自潤滑刀具的發展現狀和趨勢分析
在金屬切削加工過程中，刀具的前、后刀面不斷與切屑和工件接觸，并發生劇烈摩擦，接觸區處于高溫、高壓狀態。發生在刀具上的摩擦與磨損會造成刀具鈍化失效，使切削無法進行；發生在工件上的劇烈摩擦則會使加工表面質量惡化[1]。現代切削加工都采用在切削加工過程中使用切削液來降低加工過程中的摩擦和磨損。切削液的主要作用是潤滑和冷卻，能夠改善切削加工中的摩擦潤滑狀態和降低切削溫度。但切削液的存儲、使用以及廢棄處理需要專門的物流系統，因而費用很高；切削液處理不當會對人的健康以及環境造成危害；工件經過濕加工后必須進行清潔處理，這都費時費力，同時增加了對系統的要求[2]。
德國的vdma和日本精密工程協會的研究表明：切削加工中切削液的費用占生產總費用的15%~17%，而刀具成本只有總成本的2%~4%。據測算，如果20%的切削加工采用干式加工，總的制造成本可降低1.6%。因此，為了消除切削液帶來的負面影響，zui有效的方法就是取消切削液，進行干式切削加工。采用干式切削的意義在于：形成的切屑干凈、清潔、無污染，易于回收和處理；省去了與切削液有關的傳輸、過濾、回收等裝置及費用，簡化了生產系統，節約了生產成本；節省了與切削液及切屑處理有關的費用；不產生環境污染及與切削液有關的安全與質量事故[3]。因此，可以說干切削技術是一種環境效益和經濟效益俱佳的工藝選擇。
但是相比于傳統的濕切削，干切削也有一些不足：由于缺少切削液的潤滑和冷卻作用，刀具前刀面-切屑、刀具后刀面-工件之間的摩擦加劇，切削溫度急劇升高，刀具的磨損嚴重，刀具壽命下降，加工表面質量惡化。所以，干切削對刀具提出了更高的要求：刀具應具有優異的耐高溫性能；刀具與切屑之間的摩擦系數要盡可能?。槐仨氁獌灮毒邘缀螀蹬c結構。因此，針對干切削加工的特點，一種新型的自潤滑刀具應運而生。
所謂自潤滑刀具是指刀具材料本身具有減摩、抗磨和潤滑功能，可在無外加潤滑液或潤滑劑的條件下實現自潤滑切削加工，可顯著改善干切削過程的摩擦潤滑狀態[4]。由于自潤滑刀具的應用可減小摩擦與磨損，省去冷卻潤滑系統，減少設備投資，避免切削液造成的環境污染，實現清潔化生產，降低生產成本。因此，自潤滑刀具是一種、潔凈的干切削刀具。實現刀具本身自潤滑的方法有多種，可將其歸納為5種基本類型，如圖1所示：（1）添加固體潤滑劑的自潤滑刀具；（2）原位反應自潤滑刀具；（3）軟涂層自潤滑刀具；（4）微織構自潤滑刀具；（5）軟涂層微織構自潤滑刀具。
添加固體潤滑劑的自潤滑刀具
添加固體潤滑劑的自潤滑刀具是將固體潤滑劑直接添加到刀具材料中，制備成含有固體潤滑劑的復合刀具。常用的固體潤滑劑有mos2、h-bn、h3bo3、tas2、ws2及軟金屬（ni、w、al、ti和co）等，其同金屬組成摩擦副的摩擦系數可低至0.1~0.2，是普通刀具材料的1/4~1/2。干切削時，刀具前刀面的固體潤滑劑由于受到高溫、摩擦和切削力的作用，被“擠壓”出刀具表面，在切削溫度作用下，固體潤滑劑處于塑性狀態并被拖敷于刀具表面，形成固體潤滑膜，從而賦予刀具的自潤滑特性。圖2為添加caf2固體潤滑劑的al2o3/tic/caf2自潤滑陶瓷刀具在切削過程中的減摩模型。
