尽管陶瓷切削刀具具有在高温领域硬度高、抗折强度好的材料特性，能够实现远超硬质合金的高速加工，但在这种高速切削过程中，磨损始终是其伴随的永恒话题。陶瓷刀具的前后刀面不断与工件、切屑接触摩擦并剧烈摩擦，不可避免导致刀具表面的磨损，从而使刀具失效。为了提高陶瓷刀具在高速切削过程中的耐磨性，科研人员通过长期的观察和实践，在仿生摩擦学中获取了灵感，他们发现动物身上一些微突起、微凹坑的微小结构具有减摩、耐磨等作用，于是，借鉴其中原理将这种结构特征运用到了陶瓷刀具的表面处理中，即对陶瓷刀具表面进行微织构。

陶瓷刀具表面并不是越光滑越好？

在我们的认知中，越光滑的表面摩擦力越小，也就越耐磨。但在切削刀具中却恰恰相反，这是因为在高速切削过程中，光滑的刀具表面与工件、切屑之间的接触面更大，也就意味着表面摩擦力越大，刀具越容易磨损，同时工件被切金属的弹塑性变形和前后刀面处产生的大量切削热也因较大的接触面无法有效地散发，使从而刀具过热并加速磨损。

刀具与切削接触示意图

通过对陶瓷刀具表面引入一些微小结构，不仅可以减少刀具与切屑之间的接触面积，降低切削力和切削温度，还可在这种细微结构中添加固体润滑剂，切削时产生的高温使固体润滑剂软化而形成连续的固态润滑膜可改善陶瓷刀具表面的润滑效果。此外，这种织构纹理能够储存切削碎屑及涂层颗粒，当涂层颗粒被挤压参与接触时，刀具与切屑间的接触状态由滑动接触变为滑动—滚动复合接触，有效降低两者间的摩擦系数，对于陶瓷刀具的表面也有一定的保护作用。

切削液在织构刀具—切屑间的渗透润滑

如何加工？

由于陶瓷刀具属于硬脆材料，且其表面的微细结构的排布方式以及结构参数都会其切削性能造成影响，引入的细微结构通常要求非常精细，因此加工较为困难。目前常采用激光加工、磨削加工、聚焦离子束等方式在陶瓷刀具表面引入细微结构。其中最为常用的方法是激光加工。

（1）激光加工是利用具有高能量密度的激光束聚焦并照射至工件表面，使聚焦位置获得极高温度，使加工材料熔化气化，具有可控性较好、加工速度快、通用性强、热影响区小的特点，且在合理使用激光参数的情况下，不会对陶瓷刀具表面涂层造成损坏，可加工出纳米级的精细结构表面，是陶瓷刀具目前最常用的表面加工手段之一。

激光加工陶瓷表面微织构形貌

（2）聚焦离子束是通过将具有特定直径和强度的离子束直接撞击到陶瓷刀具表面上，从而构建出特征尺寸等于或小于1µm的精细结构表面，与激光加工一样，离子束具有高分辨率，且对基材的选择没有限制，但因加工速度较慢，该技术仅限于小尺寸精细表面的加工。

（3）微磨削加工也叫超精密磨削，相较其他工艺，微磨削加工过程非常简单，成本也较低。通常是利用砂轮等磨削工具来磨蚀去除材料，形成的毛刺较少，微观织构形态平滑，对于沟槽的制备相对简单，但对于凹坑的制备较为困难，因此在应用上受到了限制。

微磨削示意图及构造的表面结构

（4）微喷砂是一种物理过程，因此也是一种能够适应不同种类材料的一种表面处理技术，能够构造出具有连续的微沟壑和大量表面微凸体的表面精细结构，适用于构造面积较大的精细表。但一般情况下，表面织构的大小和形状取决于微磨料粉末的晶粒尺寸、空气压力和喷嘴对表面距离的影响，不确定性较大。

微喷砂示意图及在刀具表面构造的精细结构

各种表面处理工艺对比

总结

在陶瓷刀具表面构造细小的微观结构，可以减少刀具与磨屑、工件的接触表面，并起到自润滑的效果，在高速/高性能切削加工、航空航天以及医疗机械等诸多领域有着广泛的应用前景。在目前的表面处理方法中，激光加工因可控性较好、加工速度快、通用性强的特点，成为了陶瓷刀具表面处理的最常用方法。未来，充分利用仿生学技术，进一步深入研究微织构刀具减磨机理，开发具有摩擦阻尼更小的微观织构，将是陶瓷切削刀具一个新的发展方向。

参考文献：

1、郭江,王兴宇,赵勇等.微织构刀具制备技术及加工性能研究新进展[J].机械工程学报.

2、轩文涛,陈光军,王建肖等.表面微织构刀具切削加工技术[J].工具技术.

3、屠春娟,郭旭红,郭大林等.不同形貌微织构自润滑陶瓷刀具切削性能的对比[J].机械工程材料.

粉体圈Corange整理

本文为粉体圈原创作品，未经许可，不得转载，也不得歪曲、篡改或复制本文内容，否则本公司将依法追究法律责任。