传统的切削加工工艺包括车削、铣削、镗削等。在金属切削加工过程中，刀具的前、后刀面不断与切屑和工件接触，并发生剧烈摩擦，接触区处于高温、高压状态。一方面，发生在刀具上的摩擦与磨损会造成刀具钝化失效，使切削无法进行；另一方面，发生在工件上的剧烈摩擦则会使加工表面质量恶化。    

现代切削加工过程中，一般使用切削液来降低加工过程中的摩擦和磨损。但切削液的存储、使用以及废弃处理需要专门的物流系统，因而费用很高。此外，我国制定的国家危险废物名录中明确规定切削液为乳化液属于危险废物，切削液的排放对环境的污染非常严重。这些缺陷使得人们希望能够减少甚至完全避免切削液的使用，干式切削方法应运而生。

图1 刀具切削加工示意图，其中四个箭头为湿加工中润滑液进入的四种可选择方向（图片来源：自润滑陶瓷刀具的设计开发及其自润滑机理研究）

根据德国的CDMA和日本精密工程协会的研究表明：切削加工中切削液的费用占生产总费用的15％到17％，而刀具成本占总生产费用的2％到4％。如果20％的切削加工采用干式加工，总的制造成本可降低1.6％。

环境友好加上经济效益驱动，干式切削方法已经成为传统切削加工方法的必然方向。但是相比于传统的湿切削，干切削也有一些不足：由于缺少切削液的润滑和冷却作用，刀具前刀面-切屑、刀具后刀面-工件之间的摩擦会加剧，切削温度急剧升高，刀具的磨损严重，刀具寿命下降，加工表面质量恶化。所以，干切削对刀具提出了更高的要求：

1. 刀具应具有优异的耐高温性能；

2. 刀具与切屑之间的摩擦系数要尽可能小；

3. 刀具应具有高硬度和耐磨性。

针对以上几点要求，陶瓷刀具尤其是自润滑陶瓷刀具似乎天然地与之匹配。

图2 针对镍基高温合金加工的陶瓷铣刀（图片来源：欧士机）

自润滑陶瓷刀具材料是指刀具自身具有减摩、抗磨效果，在没有外界辅助润 滑条件下，刀具自身具有润滑功效，自润滑陶瓷刀具材料在切削过程中，由于自润滑特性，能够减少摩擦的产生、提高刀具的使用性能以及加工精度，从而在很 大程度上改善当前在工件加工过程中所出现的误差大、刀具寿命短以及精度不够 等问题，降低了因多次更换刀具、浪费材料而产生的环境污染和资源滥用程度， 从根本上推进了工业的可持续发展。

实现陶瓷刀具自润滑效果的方法主要有2种：

1. 将具有润滑性质的固体相加载至该类型材料的基体中，然后将两者的混合物进行烧结整合。

2. 在实际的加工过程中，由于工件变形热以及刀具摩擦热所产生的热量非常巨大，在如此高温的环境之下，刀具的加工表面就会产生一系列的反应，而正是这种反应产生了一种具有润滑特性的膜。实验表明，该类型反应膜具有一定的润滑效果，能够在很大程度上减小摩擦。

目前，自润滑陶瓷刀具已经在实际生产中获得应用。例如，在航空航天领域，镍基高温合金的抗高温性能非常好，其性质可以长期保持稳定，所以广泛应用于航空器材各种高温部件的应用中，比如涡轮盘、燃烧室等。随着我国工业化进程的不断推进，镍基高温合金的应用不仅限于航空航天事业中，冶金、交通和石油等行业也开始逐渐应用镍基合金。不过，由于镍基合金屈服强度192MPa，其切削力比45号钢高50%，导热系数只有45号钢的1/5，切削温度高，且极易产生积屑瘤，并且合金中的金属碳化物硬质点，对刀具有强烈的颗粒冲击，是典型的难加工材料。

图3 镍基高温合金的应用实例（图片来源：中航迈特）

传统硬质合金的红硬性在600℃～800℃，在800℃之后，其硬度显著降低，而陶瓷的红硬性可达到1100℃～1300℃。这是陶瓷刀具适合作为镍基高温合金切削加工的基础。

图4 陶瓷材料和传统硬质合金的硬度对比（图片来源：刀具界）

对于镍基高温合金的切削加工，众多公司开发出不同适应性的刀具。华昇科技是一家主业为刀具、量具、夹具的公司，图5为华昇开发的一款适用于镍基高温合金加工的氮化硅陶瓷铣刀。据悉，氮化硅陶瓷的表面精加工至0.05μm～0.025μm时，摩擦系数可达0.01。此外，由于氮化硅材料具有自润滑特性，同等条件下，摩擦系数小于多数材料，且在干摩擦条件下耐磨性良好。

图5 上海华昇科技生产的氮化硅纯陶瓷铣刀（图片来源：华昇科技）

综合而言，干切削加工技术是实现绿色制造的关键技术，是一种先进的制造技术，而干切削刀具制造技术则是切削加工技术中的关键技术。由于缺少切削液的润滑和冷却，干切削刀具在实际加工的摩擦条件会异常严酷，刀具磨损十分严重。“耐高温+耐磨损+高硬度+低摩擦”的自润滑陶瓷刀具的研究与应用，必然成为干切削加工实现的重要途经之一。

参考文献

氧化铝基自润滑陶瓷刀具切削过程的有限元模拟与实验研究，齐鲁工业大学，陈俊玲。

自润滑陶瓷刀具的设计开发及其自润滑机理研究，山东大学，曹同坤。

By：火宣