一個(gè)一般的機(jī)加工車間每年可能要消耗數(shù)千枚切削刀片。一位操作工人可能每天都要使用許多切削刀片，但卻從來(lái)沒(méi)有細(xì)想過(guò)在這些刀片背后蘊(yùn)藏的復(fù)雜科學(xué)知識(shí)。了解一些有關(guān)切削刀片的制造工藝技術(shù)，對(duì)于刀具的正確使用和性能優(yōu)化將會(huì)大有裨益。

　　硬質(zhì)合金刀片的成分

　　與所有人造制品一樣，制造切削刀片首先要解決原材料的問(wèn)題，即確定刀片材料的成分與配方。現(xiàn)在的大部分刀片都是由硬質(zhì)合金制成，其主要成分為碳化鎢（WC）和鈷（Co）。WC是刀片中的硬質(zhì)顆粒，而Co作為結(jié)合劑可使刀片成形。

　　改變硬質(zhì)合金特性最簡(jiǎn)單的方法就是通過(guò)改變所用WC顆粒的晶粒尺寸。用粒度較大（3－5μm）的WC顆粒制備的硬質(zhì)合金材料硬度較低，比較容易磨損；用粒度較小（＜1μm）的WC顆粒則可以生產(chǎn)出硬度較高、耐磨性較好，但脆性也較大的硬質(zhì)合金材料。在加工硬度非常高的金屬材料時(shí)，采用細(xì)晶粒硬質(zhì)合金刀片可能會(huì)獲得最理想的加工效果。而另一方面，粗晶粒硬質(zhì)合金刀片在斷續(xù)切削或其他對(duì)刀片韌性要求較高的加工中性能更為優(yōu)越。

　　控制硬質(zhì)合金刀片特性的另一種方法是改變WC與Co的含量比例。與WC相比，Co的硬度低得多，但韌性更好，因此，減少Co含量將獲得硬度更高的刀片。當(dāng)然，這再一次提出了綜合平衡的問(wèn)題——硬度更高的刀片具有更好的耐磨性，但其脆性也更大。根據(jù)具體的加工類型，選擇適當(dāng)?shù)腤C晶粒尺寸和Co含量比，需要相關(guān)的科學(xué)知識(shí)和豐富的加工經(jīng)驗(yàn)。

　　通過(guò)應(yīng)用梯度材料技術(shù)，在一定程度上可以避免在刀片強(qiáng)度與韌性之間進(jìn)行妥協(xié)取舍。這項(xiàng)全球主要刀具制造商均已普遍應(yīng)用的技術(shù)包括，在刀片的外層采用比內(nèi)層更高的Co含量比。更具體地說(shuō)，就是在刀片的外層（厚度為15－25μm）增大Co含量，以提供類似于“緩沖區(qū)”的作用，使刀片可以承受一定的沖擊而不會(huì)破裂。這就使刀片的刀體可以獲得采用強(qiáng)度更高的硬質(zhì)合金成分才能實(shí)現(xiàn)的各種優(yōu)異性能。

　　一旦確定了原材料的粒度、成分等技術(shù)參數(shù)，就可以開始切削刀片的實(shí)際制造流程。首先將符合配比的鎢粉、碳粉和鈷粉放入一個(gè)尺寸與洗衣機(jī)差不多大的碾磨機(jī)中，將粉料碾磨到所需要的粒度，并將各種材料均勻混合。在碾磨過(guò)程中加入酒精和水，制備出一種濃稠的黑色漿料。然后將這種漿料放入一臺(tái)旋風(fēng)干燥機(jī)中，將其中的液體蒸發(fā)以后，就獲得了團(tuán)塊狀的粉料，并將其貯存起來(lái)。

　　在下一步制備工藝中，可以獲得刀片的雛形。首先，將制備好的粉料與聚乙二醇（PEG）混合，PEG作為一種增塑劑，可將粉料像面團(tuán)一樣臨時(shí)粘結(jié)在一起。然后在壓模中將材料壓制成刀片的形狀。根據(jù)不同的刀片壓制方法，可以采用單軸壓機(jī)進(jìn)行壓制，也可以采用多軸壓機(jī)從不同的角度壓制出刀片形狀。

　　獲得壓制成形的坯料后，將其置于一個(gè)大型燒結(jié)爐中，在高溫下進(jìn)行燒結(jié)。在燒結(jié)過(guò)程中，PEG從坯料混合物中被融化排出，最后留下硬質(zhì)合金刀片的半成品。當(dāng)PEG被融出后，刀片收縮到其最終尺寸。這一工藝步驟需要進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)計(jì)算，因?yàn)楦鶕?jù)不同的材料成分和配比，刀片的收縮量也各不相同，而且要求將成品的尺寸公差控制在幾個(gè)微米以內(nèi)。

