòng)化生產(chǎn)線的使用。PCBN刀具有很高的耐磨性，其使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于硬質(zhì)合金，可加工大部分高硬度材料，在許多場(chǎng)合可以以車(chē)、鏜、銑等代磨加工工藝，能使被加工零件獲得高的精度和良好的表面質(zhì)量．并大大提高生產(chǎn)效率。國(guó)外PCBN刀具已廣泛用來(lái)加工淬硬鋼 高硬度鑄鐵和抗磨零件，并帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。隨著機(jī)械零件的硬度和抗磨損性能要求的進(jìn)一步提高，PCBN刀具的使用必將更加廣泛。PCBN的組成成分對(duì)刀具性能的影響如下：

①結(jié)合劑對(duì)PCBN刀具性能的影響

PCBN是CBN(立方氮化硼)的燒結(jié)體，通常是不加粘結(jié)劑燒結(jié)直接由CBN原子間的結(jié)合而成的，也有加入不同的粘結(jié)劑，由粘結(jié)劑結(jié)合燒結(jié)而成的。前者因CBN含量高，所以硬度高，但較脆；后者除所加粘結(jié)劑比例不同外，其種類(lèi)還有金屬粘結(jié)劑和陶瓷粘結(jié)劑之分。常用的金屬粘結(jié)劑有Co、Ni、Ti、Ni-A1等金屬；陶瓷粘結(jié)劑有TiN、TiN-A1N、A1203等，也有同時(shí)加入金屬和陶瓷粘結(jié)劑的。一般加陶瓷粘結(jié)劑的PCBN刀具具有較高的耐高溫磨損能力和較強(qiáng)的抗粘結(jié)能力。 內(nèi)容來(lái)自123456

②CBN含量對(duì)PCBN刀具性能的影響

CBN是人工合成的，硬度僅次于金剛石，其晶粒硬度可達(dá)8000～9000HV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陶瓷和硬質(zhì)合金。PCBN復(fù)合片的硬度(通常為3000～5000HV)主要取決于CBN的含量，一般CBN

含量在40%～95%之間，隨著CBN含量的增高，PCBN的硬度增加；而耐磨性與CBN含量之間不是簡(jiǎn)單的關(guān)系，不同加工條件下有不同最佳值，加工模具鋼時(shí)，CBN含量為55%左右時(shí)，刀具最耐磨；加工Cr06合金工具鋼時(shí)，CBN含量越高越耐磨。

③CBN晶粒尺寸對(duì)PCBN刀具性能的影響

CBN晶粒的大小影響刀具的強(qiáng)度，細(xì)晶?？墒咕Я５木Ы缑娣e增加，提高燒結(jié)強(qiáng)度及抗裂紋擴(kuò)展能力，從而使PCBN刀具耐磨性增加，當(dāng)粒徑增加1倍時(shí)，刀具壽命要降低30%～50%。

PCBN是超硬材料中較好的綠色干切削刀具材料，能夠高速干切削淬火鋼、冷硬鑄鐵、鎳基合金、鈦合金及多種熱噴涂材料。 123,123

（5）聚晶金剛石(PCD)

單晶金剛石作為切削刀具已有幾百年的歷史，是迄今為止所發(fā)現(xiàn)的最硬最耐磨的材料，由于其內(nèi)部為單晶系，研磨出的切削刃口質(zhì)量極好(目前國(guó)外刃口半徑可以研磨到數(shù)納米水平)，切削的工件表面紋理極佳。但是其價(jià)格昂貴，并且由于它具有解理性，在受到?jīng)_擊時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)脆性，易破損。因此單晶金剛石切削刀具主要用于表面光潔度、幾何形狀和尺寸有極高要求的超精密加工應(yīng)用領(lǐng)域。

PCD切削刀具是上世紀(jì)70年代中期開(kāi)發(fā)的超硬材料切削刀具。PCD是由金剛石微粉與少量結(jié)合劑在高溫超高壓下燒結(jié)而成。盡管其硬度低于單晶金剛石，然而其硬度各向同性，韌性高于單晶金剛石。

金剛石刀具具有硬度高、抗壓強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性及耐磨性好等特性，可在高速切削中獲得很高的加工精度和加工效率。金剛石刀具的上述特性是由金剛石晶體狀態(tài)決定的。在金剛石晶體中，碳原子的四個(gè)價(jià)電子按四面體結(jié)構(gòu)成鍵，每個(gè)碳原子與四個(gè)相鄰原子形成共價(jià)鍵，進(jìn)而組成金剛石結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的結(jié)合力和方向性很強(qiáng)，從而使金剛石具有極高硬度。由于聚晶金剛石(PCD)的結(jié)構(gòu)是取向不一的細(xì)晶粒金剛石燒結(jié)體，雖然加入了結(jié)合劑，其硬度及耐磨性低于單晶金剛石。但由于PCD燒結(jié)體表現(xiàn)為各向同性，因此不易沿單一解理面裂開(kāi)。 本文來(lái)自123

PCD刀具材料的主要性能指標(biāo):①PCD的硬度可達(dá)8000HV，為硬質(zhì)合金的80～120倍；②PCD的導(dǎo)熱系數(shù)為700Ｗ/ｍＫ，為硬質(zhì)合金的1.5～9倍，甚至高于PCBN和銅，因此PCD刀具熱量傳遞迅速；③PCD的摩擦系數(shù)一般僅為0.1～0.3(硬質(zhì)合金的摩擦系數(shù)0.4～1)，因此PCD刀具可顯著減小切削力；④PCD的熱膨脹系數(shù)僅為0.9×10-6～1.18×10-6，僅相當(dāng)于硬質(zhì)合金的1/5，因此PCD刀具熱變形小，加工精度高；⑤PCD刀具與有色金屬和非金屬材料間的親和力很小，在加工過(guò)程中切屑不易粘結(jié)在刀尖上形成積屑瘤。

