“工欲善其事，必先利其器”，這句古話對切削加工而言，“器”指的是刀具和機床。機床使刀具和工件作必要的相對運動。而刀具則在相對運動中切削工件，它作為利器，既要有好的材料，又要有先進合理的幾何形狀。對車削刀片來說，材料包括基體材料和涂層材料，幾何形狀則和斷屑槽設計密切相關。用戶有的需要著重提高車削鋼的效率、穩(wěn)定性，有的則需要有較廣闊的通用性，對于刀具制造商而言就應從不同的方向去研發(fā)用戶對這些新產(chǎn)品的不同需求，以滿足他們個性化的差異。
本期中，通過一些共性問題的剖析，將分別進行闡述。

　　涂層與刀片
       刀片的損傷形式主要分為磨損和破損（崩刃）。涂層硬度高低和厚度直接影響刀片的耐磨性，其韌性則會影響刀片承受沖擊的耐破損性。切削時，刀片表面粘結(jié)物的形成和在持續(xù)加工時，被強制脫落也會造成磨損和破損。涂層材料在耐熱、耐化學物方面的穩(wěn)定性越好、被切削材料的親和性越差的情況下，就越不易產(chǎn)生粘結(jié)和相應的損傷。涂層的導熱系數(shù)也很重要，它是涂層物質(zhì)在加工時生成切削熱后的導出能力，導熱系數(shù)值低，熱導出能力則差，使熱難以傳入刀片，將熱傳給切屑隨之排出，可以減少刀片的熱磨損。
       在硬質(zhì)合金等基體材料表面涂敷數(shù)微米硬質(zhì)物質(zhì)，可使切削刀具獲得基體材料的韌性，并兼?zhèn)渌坑操|(zhì)物質(zhì)的高硬度。一般涂層厚度不超過刀片厚度的0.2%就可使刀片及刀具的切削性能發(fā)生很大的變化和提高。所以涂層刀片及其刀具的應用越來越廣。不同的情況下，通過沉積不同的涂層，可以提高各種條件下的切削效率，延長刀具壽命?，F(xiàn)在無涂層的刀片及刀具僅用于某些特殊防粘結(jié)的加工與非鐵金屬加工等情況，以及要求低成本的場合。
       涂層一般分化學氣相沉積CVD（Chemical Vapor Diposition）和物理氣相沉積PVD（Physical Vapor Diposition）兩種方法。CVD涂層生成的基本原理是在高溫（900-1100℃）爐中，送入含化合物的氣體，使它在被涂物體的表面產(chǎn)生化學反應，而在其表面沉積硬質(zhì)物質(zhì)的方法。PVD涂層的生成原理則是利用真空附著，通過離子鍍、濺射、離子混合等物理方法，在較低溫度（100-700℃）條件下，在被涂物體表面沉積硬質(zhì)物質(zhì)的方法。
       CVD涂層由于處理溫度高，故只能涂在耐高溫的基體材料上。CVD涂層與基體的結(jié)合力強，可形成較厚的涂層。通過更換原料氣體，還可以在同一處理爐中，連續(xù)涂敷多種物質(zhì)。故能用于高速、大進給、大切深以及單位時間要求去除材料體積較大的情況下。一般情況下，車削用刀片主要用CVD方法沉積涂層，以提高其切削性能。由于它和基體材料的熱膨脹系數(shù)不同，易產(chǎn)生拉伸殘余應力。這對刀片的耐破損性耐疲勞性不利。
       再來看看PVD涂層的優(yōu)點，其可在較低的溫度條件下進行涂敷，因此對基體耐熱性要求低，涂敷時刀刃強度韌性不降低，涂層較薄，涂層膜上產(chǎn)生壓縮殘余應力、耐破損性耐疲勞性也較好。按ISO國際標準，切鋼用的刀片材料標為P、不銹鋼為M、鑄鐵為K、有色金屬為N、耐熱鋼為S、高硬鋼為H。每種材料按其性能成分又分為01，10，20，30，40幾類。號碼越小則越硬，越大越韌。如切鋼用的刀片材料注為：P01，P10.....P40，其余類同。針對不同材料不同切削條件，應用與不同代號相當材料的刀片去加工。

　　涂層材料與斷屑槽的奇妙組合
       本文先介紹三菱公司新開發(fā)的高效率、高穩(wěn)定性車削鋼用的CVD涂層的MC6000系列刀片。其中包括適切硬度較高（相當P10上下）的MC6015涂層；適切中等硬度鋼（相當P20上下）通用性好，兼?zhèn)湟欢ㄓ捕群晚g性的MC6025涂層；適切斷續(xù)表面、韌性高的（相當P30-P40）MC6035涂層刀片。
