從人類使用工具開始，便開始了人類發(fā)展的歷史。最初人們懂得將存在于身邊的東西折斷或彎曲，這已經(jīng)是“變形加工”的雛形。不久，又有了物質(zhì)的軟硬的“概念”，知道用硬的東西可以切削軟的東西。在遠(yuǎn)古時(shí)代所謂的“切削”，開始是“去除加工”。那時(shí)，硬的東西首先是石頭，把石頭弄碎、磨光作為工具。后來隨著鐵的發(fā)現(xiàn)，制作出比石頭更鋒利的刃具。良好的切削刃具，使人們能更容易地制造出生產(chǎn)工具和生活用具?？梢哉f工具的發(fā)展是人類文明進(jìn)步的永恒動(dòng)力。

       現(xiàn)代的切削刀具材料經(jīng)歷了從碳素工具鋼到高速工具鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷刀具和超硬刀具材料的一百多年的發(fā)展歷史。18 世紀(jì)后半葉，最初的刀具材料主要是碳素工具鋼。因?yàn)樵诋?dāng)時(shí)它是作為可以加工成切削刀具的最硬的材料。然而，由于其耐熱溫度很低(低于200℃)，碳素工具鋼在高速切削時(shí)，存在由于切削熱而立刻完全變鈍的缺點(diǎn)，切削范圍受到限制。因此期待著出現(xiàn)在高速下也能切削的刀具材料。反映這一期待而出現(xiàn)的材料是高速鋼。

       高速鋼也稱鋒鋼，是在1898年由美國的科學(xué)家研制的。與其說它的含碳量比碳素工具鋼少，不如說加入了鎢。由于其中硬質(zhì)碳化鎢的作用，使之在高溫條件下硬度也不降低，而且由于可以用遠(yuǎn)比碳素工具鋼切削速度高的速度進(jìn)行切削，故命名為高速鋼。從1900~-1920年，出現(xiàn)了添加釩和鈷的高速鋼，其耐熱性提高到500~ 600℃。切鋼的切削速度達(dá)到30~ 40m/ min，提高了近6倍。此后，隨其組成元素的系列化，形成了鎢系和鉬系高速鋼。直到目前它仍被廣泛使用。高速鋼的出現(xiàn)引起了切削加工的革命，大大提高了金屬切削的生產(chǎn)率，并要求完全改變機(jī)床的結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)這種新刀具材料的切削性能要求。新機(jī)床的出現(xiàn)和進(jìn)一步發(fā)展，反過來又促進(jìn)了更優(yōu)良的刀具材料的開發(fā)，刀具受到激發(fā)而得到發(fā)展。在新的制造技術(shù)條件下，高速鋼刀具在高速切削時(shí)也存在由于切削熱而限制刀具耐用度的問題。當(dāng)切削速度達(dá)到700℃，高速鋼刀尖就完全變鈍，在切削溫度高于此值的切削速度下，就完全不能進(jìn)行切削。因而，出現(xiàn)了比上述更高切削溫度條件下保持足夠硬度、可在更高的切削溫度下切削的硬質(zhì)合金刀具材料。

▲硬質(zhì)合金數(shù)控刀具

       硬質(zhì)合金是1925年德國人發(fā)明的；它是以鎢為主要成分，將WC粉末以鈷作為結(jié)合劑燒結(jié)而成的。最初研制的WC-Co合金，耐熱性達(dá)到800℃，切削速度提高到40m/min以上。這種硬質(zhì)合金雖然具有高溫下硬度不降低的優(yōu)點(diǎn)，但存在沖擊強(qiáng)度低、性脆易破損等缺點(diǎn)。這些缺點(diǎn)在后來研制的添加碳化鈦等其他碳化物以及帶涂層的硬質(zhì)合金中得到了改善。1931 年出現(xiàn)了在WC-Co合金中添加TiC的合金，即WC-TiC-Co合金，其耐熱性達(dá)到了900℃以上，切鋼時(shí)的切削速度達(dá)到了220m/ min。這就是說從高速鋼發(fā)展到硬質(zhì)合金的40年間，由于刀具材料的耐熱性能的提高，切削速度提高了近40倍。之后由于制造質(zhì)量的提高和添加了熔點(diǎn)更高的碳化物等，其耐熱性和切削速度進(jìn)一步提高。涂層硬質(zhì)合金由于綜合了TIC基硬質(zhì)合金的高耐磨性和金屬切除率以及wc基硬質(zhì)合金高的韌性和使用的可靠性，使它在高速切削鋼件和鑄鐵時(shí)都獲得了巨大的成功，特別是硬質(zhì)合金機(jī)夾刀片的廣泛使用，更增加了涂層硬質(zhì)合金刀片的使用價(jià)值。因此硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀具與涂層硬質(zhì)合金刀具的出現(xiàn)被稱之為硬質(zhì)合金刀具的兩次“革命”性變革。硬質(zhì)合金的出現(xiàn)與發(fā)展，進(jìn)一步完成了從高速鋼開始的金屬切削加工的革命。然而人們是不會(huì)滿足于此的。由于Al2O3硬度高且耐熱性好，通常不容易與被切削材料粘附，已被廣泛應(yīng)用于砂輪磨削加工中。由此產(chǎn)生了陶瓷刀具材料。由于陶瓷刀具材料高硬度和高溫硬度穩(wěn)定性(1200℃以上)，因而在高速切削和對(duì)某些難加工材料的切削方面，是任何硬質(zhì)合金刀具都無法比擬的。因而，陶瓷刀具材料進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來得以迅速發(fā)展。陶瓷刀具材料性能得到很大的改進(jìn)，其使用量也迅速增加。