固體潤滑膜的存在可阻止刀-屑間的粘著，顯著降低前刀面與切屑間的平均摩擦系數。固體潤滑劑對刀具材料的性能影響表現在兩個方面：其一，固體潤滑劑在刀具材料中彌散分布有可能使得材料的機械性能變差；其二，固體潤滑劑可以在摩擦表面形成潤滑膜從而改善摩擦界面接觸狀態，進而改善其摩擦磨損性能[5]。因此，在實際應用中必須兼顧固體潤滑作用和刀具材料的物理機械性能之間的平衡。切削時由于刀具前刀面各部位的受力和摩擦條件不同，因此，整個刀具前刀面上很難同時生成一層完整的固體潤滑膜，隨著切削的進行，可能會在某些區域的自潤滑膜正在生成，而其他部位的自潤滑膜正在損壞。當自潤滑膜產生破壞并脫落后，刀具前刀面便形成了一個未覆蓋潤滑膜的新鮮表面，切屑與這一新鮮表面重新接觸，使自潤滑刀具又重新進入自潤滑膜的生成過程。由此，形成了自潤滑膜的生成、破損、脫落和再生的循環過程。
對于刀具前刀面的某一固定區域，始終會按照自潤滑膜的生成、破壞、脫落和再生這一演變規律進行往復循環，在切削過程中自潤滑膜覆蓋于刀具前刀面的總面積處于一種動態平衡狀態。因而添加固體潤滑劑的自潤滑刀具在其整個生命周期內始終具有自潤滑效果[6]。
原位反應自潤滑刀具
原位反應自潤滑刀具是指利用切削高溫作用下的摩擦化學反應，在刀具表面原位生成具有潤滑作用的反應膜，從而實現刀具的自潤滑。切削摩擦條件下的化學反應是高度非線性、不可逆的遠離平衡態的熱力學過程，處于摩擦學和化學的交叉領域。此種化學反應的存在，經常引起摩擦副表面材料發生本質的變化，使整個摩擦系統具有某種*的結構特性。如果能加以合理利用，將會產生很好的效果[7]。刀具表面在切削過程中處于高溫狀態，有利于引發和促進摩擦化學反應。通過對刀具材料進行合理的組分匹配設計和摩擦學設計，利用切削過程中的摩擦化學反應有可能在刀具表面原位生成具有潤滑作用的反應膜，從而實現刀具的自潤滑。生成的固體潤滑劑可以在摩擦表面形成完整的表面膜，也可以是不完整的表面膜，甚至磨屑也可起同樣的作用。這種自潤滑刀具材料在較高溫度下具有良好的自潤滑能力，尤其適合于高速干切削[8-9]。原位反應自潤滑材料一般可以分為金屬基原位反應自潤滑材料、非金屬基原位反應自潤滑材料。其制備方法通常為粉末冶金法。此外，等離子噴涂、表面技術和鑄造法也被應用于自潤滑復合材料的制備中。
由于硼化物在摩擦過程中很容易生成溶解有其他元素的硼的氧化物潤滑膜，該潤滑膜具有較低的剪切強度，可以改善刀具材料的摩擦潤滑狀態。因此，選擇以al2o3為基體，添加tib2或zrb2，采用熱壓燒結工藝研制開發出含硼化物的（al2o3/tib2和al2o3/zro2/zrb2）原位反應自潤滑陶瓷刀具[10]。用該原位反應自潤滑刀具進行干切削，利用切削過程中高溫作用下的摩擦化學反應，在刀具表面原位生成具有潤滑作用的反應膜，可實現刀具本身的自潤滑。當切削速度較低，切削溫度較小時，刀具的磨損機制主要表現為磨料磨損；當切削速度較高，刀具表面的硼化物在切削高溫作用下產生氧化，氧化物b2o3在切屑與前刀面之間起到固體潤滑的作用，此時，基體承受載荷，而摩擦則在氧化膜上進行。