       CVD涂層開始只有單層的TiC，TiN等。后有了雙層，甚至多層。之后又出現(xiàn)了包含強韌厚膜，納米結(jié)構(gòu)的多層等。每層各有其相應的功能。圖1是新開發(fā)這種先進系列中MC6015涂層結(jié)構(gòu)的剖面圖及各層主要功能。        圖1中可見其最外層是超平滑的涂層表面，粗糙度非常低，在1μ以內(nèi)。化學穩(wěn)定性好，能抗粘結(jié)，耐磨，能在加工過程中保持正常磨損，實現(xiàn)穩(wěn)定切削，并能防止粘結(jié)引起崩刃等突發(fā)損傷。表層下面是Al2O3涂層，這一涂層出現(xiàn)的一個很大的優(yōu)點如圖2，3所示，它在低溫時硬度相對低，磨損大。在高溫時卻顯示硬度高，磨損相對比其他涂層少。圖3中顯示，高速切削產(chǎn)生高溫時，熱擴散率降低，導熱變難，減少了熱傳量入刀體，使熱量大部分傳入切屑隨之排走，再加上Al2O3還具有優(yōu)異的抗粘結(jié)性能，因此是高速高效切削的理想涂層材料。        MC6000系列各涂層均有Al2O3層，沉積時又對它采用了最新的“厚膜納米結(jié)構(gòu)”和“晶體成長控制技術”（圖4），與以往相比，晶粒細化了，生長又控制在一個方向，可同時提高硬度和韌性，并能與下面的TiCN涂層結(jié)合得更緊密（圖5）。Al2O3層下面的TiCN層也是納米結(jié)構(gòu)，沉積時控制使其結(jié)晶生長形成強韌的纖維結(jié)構(gòu)（圖4）進一步增強其耐破損能力，使在高速條件下，整體的耐磨耐破損性能進一步得到提升。        MC6025，MC6035 和MC6015相比由圖6可知各層成分基本相同，但每層組織、結(jié)構(gòu)、厚度有所不同，MC6015的Al2O3膜層最厚，硬度最高，可用于切削較硬的鋼材。切削速度可達到300m/min，甚至350m/min 以上。MC6025，MC6035的硬度比MC6015低，韌性則要更高。MC6035的韌性最高，用它可實現(xiàn)強斷續(xù)表面的高效穩(wěn)定加工。        如之前所提到，CVD涂層易生成拉伸殘余應力，以往的產(chǎn)品加工時，拉伸應力造成的龜裂，會直接延伸到涂層內(nèi)部，是造成破損的原因。但先進MC6035的組織結(jié)構(gòu)可成功緩和拉伸應力，分散斷續(xù)切削的沖擊，抑制破損（圖7）。通過對多種材料以不同切削速度、切深進行的斷續(xù)切削實驗，證明MC6035 的壽命遠超過去的產(chǎn)品。另外本系列涂層刀片還研發(fā)了新的基體材料，新基體材料和涂層之間，特別注意使之形成均勻的強韌中間層，也可防止龜裂延伸，提高耐破損性。        車削刀片的性能也與其具體切削部分的幾何形狀的斷屑槽有關。目前斷屑槽結(jié)構(gòu)不僅是槽本身的形狀尺寸，也包括切除導入切屑的刀棱的角度正負、大小、寬度，以及形狀等。斷屑槽的功能不只是斷屑，也關系到實際生成切削力、切削熱的大小高低和加工質(zhì)量、加工效率、操作是否省力、操作者安全性，能否實現(xiàn)自動化等多個方面。其設計除依據(jù)經(jīng)驗、實驗，還依靠各種計算機輔助技術，以求得最佳的結(jié)構(gòu)形狀尺寸。        為確定一定范圍的切深和進給量所適合的斷屑槽，MP6000系列精確設計并推薦了如下的斷屑槽。如適精加工（ap=0.1-1）的FP，F(xiàn)V斷屑槽。適輕切削（ap=0.2-2）的LP斷屑槽、SH，SV，SA，SW斷屑槽。其中SW帶修光刃可增大進給量，也保證加工表面質(zhì)量。適中切削（ap=1-4左右）的M類斷屑槽和無代號斷屑槽（ap=1.5-5），其中MW 是中切削的帶修光刃的斷屑槽。適合粗加工（ap=1.5-6）的RP斷屑槽?？傆嬍悢嘈疾邸Ｔ跇颖局芯唧w指明了法后角為“零”的負角刀片和不等于“零”等于5º，7º的正角刀片的各種斷屑槽的剖面形狀。推薦使用的切削條件，寫明適合一般切削還是不穩(wěn)定的斷續(xù)切削。
       正確選定了刀片材料和斷屑槽后，就可實現(xiàn)在該切削條件下，高效穩(wěn)定地車削鋼件。以上是本文的第一個研發(fā)完成的目標。同時也可以看出，同一種涂層材料選擇不同的斷屑槽，就可以擴大刀片的使用范圍。

　　可以 “ 開天 ” 亦能 “ 辟地 ”
       現(xiàn)實中許多工廠生產(chǎn)品種很多，數(shù)量不多，材料硬度各一，有的還有黑皮，工件表面有連續(xù)有斷續(xù)，有的要求精加工，有的要求半精加工粗加工……這都給刀片的采購、備貨、管理帶來挑戰(zhàn)。