　　刀片涂層的制備

　　此時(shí)，產(chǎn)品的形態(tài)已經(jīng)與最終的成品刀片相差無(wú)幾。但是，為了獲得最佳切削性能，還必須對(duì)刀片進(jìn)行表面涂層。最常用的刀片涂層工藝是化學(xué)氣相沉積（CVD）工藝，即通過(guò)高電流將某種金屬靶材離子化，然后通過(guò)蒸發(fā)冷凝沉積到刀片上。可以將這一過(guò)程形象地比喻為，當(dāng)柏油路面的溫度變得非常低，而空氣中又充滿高濃度的水汽時(shí)，就會(huì)在路面上形成一層薄冰。不過(guò)，與此不同的是，雖然置于涂層爐中的刀片溫度相對(duì)較低，但實(shí)際爐溫可能超過(guò)480℃。

　　另一種常用的刀片涂層工藝是物理氣相沉積（PVD）工藝。與CVD工藝相比，采用PVD技術(shù)可以沉積出更薄的涂層，從而可使切削刃更鋒利，在切削難加工材料（如淬硬鋼、鈦合金和耐熱超級(jí)合金）時(shí)可獲得更優(yōu)異的切削性能。

　　在典型的刀片CVD涂層工藝中，刀片上涂覆的第一層涂層為氮碳化鈦（TiCN）。這種涂層材料能提供優(yōu)異的耐磨性，而且還具有易于與硬質(zhì)合金基體粘結(jié)的優(yōu)點(diǎn)。通常，氧化鋁（Al2O3）被用作第二層涂層。這種涂層具有極佳的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，能保護(hù)刀片免受切削高溫和冷卻液中化學(xué)成分的不利影響。

TiCN和Al2O3涂層的厚度主要取決于刀片的加工類型。例如，車削加工硬材料時(shí)，需要對(duì)刀片進(jìn)行充分保護(hù)，因此每種涂層的厚度可能都需要達(dá)到10μm。而對(duì)于軟材料的精加工，涂覆5μm厚的TiCN層和2μm厚的Al2O3層可能更為適當(dāng)。

　　完成了TiCN和Al2O3涂層的制備后，切削刀片在使用功能上已接近成品。遺憾的是， Al2O3涂層的顏色是全黑色，使用者很難分辨刀片的哪些工作面已經(jīng)使用過(guò)，以及切削刃是否已被磨損。為了解決這一問(wèn)題，大多數(shù)刀具制造商都會(huì)在刀片上最后再涂覆一層氮化鈦（TiN）涂層。這種亮金色的涂層具有很好的可視性，使用者可以通過(guò)其顏色的變化，很容易地評(píng)估切削刀片的磨損狀態(tài)。

　　過(guò)去，涂覆完TiN涂層就標(biāo)志著切削刀片的制造全部完成。但近年來(lái)，還有最后一道工序已變得逐漸普及。在CVD或PVD涂層工序中，當(dāng)?shù)镀鋮s時(shí)，不同涂層材料的收縮程度各不相同。因此，在各層涂層中會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，并出現(xiàn)微裂紋。為了消除這些應(yīng)力，并最大限度地減少微裂紋，人們采用了一種用酒精、氧化鋁和細(xì)砂的混合物對(duì)刀片進(jìn)行噴砂處理的先進(jìn)技術(shù)。在噴砂處理完成后，切削刀片的制造就大功告成了。

　　刀片幾何形狀的作用

　　一提到切削刀片的幾何形狀，大多數(shù)刀具制造商都會(huì)馬上開始描述刀片的宏觀幾何形狀（物理外形）。而一個(gè)近年來(lái)快速發(fā)展的研究領(lǐng)域——刀片切削刃微觀幾何形狀的優(yōu)化——值得予以高度重視。

　　在宏觀水平上，刀片幾何形狀的優(yōu)化主要涉及為實(shí)現(xiàn)切屑控制而可能采用的最佳外形。根據(jù)不同的工件材料和加工方式，采用不同的刀片形狀和角度能夠提供斷屑和將切屑從切削區(qū)排出的最優(yōu)結(jié)果。刀片宏觀幾何形狀的設(shè)計(jì)與優(yōu)化已是一個(gè)相當(dāng)成熟的技術(shù)領(lǐng)域，大部分主要的刀具制造商都精通此道。