由于硼的氧化物具有低的剪切強度，進而可減小刀-屑間的摩擦系數（如圖3所示）。圖4為al2o3/zro2/zrb2原位反應自潤滑刀具干切削時前刀面磨損區xrd衍射譜圖。al2o3/zro2/zrb2原位反應自潤滑刀具在空氣中切削時，可見前刀面的磨損較為均勻，通過觀察刀具前刀面的edx能譜圖，發現前刀面有b2o3的生成，其在高溫下具有一定的潤滑性[11]。原位反應自潤滑刀具具有較好的減摩和抗磨的作用，適合于高速干切削。
由于切削過程中的高溫氧化反應無法控制，且很有可能降低刀具基體機械強度，加劇刀具磨損，因此原位反應自潤滑刀具的應用仍有待進一步研究。
軟涂層自潤滑刀具
軟涂層自潤滑刀具是指將固體潤滑劑通過涂層的辦法直接涂覆于刀具表面，從而實現刀具的自潤滑功能，這類涂層刀具也稱為自潤滑涂層刀具[4]。軟涂層的主要成分為具有低摩擦因數的固體潤滑劑，如mos2、ws2等，這些具有層狀結構的固體潤滑劑剪切強度較低且易附著于摩擦表面，從而可在切削過程中起到減摩作用。
此外，切削過程中，存在于刀具表面的固體潤滑膜會轉移到工件材料表面，形成轉移膜，使切削過程中摩擦發生在轉移膜和潤滑膜之間，使摩擦發生在固體潤滑膜內部，從而可達到減小摩擦、阻止黏結、降低切削力和切削溫度、減小刀具磨損的目的。與普通的tin等硬涂層刀具不同，軟涂層自潤滑刀具是通過在刀具表面沉積具有潤滑性能的涂層，能夠在切削過程中起到良好的減摩潤滑作用。在切削溫度較低時（＜400℃），選用具有六方晶層狀結構的硫化物，如mos2、ws2、mos2/ti（mo、cr、zr等）及ws2/w等，其優點是與工件材料組成的摩擦副的摩擦系數很低，大約只有0.1；而當切削溫度較高時（1000℃左右），軟金屬ni、w、al、ti等則具有更好的減摩效果[12-13]。
圖5四種軟涂層自潤滑刀具結構示意圖
趙金龍等[14]對mos2軟涂層自潤滑刀具進行了研究。在研究中設計了4種軟涂層自潤滑刀具，分別是純mos2涂層自潤滑刀具，mos2/ti涂層自潤滑刀具，mos2/zr涂層自潤滑刀具和mos2/cr涂層自潤滑刀具（如圖5所示）。當基體材料為yt15時，通過殘余熱應力分析可知，涂層與基體間熱膨脹系數與沉積溫度的差異是影響涂層系統殘余熱應力大小的主要因素，過渡層的添加有助于降低殘余熱應力、減小界面的應力梯度。mos2/zr涂層自潤滑刀具的殘余熱應力值較純mos2涂層以及其他含金屬過渡層的mos2涂層都要低得多。通過摩擦試驗發現，mos2/zr涂層的摩擦系數和磨損量較純mos2涂層均顯著降低。對摩擦球表面磨損形貌和成分的分析表明，mos2/zr“軟”涂層材料與對摩材料表面之間所形成的轉移潤滑膜是影響材料摩擦磨損性能的關鍵因素之一。由于摩擦副轉移膜的存在，涂層和對摩材料的摩擦轉變為涂層和轉移膜之間的“內”摩擦，從而降低了摩擦過程的摩擦系數，提高了材料的耐磨性能。圖6為mos2/zr軟涂層刀具與普通刀具切削淬火鋼時后刀面磨損量對比。對mos2/zr軟涂層刀具前刀面磨損形貌sem照片和能譜分析?？梢姡毒咔暗睹嫔系耐繉虞p微磨損，能譜分析表明，此時刀具前刀面含有大量的mo、s、zr元素。此外，通過切削試驗發現，無論是在潤滑膜完整的狀態抑或邊界潤滑狀態下，由于表面“軟”涂層的存在，涂層刀具的摩擦力和摩擦系數均降低；mos2/zr“軟”涂層在刀具和切屑之間起到潤滑劑的作用，從而降低了刀具的磨損[15]。