       能否有一種通用的材料和斷屑槽呢？這是本文另一個研究開發(fā)的目標，即刀片的通用性要廣。這樣就可以減少采購，而在之前需要儲備許多各式各樣的刀片，造成管理不便，成本過高。
       理想的刀片是材料和涂層的硬度和韌性都能達到最高，適應任何切削條件的斷屑槽。這樣，只要準備一種刀片，就什么都能加工了，那該多好！
       但這似乎難以實現(xiàn)，盡管困難，人們還是不斷朝這個理想的方向努力。如對材料和涂層的微細化、納米化以及控制結(jié)晶方向等，既提高硬度耐磨性又提高了韌性耐破損性，這就是朝理想前進了一大步。先進的MC6000系列就比上一代產(chǎn)品通用性有很多擴展， 例如MC6015材質(zhì)雖然硬，但綜合性能通過納米化等先進技術已經(jīng)提高，再結(jié)合不同的斷屑槽，就擴大了使用范圍。如當它選用LP、SA類斷屑槽、MA 斷屑槽可在連續(xù)穩(wěn)定表面條件下， 分別進行輕、中切削（ap=0.3-4），選用無代號和RP斷屑槽可進行輕斷續(xù)表面條件下的中、粗加工（ap=1.5-6）。但是還不夠，因韌性不足，無法進行不穩(wěn)定重斷續(xù)切削。若改用韌性高的MC6035，又無法兼顧到需要耐磨性高的應用范圍。此外斷屑槽所備用的種類還較多，應用尚不方便。
       針對這些情況，再結(jié)合中國企業(yè)的現(xiàn)狀，通用性的擴展再次被提上議程。為此三菱公司在之前的基礎上，開發(fā)了新的涂層UE6120（如圖8），它所適應的加工范圍要比MC6025系列的寬，韌性則要優(yōu)于MC6015，并被命名為“開天”涂層刀片。        UE6120是在通用性較好的UE6020基礎上進行改進后推出的新產(chǎn)品。它的幾層涂層成分、組織、結(jié)構(gòu)大致與過去的系列相同，但各層厚度，具體的組織結(jié)構(gòu)有所不同，更強調(diào)了提高韌性，因此韌性耐破損性超過了以往。它只有3種斷屑槽；MA，無代號和GH（圖9）。故也便于選擇。僅用這一種材料，只要改變少數(shù)幾種斷屑槽，就可以進行輕切削， 中切削， 粗加工。切削深度ap為0.3mm-6mm。不但可以切鋼、合金鋼，而且可以切削鑄鐵、不銹鋼等，加工材料的范圍也擴大了。強斷續(xù)切削、中斷續(xù)切削，以及連續(xù)切削皆能勝任。根據(jù)零件表面斷續(xù)程度不同，切削速度也可從175m/min到305m/min。在圖9中，還可以見到各斷屑槽的結(jié)構(gòu)形狀和它們所適應的進給量f和切深ap范圍。
       為測定UE6120刀片在強斷續(xù)切削，中等斷續(xù)切削的耐破損性能，用不同的進給量（0.17-0.24mm/rev），不同的沖擊次數(shù)（0-3000）進行了試驗，證明性能良好。又對S45C 鋼和SCM440 鉻鉬合金鋼進行連續(xù)切削實驗13-20分鐘，測定其后刀面磨損，磨損量均未超過標準磨鈍高度。經(jīng)廣泛試切汽車工業(yè)中的多種零件，證明效果令人滿意。
       對車削用刀片的高效穩(wěn)定性和通用性這兩個研發(fā)的方向，三菱公司緊抓不放， 在切鋼方面取得上述成績外， 在切削鑄鐵方面，又新推出了MC5005，MC5015高效穩(wěn)定刀片系列。由于應用了專利的納米結(jié)構(gòu)和強固結(jié)合技術，其性能優(yōu)于較昂貴的陶瓷材料，切削速度可高達600m/min。
       這兩種涂層材料分擔了連續(xù)和斷續(xù)切削，再配合不同斷屑槽效果更佳。在切削不銹鋼方面，又新推出了MP735通用刀片系列，它采用了新的高鋁技術，非但不會像一般技術因含鋁過多，造成涂層硬度等性能下降，反使之提高。雖僅備兩種斷屑槽，但可切削各類不銹鋼如奧氏體、鐵素體，馬氏體等，也可切削二相系和析出硬化系，可連續(xù)、也可斷續(xù)加工，可精加工，粗加工，還可以切除黑皮，通用性非常好，商業(yè)上被命名為“辟地”涂層刀片和UE6120系列的“開天”涂層相對應。這兩種研發(fā)方向及其實際成果給人們不少啟示，值得我們思考學習和應用。