我国已成为“世界工厂”，要在全球市场有效地竞争并保持盈利，机械制造业必须不断努力降低加工成本。而在机械制造中通过缩短加工周期或提高加工效率可以获得对加工成本最有效的控制。随着现代数控技术的发展，虽然机械加工的效率越来越高，但是高速切削、硬态加工、高稳定性加工以车代磨、干式切削等有别于传统切削的新型切削方式随之产生，对数控刀具也提出了更高的要求。刀具材料主要指刀具切削部分的材料。刀具切削性能的优劣，直接影响着生产效率、加工质量和生产成本。而刀具的切削性能，首先取决于切削部分的材料，其次是几何形状及刀具结构的选择和设计是否合理。因此数控机床加工工件时，合理选用刀具材料不仅可以提高刀具切削加工的精度和效率，而且也是对难加工材料进行切削加工的关键措施，可以说在影响金属切削效率的诸多因素中，刀具材料是主要因素起着决定性作用。
1 涂层刀具的特点
刀具涂层技术主要有2大类：化学气相沉积(CVD)涂层技术，物理气相沉积(PVD)涂层技术。涂层刀具是随刀具涂层技术发展而出现的一种新型刀具材料，是刀具发展中的一项重要突破，是解决刀具材料中硬度、耐磨与强度、韧性之问矛盾的有效措施。涂层刀具是在一些韧性较好的硬质合金或高速钢刀具基体上，涂覆一层耐磨性高的难熔化金属化合物而获得的。常用的涂层材料有TiC、TiN和Al2O3等。CVD涂层工艺温度约1000℃，主要用于硬质合金刀具(刀片)的表面涂层；PVD涂层工艺温度为500℃和500℃以下，主要用于高速钢刀具的表面涂层。
1．1 涂层刀具的特点
金属切削刀具中涂层通过延缓各种磨损过程(前刀面磨损、月牙洼磨损、缺口磨损、粘结磨损等)，超硬涂层延长了硬质合金刀具的使用寿命，提高了被加工零件的表面精度，通过高速、高进给加工显著提高了金属切削生产率。
1)在相同的切削条件下，涂层刀具刀片的使用寿命比未涂层刀具(刀片)提高3～5倍。在相同的切削条件下，相同刀具寿命时，涂层刀具的切削速度比未涂层刀具提高20％～30％。
2)在相同的切削条件下，涂层刀具(刀片)的切削力小于未涂层者。涂覆TiC硬质合金刀片车削钢材与朱涂层刀片对比，主切削力Fc可减小3％～4％，TiN或TiC／TiN涂层刀片的Fc约可减小6％，进给力Ff与切深力Fp的减小尤为显著。Al2O3涂层刀片切削力的减小效果与TiN涂层刀片接近。
3)CVD涂层金刚石厚膜刀具，加工过硅铝合金、各种硬铝、铅黄铜、无氧铜、碘化钛以及纤维增强和颗粒增强的复合材料等，均取得较好效果。但用作超精密切削的刀具，其效果不如天然金刚石刀具。
4)用CxNy涂层高速钢钻头在高强度钢上钻孔，与术涂层钻头相比，涂层钻头的使用寿命提高7～9倍。在其他高速钢刀具上涂覆CxNy，亦有显著效果。而在硬质合金刀片上涂覆CxNy，用以车削钢料，效果尚，水够理想，其使用寿命不超过普通TiC涂层硬质合金刀片。
1．2 涂层刀具对切削加工的作用
在韧性较好的刀具(刀片)基体上进行表面涂层，涂覆具有高硬度、高耐磨性、耐高温材料的薄层(如TiN、TiC等)，使刀具(刀片)具有全面、良好的综合性能。未涂层高速钢的硬度仅为62～68 HRC(760～960 HV)，硬质合金的硬度仅为89～93．5HR(、(1300～1850 HV)；而涂层后的表面硬度可达2 000～3 000 HV以上。
1)由于表面涂层材料具有很高的硬度和耐磨性，且耐高温，故与未涂层的刀具(刀片)相比，涂层刀具允许采用较高的切削速度，从而提高了切削加工效率；或能在相同的切削速度下，提高刀具寿命。
2)由于涂层材料与被加工材料之间的摩擦因数较小，故涂层刀具(刀片)的切削力小于未涂层刀具(刀片)。
3)用涂层刀具(刀片)加工，零件的已加工表面质量较好。
4)由于涂层刀具(刀片)的综合性能良好，故涂层硬质合金刀片有较好的通用性，涂层硬质合金牌号的刀片具有较宽的使用范围。
2 涂层刀具在数控加工中的典型应用