工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)PCD刀具的研究開(kāi)展較早，其應(yīng)用已比較成熟。自1953年在瑞典首次合成人造金剛石以來(lái)，對(duì)PCD刀具切削性能的研究獲得了大量成果，PCD刀具的應(yīng)用范圍及使用量迅速擴(kuò)大。目前，國(guó)際上著名的人造金剛石復(fù)合片生產(chǎn)商主要有英國(guó)De Beers公司、美國(guó)GE公司、日本住友電工株式會(huì)社等。PCD刀具的應(yīng)用范圍已由初期的車(chē)削加工向鉆削、銑削加工擴(kuò)展。由日本一家組織進(jìn)行的關(guān)于超硬刀具的調(diào)查表明:人們選用PCD刀具的主要考慮因素是基于PCD刀具加工后的表面精度、尺寸精度及刀具壽命等優(yōu)勢(shì)。金剛石復(fù)合片合成技術(shù)也得到了較大發(fā)展，De Beers公司已推出了直徑74ｍｍ、層厚0.3ｍｍ的聚晶金剛石復(fù)合片。

國(guó)內(nèi)PCD刀具市場(chǎng)隨著刀具技術(shù)水平的發(fā)展也不斷擴(kuò)大。目前中國(guó)第一汽車(chē)集團(tuán)已有一百多個(gè)PCD車(chē)刀使用點(diǎn)，許多人造板企業(yè)也采用PCD刀具進(jìn)行木制品加工。PCD刀具的應(yīng)用也進(jìn)一步推動(dòng)了對(duì)其設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的研究。國(guó)內(nèi)的清華大學(xué)、大連理工大學(xué)、華中理工大學(xué)、吉林工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等均在積極開(kāi)展這方面的研究。國(guó)內(nèi)從事PCD刀具研發(fā)、生產(chǎn)的有上海舒伯哈特、鄭州新亞、南京藍(lán)幟、深圳潤(rùn)祥、成都工具研究所等幾十家單位。目前，PCD刀具的加工范圍已從傳統(tǒng)的金屬切削加工擴(kuò)展到石材加工、木材加工、金屬基復(fù)合材料、玻璃、工程陶瓷等材料的加工。通過(guò)對(duì)近年來(lái)PCD刀具應(yīng)用的分析可見(jiàn)，PCD刀具主要應(yīng)用于以下兩方面:①難加工有色金屬材料的加工:用普通刀具加工難加工有色金屬材料時(shí),往往產(chǎn)生刀具易磨損、加工效率低等缺陷,而PCD刀具則可表現(xiàn)出良好的加工性能。如用PCD刀具可有效加工新型發(fā)動(dòng)機(jī)活塞材料-過(guò)共晶硅鋁合金(對(duì)該材料加工機(jī)理的研究已取得突破)。②難加工非金屬材料的加工:PCD刀具非常適合對(duì)石材、硬質(zhì)碳、碳纖維增強(qiáng)塑料、人造板材等難加工非金屬材料的加工。如華中理工大學(xué)1990年實(shí)現(xiàn)了用PCD刀具加工玻璃;目前強(qiáng)化復(fù)合地板及其它木基板材的應(yīng)用日趨廣泛,用PCD刀具加工這些材料可有效避免刀具易磨損等缺陷。

PCD粒度的選擇與刀具加工條件有關(guān)，如設(shè)計(jì)用于精加工或超精加工的刀具時(shí)，應(yīng)選用強(qiáng)度高、韌性好、抗沖擊性能好、細(xì)晶粒的PCD。粗晶粒PCD刀具則可用于一般的粗加工。PCD材料的粒度對(duì)于刀具的磨損和破損性能影響顯著。研究表明:PCD粒度號(hào)越大，刀具的抗磨損性能越強(qiáng)。PCD刀具的硬度高，導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)也很小，特別合適于各種銅鋁合金、非金屬材料和復(fù)合材料的高速干切削加工。

4.結(jié)束語(yǔ)

干切削意味著在車(chē)削、銑削、鉆削、鏜削等切削加工過(guò)程中，消除切削液的不利影響，大大地節(jié)約了加工成本，保護(hù)了環(huán)境。目前，歐洲和日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都非常重視干切削技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，據(jù)統(tǒng)計(jì)在歐洲工業(yè)界，有大約10%～15%的加工已經(jīng)采用了干切削工藝。隨著人類(lèi)對(duì)資源和環(huán)境保護(hù)的日益重視，切削液的負(fù)面影響逐漸引起人們關(guān)注。用干切削加工代替濕加工，是機(jī)械制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展的方向。研究實(shí)現(xiàn)干切削加工技術(shù)，對(duì)各種不同的工件材料尋求適宜的干切削加工工藝，并盡快投入工業(yè)應(yīng)用，對(duì)保護(hù)我國(guó)生態(tài)環(huán)境，提高企業(yè)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，都有十分重要的意義。目前，我國(guó)對(duì)干切削技術(shù)的研究還比較少，應(yīng)用也只是傳統(tǒng)的鑄鐵銑削加工。為了跟上國(guó)際形勢(shì)，順應(yīng)世界切削技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，我國(guó)應(yīng)加快對(duì)干切削技術(shù)的研究。21世紀(jì)的制造業(yè)對(duì)綠色環(huán)保的要求越來(lái)越高，干切削技術(shù)作為一種綠色制造工藝對(duì)于節(jié)省資源、保護(hù)環(huán)境、降低成本具有重要意義，隨著機(jī)床技術(shù)和刀具技術(shù)及其相關(guān)工藝研究的深入，干切削技術(shù)必將成為金屬切削加工的主要發(fā)展方向。

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