微織構自潤滑刀具
微織構自潤滑刀具是指在刀具的刀-屑（刀-工）接觸區加工出微織構，在微織構中添加固體潤滑劑，切削時由于高溫的作用使微織構中的固體潤滑劑軟化而拖敷于刀具表面，在刀-屑（刀-工）接觸區形成連續的固態潤滑膜，產生所謂的潤滑效應，從而實現刀具本身的自潤滑，以達到減小摩擦、降低磨損和提高刀具壽命的目的[4]。宋文龍等[16]進行了微結構自潤滑刀具的結構設計，確定了不同切削狀態下的微孔分布位置，結合微孔結構參數對微織構自潤滑刀具應力分布狀態的影響及作用規律，得出了*的微孔形狀及結構尺寸：孔形為圓孔，孔數n為4，孔徑為φ（0.15±0.02）mm，孔中心距主、副切削刃的距離l1、l2以及孔間距l3都約為0.3mm，孔深h為0.30mm，孔偏心距l4取為0.05mm。通過dzw-10微細電火花加工實驗機，在硬質合金yg8、yt5等難加工材料的刀片上加工出*的微孔結構，然后在微孔內裝填mos2固體潤滑劑，再進行干切削對比試驗，結果表明：微池自潤滑刀具的切削力比普通刀具可降低25%~35%，切削溫度可降低15%~20%，刀具磨損顯著減小。
通過掃面電子顯微鏡（sem）和能譜分析（edx）對微池刀具前刀面觀察研究，分析了刀具自潤滑機理，一是由于切削過程中微結構自潤滑刀具微孔中的固體潤滑劑受熱膨脹以及切屑的摩擦擠壓作用，被拖覆在刀具表面，形成固體潤滑膜，從而降低前刀面的摩擦系數；另一方面是由于前刀面刀-屑接觸長度減小，減小了刀-屑摩擦距離。圖7為微織構自潤滑刀具切削過程中的減摩模型。潤滑膜層在切削加工中是一個潤滑膜形成、磨損、再形成的循環過程，微織構自潤滑刀具在微孔*磨損的整個生命周期內始終具有自潤滑效果[17]。同時，宋文龍用微織構自潤滑刀具進行了摩擦試驗，結果表明：由于固體潤滑劑mos2具有較低的硬度、剪切強度以及良好的附著性能，能夠有效減緩摩擦副之間的摩擦，降低摩擦系數，由于mos2具有良好的附著性能，固體潤滑劑在表面大量粘著、拖覆，并形成一層穩定的潤滑膜層，使摩擦發生在潤滑膜內部，從而改善摩擦副的摩擦磨損性能。整個摩擦過程中，摩擦系數保持穩定，說明摩擦過程中能夠形成比較穩定的固體潤滑層。隨著摩擦的進行，粘著、拖覆在摩擦副表面的固體潤滑層自然要發生磨損和脫落，但表面微孔作為存儲器為接觸面*提供潤滑劑，同時微孔可以捕捉摩擦過程中產生的磨損微粒，將其轉移到微孔中減少犁溝的形成，起到減摩耐磨的效果[18]。
微織構自潤滑刀具是一種新型的干切削加工潤滑刀具，有待于深入的研究微織構結構、尺寸及其減摩抗磨作用機理，在保證刀具基體強度的同時盡量延長其作用時間，并確定微織構刀具的適用范圍。
軟涂層微織構自潤滑刀具
軟涂層微織構自潤滑刀具是指通過飛秒激光[19]等微細加工技術在刀具的刀-屑（刀-工）接觸區加工出微米或納米級別尺寸的具有一定排列的小孔、凹槽等形貌的點陣，然后通過物理氣相沉積法（pvd）在刀具表面涂層mos2或ws2等軟涂層材料（如圖8所示）。