       用硬的材料可以切削軟的材料，為了切削硬質(zhì)材料，就必須使用比它更硬的材料。目前地球上最硬的物質(zhì)是金剛石。盡管自然界天然金剛石早已被發(fā)現(xiàn)，且用它作為切削工具也有很長的歷史，人工合成金剛石也早在20世紀(jì)50年代初合成成功，但真正用金剛石廣泛地制作工業(yè)切削刀具材料，還是近幾十年的事。

  ▲各種金剛石刀具

       一方面，隨著現(xiàn)代空間技術(shù)和宇航技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代工程材料的使用日益繁多，雖然改進(jìn)的高速鋼、硬質(zhì)合金、及新型陶瓷刀具材料在切削傳統(tǒng)加工工件時(shí)，切削速度和切削加工生產(chǎn)率成倍甚至幾十倍的增加，但是，當(dāng)用它們加工上述材料時(shí)，刀具的耐用度和切削加工效率仍然很低，且切削加工質(zhì)量難以保證，有時(shí)甚至無法加工，需要用更鋒利更耐磨的刀具材料 。另一方面， 隨著現(xiàn)代機(jī)械制造與加工工業(yè)的迅猛發(fā)展，自動(dòng)機(jī)床、計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)加工中心、無人加工車間的廣泛應(yīng)用，為了進(jìn)一步提高加工精度，減少換刀時(shí)間，提高加工效率，越來越迫切要求有耐用度更高、性能更穩(wěn)定的刀具材料。在這種情況下，金剛石刀具迅速發(fā)展，同時(shí)也大大促進(jìn)了金剛石刀具材料的發(fā)展。金剛石刀具材料具有一系列優(yōu)異的性能，具有加工精度高，切削速度快，使用壽命長的特點(diǎn)。如用Compax (聚晶金剛石復(fù)合片)刀具可以保證加工上萬件硅鋁合金活塞環(huán)零件且其刀尖基本保持不變；用Compax大直徑銑刀加工飛機(jī)鋁制翼梁，其切削速度可高達(dá)3660m/min；這些都是硬質(zhì)合金刀具無法媲美的。不僅如此，金剛石刀具材料的采用還可以擴(kuò)大加工領(lǐng)域，改變傳統(tǒng)的加工工藝。以前鏡面加工只能用研磨拋光工藝，現(xiàn)在不僅可以用天然單晶金剛石刀具，而且在有的情況下還可以用PDC超硬復(fù)合刀具進(jìn)行超精密切削，實(shí)現(xiàn)以車代磨。隨著超硬刀具的應(yīng)用，機(jī)加工領(lǐng)域出現(xiàn)了一些新的概念，如使用PDC刀具后，限制車削速度的不再是刀具而是機(jī)床，并且當(dāng)車削速度超過某一速度后，工件和刀具均不發(fā)熱。這些突破性的概念的含義是很深刻的，它為現(xiàn)代機(jī)加工行業(yè)展示了無限的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：《PDC超硬復(fù)合刀具材料及其應(yīng)用》鄧福銘，陳啟武著

       2022年11月15-17日，由DT新材料&中國超硬材料網(wǎng)聯(lián)合舉辦的第六屆國際碳材料大會(huì)暨產(chǎn)業(yè)展覽會(huì)（Carbontech 2022），將于深圳國際會(huì)展中心（寶安新館）14號(hào)館盛大啟幕！

       11月16日上午，在極端制造與超精密加工技術(shù)論壇上有一場由上海交通大學(xué)陳明教授帶來《金剛石刀具在樹脂基碳纖維復(fù)合材料與碳化硅陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用》的報(bào)告，講述了金剛石刀具的最新前沿應(yīng)用，敬請(qǐng)期待！

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