刀具涂层技术自问世以来，对刀具性能的改善和加工技术进步起着非常重要的作用，涂层技术将传统刀具涂覆一层薄膜后，刀具性能发生了巨大的变化。涂层技术已应用于立铣刀、铰刀、钻头、复合孔加工刀具、齿轮滚刀、插齿刀、剃齿刀、成形拉刀及各种机夹可转位刀片，满足高速切削加工高强度、高硬度铸铁(钢)、锻钢、不锈钢、钛合金、镍合金、镁合金、铝合金、粉末冶金、非金属等材质工件的生产技术不同要求。
2．1 硬态加工，以车代磨
由于涂层刀具具有极高的硬度及耐磨性，可使被加工的高硬度零件获得良好的表面粗糙度，所以采用涂层刀具车削淬硬钢可实现“以车代磨”。应用实例如汽车、摩托车齿轮孔的加工，此类零件材料一般为20CrMnTi，渗碳淬火，表面硬度为60～62HRC，齿轮孔精度为IT6，表面粗糙度Ra≤0．8μm。传统加工工艺为：机加工→热处理→磨削。采用涂层刀具“以车代磨”的加工工艺为：粗加工→热处理一精加工。新工艺可大幅度提高加工效率，降低加工成本，原采用磨削工艺1班仪能加工100个小齿轮，现采用涂层刀具车削(切削参数V=60～120 m／min，f≤0．12 mm／r，ap≤0．1 mm，1班能加工400个小齿轮。
2．2 高速切削，高稳定性加工
在汽车发动机生产线上，灰铸铁缸体的缸孔精加工是关键工序之一，要求缸孔加工尺寸精度高、表面粗糙度值小、稳定性好；由于生产线加工节拍快，要求切削速度高(通常V≥500m／min)，刀具寿命长(加工孔数≥l000)，且倒角、止口、粗精镗等多个工位的刀片寿命均应满足耐用度要求。采用涂层刀具即可实现发动机缸孔的高速切削及高稳定性加工，其典型切削参数为：V一500 m／min，f＝0．2～0．4 mm／r，ap＝0．2～0．7 mm；加工表面粗糙度Ra≤1．6／μm，刀具寿命>1000件。
2．3 有色金属的高速、高稳定性、低粗糙度加工及镜面加工
采用涂层刀具加工有色金属时，由于涂层硬度高，表咖与金属亲合力小，且刀具一般抛光成镜面，不易产牛积屑瘤，因此，加工尺寸稳定性及表面质量都很好，刀具寿命也较长。例如，采用涂层刀具加工电机整流子的紫铜换向器，典型切削参数为：V=3000 m／min，f=0．08 mm／r，ap≤0．15 mm，加工表面粗糙度Ra=0．1～0．2μm，刀具寿命>5000件，而采用硬质合金刀具则只能加12几件。
采用涂层刀具加工各种硅铝合金零件，表面粗糙度Ra≤0．1μm，刀具寿命可达几千至几万件，尤其适合汽车、摩托车零件的大规模生产。
采用涂层刀具，在超精密车床卜可实现镜面球形加工。机床采用超精密气体静压主轴及同转工作台，跳动量≤0．3μm，工件采用高精度气动卡盘，可实现快速高精度定位。加工无氧铜材料时，表面粗糙度Ra≤0．025μm，圆度≤0．3μm；加工铝件时，表面粗糙度Ra≤0．025μm。
2．4 干式切削，清洁化加工
采用涂层刀具加工含硼铸铁缸套，切削参数：V=200 m／min，f=0．1mm／r，ap=0．2～lmm，加工表面粗糙度Ra≤l．6μm，精度IT6，2次刃磨问刀具寿命>100件，可实现“以车代磨”。由于采用干式切削，避免了切（磨）削液及砂轮灰对环境的污染，切屑也可回收再利用，符合清洁化生产要求。
3 结语
回顾机械加工发展的历史，可以看出刀具材料的发展起着重大的推动作用。刀具涂层技术自从问世以来，对刀具性能的改善和加工技术的进步起着非常重要的作用，涂层刀具已经成为现代刀具的标志，在刀具中的比例已超过50％。21世纪初，涂层刀具的比例进一步增加，有望在技术上突破CBN涂层技术，并且实用化，使CBN的优良性能在更多的刀具和切削加工中得到应用，甚至精密复杂刀具和成形刀具，这将全面提高加工黑色金属的切削水平。此外，纳米级超薄超多层和新型涂层材料的开发应用的速度将加快，涂层将成为改善刀具性能的主要途径。随着汽车、航空航天、电子、军工等部门对这些材料需求的增加，涂层刀具的应用也将更加广泛。