由于刀具的刀-屑（刀-工）接觸區加工有微織構，所以在切削加工的時候，直接刀屑接觸面積就減小了，進而減小了摩擦力；還有刀具表面的微織構還能起到捕捉磨屑的作用[20-21]。而且由于在刀具表面用pvd法做了mos2或ws2等軟涂層，這直接就能起到軟涂層自潤滑的作用，mos2、ws2這類軟涂層材料具有較低的摩擦系數，而且由于是層狀結構，該軟涂層剪切強度較低且易附著于摩擦表面，從而可在切削過程中起到減摩作用。
同時，在切削過程中，存在于刀具表面的固體潤滑膜會轉移到工件材料表面，形成轉移膜，使切削過程中摩擦發生在轉移膜和潤滑膜之間，使摩擦發生在固體潤滑膜內部，從而可達到減小摩擦、阻止黏結、降低切削力和切削溫度、減小刀具磨損的目的。此外，當刀具表面的軟涂層用盡時，切削時由于高溫的作用使微織構中的軟涂層軟化從而拖敷于刀具表面，在刀-屑（刀-工）接觸區形成連續的固態潤滑膜，產生所謂的微池自潤滑效應，從而實現刀具本身的自潤滑，以達到減小摩擦、降低磨損和提高刀具壽命的目的[22-24]。
因此，軟涂層微織構自潤滑刀具在切削時不僅能體現軟涂層自潤滑刀具的軟涂層自潤滑作用，還能產生微織構自潤滑刀具的微織構自潤滑效應。軟涂層微織構自潤滑刀具的雙重效用能極大地改善干切削刀具摩擦力大，磨損嚴重的現狀，是未來干切削刀具發展的趨勢。
但是，軟涂層微織構自潤滑刀具尚處于研究階段，有待于深入研究微織構的結構、尺寸及其減摩抗磨作用機理，同時軟涂層的材料、涂層厚度、涂層工藝、與刀具基體的匹配程度、過渡層的選擇等需要再做進一步的研究，以達到*的干切削加工性能。
結束語
干切削加工技術是實現綠色制造的關鍵技術，是一種*的制造技術，而干切削加工刀具技術則是干切削加工技術中的關鍵技術。由于缺少切削液的潤滑和冷卻，干切削刀具在實際加工中的摩擦條件會異常嚴酷，刀具磨損十分嚴重。而自潤滑刀具則是干切削時的選擇，其不但實現了刀具自身潤滑的功能，而且在自潤滑的同時降低了刀-屑和刀-工之間的摩擦力，減輕了刀具磨損，同時降低了刀具的切削溫度，達到冷卻的功能。
而在5種自潤滑刀具中，添加固體潤滑劑的自潤滑刀具由于是把固體潤滑劑添加到基體中去，因而有可能使得刀具基體材料的機械性能變差，從而影響刀具的切削性能；而原位反應自潤滑刀具是刀具內部成分發生化學反應，必須達到較高的反應溫度；軟涂層自潤滑刀具的軟涂層磨損后難以補充，一旦磨損或脫落涂層作用就將失效；微織構自潤滑刀具由于加工的織構較小，所以可填充的潤滑劑數量有限，而如果加工的織構較大，就會影響刀具的強度和機械性能；而軟涂層微織構自潤滑刀具，由于具備軟涂層自潤滑和微織構自潤滑的雙重作用，而且采用飛秒激光等微細加工技術可以減輕對刀具的燒蝕以及對刀具機械性能和強度的影響，在進行銑削、鉆削等回轉加工時也不會因為離心運動而使潤滑劑分散，刀具刀-屑（刀-工）接觸區的微納米級別的織構不僅能捕捉磨屑，存儲潤滑劑供外表軟涂層磨盡時用，還能起到減小加工時的刀屑接觸面積等作用。因此，軟涂層微織構自潤滑刀具將是未來干切削刀具發展的趨勢。