　　直到最近幾年，技術(shù)的發(fā)展才達(dá)到了能夠控制刀片微觀幾何形狀的水平。利用先進(jìn)的加工技術(shù)，可以在刀片的切削表面制備出圓形、橢圓形或帶角度的切削刃，還可以將微小的倒棱或溝槽引入刀片切削刃。隨著各種創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用，人們能夠在微小尺度上對(duì)刀片進(jìn)行鈍化處理和測(cè)量，從而使刀片的使用壽命和加工穩(wěn)定性獲得了極大提高。可以相當(dāng)肯定地預(yù)期，今后的技術(shù)進(jìn)步將進(jìn)一步推動(dòng)該領(lǐng)域的發(fā)展，并將取得更顯著的成果。

　　陶瓷刀片技術(shù)

　　盡管絕大多數(shù)切削刀片都用硬質(zhì)合金制造，但用其他材料制造的刀片正日益增多。其中，陶瓷刀片可能是一種最主要的非硬質(zhì)合金刀片。隨著耐熱合金材料（如Inconel合金）在航空工業(yè)和其他行業(yè)零部件中的應(yīng)用日趨廣泛，陶瓷刀片在對(duì)這些難加工材料的加工中表現(xiàn)出了優(yōu)異的切削性能。

　　陶瓷刀片的制造工藝與硬質(zhì)合金刀片非常相似。由于陶瓷不像其他材料那樣容易粘結(jié)，因此在燒結(jié)時(shí)必須采用高得多的溫度和壓力。

　　通常，在陶瓷刀片中使用碳化硅（SiC）晶須能夠增加其強(qiáng)度。這些細(xì)小的纖維可以起到用鋼筋來(lái)強(qiáng)化混凝土的相同作用。過(guò)去，在陶瓷中添加SiC的強(qiáng)化效果相對(duì)較小，但近年來(lái)的技術(shù)突破已經(jīng)改變了這種狀況。新的工藝可使SiC晶須定向于特定的方向，從而大大提高了強(qiáng)化效果。與其他刀片材料相比，陶瓷的脆性更大，也經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)缺陷。加入正確定向的SiC晶須可以顯著減緩陶瓷刀片的碎裂失效過(guò)程，因?yàn)榈镀械奈⒘鸭y需要更大的能量，才能穿過(guò)整齊排列的晶須。隨著這種技術(shù)和其他類似技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展，陶瓷刀片將成為一種適合各種加工的、更具可行性的解決方案。

　　從切削刀片中獲得更多收益

　　從購(gòu)買決策的角度來(lái)看，對(duì)于切削刀片，需要牢記的、最重要的事情是不過(guò)忽略那些難以觀察到的方面。如果不通過(guò)切削試驗(yàn)，即使仔細(xì)檢查，可能也很難分辨出優(yōu)質(zhì)刀片與劣質(zhì)刀片的差別。因?yàn)榈镀耐獗矶疾畈欢喽x用廉價(jià)刀片，將不可避免地在以后的加工中增加成本。

　　在選擇刀片牌號(hào)時(shí)，理想的做法是咨詢刀具制造商的技術(shù)專家。除此之外，還可以利用一些基本概念，來(lái)縮小可供選擇的刀片范圍。大部分刀具制造商都采用一種可以反映刀片特性的方式來(lái)給它們編號(hào)。以山特維克可樂(lè)滿的產(chǎn)品為例，一種刀片牌號(hào)的第一位數(shù)反映了其所屬的大類，如4表示加工鋼的牌號(hào)，3表示加工鑄鐵的牌號(hào)，2表示加工不銹鋼的牌號(hào)。在每個(gè)類別中，最后兩位數(shù)字表示該刀片的硬度。數(shù)字小，表示硬度較高，但脆性也較大；數(shù)字大，則表示硬度較低，但韌性較好。為了查找所需刀片的類別，加工車間最好從產(chǎn)品目錄的中間開始，根據(jù)其性能向前或向后查找。

　　最后，如果某種刀片沒(méi)有達(dá)到最佳切削性能，可以找到一些有助于確定解決方案的證據(jù)。用放大鏡仔細(xì)觀察刀片的切削刃，就可以揭示問(wèn)題的實(shí)質(zhì)。如果檢查表明，刀片切削刃出現(xiàn)了明顯的磨料磨損或微小變形，說(shuō)明刀片硬度偏低，需要換用硬度更高的牌號(hào)。如果刀片發(fā)生了崩刃，切削刃出現(xiàn)了小塊缺失，則可能需要改用硬度較低、韌性較好的牌號(hào)。通過(guò)了解切削刀片是如何制造的，以及如何為特定的加工定制不同的刀片牌號(hào)，就可以采取各種具有針對(duì)性的措施，來(lái)提高加工效率和降低加工成本。