總之，針對干切削加工，一方面要開發新型的刀具材料及刀具涂層技術，并使之相結合，提高刀具耐磨損和耐高溫性能；另一方面要設計新型的自潤滑刀具實現刀具的自潤滑，提高刀具減摩潤滑性能的同時保證自潤滑刀具基體機械性能，并針對不同的加工條件選擇合理的刀具幾何結構和刀具材料，這是設計開發干切削刀具的有效途徑。本文共有參考文獻24篇，因篇幅所限，未能一一列出，讀者如有需要，請向本刊編輯部索取。
（作者：山東大學連云崧）
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德國的vdma和日本精密工程協會的研究表明：切削加工中切削液的費用占生產總費用的15%~17%，而刀具成本只有總成本的2%~4%。據測算，如果20%的切削加工采用干式加工，總的制造成本可降低1.6%。因此，為了消除切削液帶來的負面影響，zui有效的方法就是取消切削液，進行干式切削加工。采用干式切削的意義在于：形成的切屑干凈、清潔、無污染，易于回收和處理；省去了與切削液有關的傳輸、過濾、回收等裝置及費用，簡化了生產系統，節約了生產成本；節省了與切削液及切屑處理有關的費用；不產生環境污染及與切削液有關的安全與質量事故[3]。因此，可以說干切削技術是一種環境效益和經濟效益俱佳的工藝選擇。
但是相比于傳統的濕切削，干切削也有一些不足：由于缺少切削液的潤滑和冷卻作用，刀具前刀面-切屑、刀具后刀面-工件之間的摩擦加劇，切削溫度急劇升高，刀具的磨損嚴重，刀具壽命下降，加工表面質量惡化。所以，干切削對刀具提出了更高的要求：刀具應具有優異的耐高溫性能；刀具與切屑之間的摩擦系數要盡可能?。槐仨氁獌灮毒邘缀螀蹬c結構。因此，針對干切削加工的特點，一種新型的自潤滑刀具應運而生。
所謂自潤滑刀具是指刀具材料本身具有減摩、抗磨和潤滑功能，可在無外加潤滑液或潤滑劑的條件下實現自潤滑切削加工，可顯著改善干切削過程的摩擦潤滑狀態[4]。由于自潤滑刀具的應用可減小摩擦與磨損，省去冷卻潤滑系統，減少設備投資，避免切削液造成的環境污染，實現清潔化生產，降低生產成本。因此，自潤滑刀具是一種、潔凈的干切削刀具。實現刀具本身自潤滑的方法有多種，可將其歸納為5種基本類型，如圖1所示：（1）添加固體潤滑劑的自潤滑刀具；（2）原位反應自潤滑刀具；（3）軟涂層自潤滑刀具；（4）微織構自潤滑刀具；（5）軟涂層微織構自潤滑刀具。
添加固體潤滑劑的自潤滑刀具
添加固體潤滑劑的自潤滑刀具是將固體潤滑劑直接添加到刀具材料中，制備成含有固體潤滑劑的復合刀具。常用的固體潤滑劑有mos2、h-bn、h3bo3、tas2、ws2及軟金屬（ni、w、al、ti和co）等，其同金屬組成摩擦副的摩擦系數可低至0.1~0.2，是普通刀具材料的1/4~1/2。干切削時，刀具前刀面的固體潤滑劑由于受到高溫、摩擦和切削力的作用，被“擠壓”出刀具表面，在切削溫度作用下，固體潤滑劑處于塑性狀態并被拖敷于刀具表面，形成固體潤滑膜，從而賦予刀具的自潤滑特性。圖2為添加caf2固體潤滑劑的al2o3/tic/caf2自潤滑陶瓷刀具在切削過程中的減摩模型。
固體潤滑膜的存在可阻止刀-屑間的粘著，顯著降低前刀面與切屑間的平均摩擦系數。固體潤滑劑對刀具材料的性能影響表現在兩個方面：其一，固體潤滑劑在刀具材料中彌散分布有可能使得材料的機械性能變差；其二，固體潤滑劑可以在摩擦表面形成潤滑膜從而改善摩擦界面接觸狀態，進而改善其摩擦磨損性能[5]。因此，在實際應用中必須兼顧固體潤滑作用和刀具材料的物理機械性能之間的平衡。切削時由于刀具前刀面各部位的受力和摩擦條件不同，因此，整個刀具前刀面上很難同時生成一層完整的固體潤滑膜，隨著切削的進行，可能會在某些區域的自潤滑膜正在生成，而其他部位的自潤滑膜正在損壞。當自潤滑膜產生破壞并脫落后，刀具前刀面便形成了一個未覆蓋潤滑膜的新鮮表面，切屑與這一新鮮表面重新接觸，使自潤滑刀具又重新進入自潤滑膜的生成過程。由此，形成了自潤滑膜的生成、破損、脫落和再生的循環過程。
對于刀具前刀面的某一固定區域，始終會按照自潤滑膜的生成、破壞、脫落和再生這一演變規律進行往復循環，在切削過程中自潤滑膜覆蓋于刀具前刀面的總面積處于一種動態平衡狀態。因而添加固體潤滑劑的自潤滑刀具在其整個生命周期內始終具有自潤滑效果[6]。
原位反應自潤滑刀具
原位反應自潤滑刀具是指利用切削高溫作用下的摩擦化學反應，在刀具表面原位生成具有潤滑作用的反應膜，從而實現刀具的自潤滑。切削摩擦條件下的化學反應是高度非線性、不可逆的遠離平衡態的熱力學過程，處于摩擦學和化學的交叉領域。此種化學反應的存在，經常引起摩擦副表面材料發生本質的變化，使整個摩擦系統具有某種*的結構特性。如果能加以合理利用，將會產生很好的效果[7]。刀具表面在切削過程中處于高溫狀態，有利于引發和促進摩擦化學反應。通過對刀具材料進行合理的組分匹配設計和摩擦學設計，利用切削過程中的摩擦化學反應有可能在刀具表面原位生成具有潤滑作用的反應膜，從而實現刀具的自潤滑。生成的固體潤滑劑可以在摩擦表面形成完整的表面膜，也可以是不完整的表面膜，甚至磨屑也可起同樣的作用。這種自潤滑刀具材料在較高溫度下具有良好的自潤滑能力，尤其適合于高速干切削[8-9]。原位反應自潤滑材料一般可以分為金屬基原位反應自潤滑材料、非金屬基原位反應自潤滑材料。其制備方法通常為粉末冶金法。此外，等離子噴涂、表面技術和鑄造法也被應用于自潤滑復合材料的制備中。
由于硼化物在摩擦過程中很容易生成溶解有其他元素的硼的氧化物潤滑膜，該潤滑膜具有較低的剪切強度，可以改善刀具材料的摩擦潤滑狀態。因此，選擇以al2o3為基體，添加tib2或zrb2，采用熱壓燒結工藝研制開發出含硼化物的（al2o3/tib2和al2o3/zro2/zrb2）原位反應自潤滑陶瓷刀具[10]。用該原位反應自潤滑刀具進行干切削，利用切削過程中高溫作用下的摩擦化學反應，在刀具表面原位生成具有潤滑作用的反應膜，可實現刀具本身的自潤滑。當切削速度較低，切削溫度較小時，刀具的磨損機制主要表現為磨料磨損；當切削速度較高，刀具表面的硼化物在切削高溫作用下產生氧化，氧化物b2o3在切屑與前刀面之間起到固體潤滑的作用，此時，基體承受載荷，而摩擦則在氧化膜上進行。由于硼的氧化物具有低的剪切強度，進而可減小刀-屑間的摩擦系數（如圖3所示）。圖4為al2o3/zro2/zrb2原位反應自潤滑刀具干切削時前刀面磨損區xrd衍射譜圖。al2o3/zro2/zrb2原位反應自潤滑刀具在空氣中切削時，可見前刀面的磨損較為均勻，通過觀察刀具前刀面的edx能譜圖，發現前刀面有b2o3的生成，其在高溫下具有一定的潤滑性[11]。原位反應自潤滑刀具具有較好的減摩和抗磨的作用，適合于高速干切削。
由于切削過程中的高溫氧化反應無法控制，且很有可能降低刀具基體機械強度，加劇刀具磨損，因此原位反應自潤滑刀具的應用仍有待進一步研究。
軟涂層自潤滑刀具
軟涂層自潤滑刀具是指將固體潤滑劑通過涂層的辦法直接涂覆于刀具表面，從而實現刀具的自潤滑功能，這類涂層刀具也稱為自潤滑涂層刀具[4]。軟涂層的主要成分為具有低摩擦因數的固體潤滑劑，如mos2、ws2等，這些具有層狀結構的固體潤滑劑剪切強度較低且易附著于摩擦表面，從而可在切削過程中起到減摩作用。
此外，切削過程中，存在于刀具表面的固體潤滑膜會轉移到工件材料表面，形成轉移膜，使切削過程中摩擦發生在轉移膜和潤滑膜之間，使摩擦發生在固體潤滑膜內部，從而可達到減小摩擦、阻止黏結、降低切削力和切削溫度、減小刀具磨損的目的。與普通的tin等硬涂層刀具不同，軟涂層自潤滑刀具是通過在刀具表面沉積具有潤滑性能的涂層，能夠在切削過程中起到良好的減摩潤滑作用。在切削溫度較低時（＜400℃），選用具有六方晶層狀結構的硫化物，如mos2、ws2、mos2/ti（mo、cr、zr等）及ws2/w等，其優點是與工件材料組成的摩擦副的摩擦系數很低，大約只有0.1；而當切削溫度較高時（1000℃左右），軟金屬ni、w、al、ti等則具有更好的減摩效果[12-13]。
圖5四種軟涂層自潤滑刀具結構示意圖
趙金龍等[14]對mos2軟涂層自潤滑刀具進行了研究。在研究中設計了4種軟涂層自潤滑刀具，分別是純mos2涂層自潤滑刀具，mos2/ti涂層自潤滑刀具，mos2/zr涂層自潤滑刀具和mos2/cr涂層自潤滑刀具（如圖5所示）。當基體材料為yt15時，通過殘余熱應力分析可知，涂層與基體間熱膨脹系數與沉積溫度的差異是影響涂層系統殘余熱應力大小的主要因素，過渡層的添加有助于降低殘余熱應力、減小界面的應力梯度。mos2/zr涂層自潤滑刀具的殘余熱應力值較純mos2涂層以及其他含金屬過渡層的mos2涂層都要低得多。通過摩擦試驗發現，mos2/zr涂層的摩擦系數和磨損量較純mos2涂層均顯著降低。對摩擦球表面磨損形貌和成分的分析表明，mos2/zr“軟”涂層材料與對摩材料表面之間所形成的轉移潤滑膜是影響材料摩擦磨損性能的關鍵因素之一。由于摩擦副轉移膜的存在，涂層和對摩材料的摩擦轉變為涂層和轉移膜之間的“內”摩擦，從而降低了摩擦過程的摩擦系數，提高了材料的耐磨性能。圖6為mos2/zr軟涂層刀具與普通刀具切削淬火鋼時后刀面磨損量對比。對mos2/zr軟涂層刀具前刀面磨損形貌sem照片和能譜分析?？梢姡毒咔暗睹嫔系耐繉虞p微磨損，能譜分析表明，此時刀具前刀面含有大量的mo、s、zr元素。此外，通過切削試驗發現，無論是在潤滑膜完整的狀態抑或邊界潤滑狀態下，由于表面“軟”涂層的存在，涂層刀具的摩擦力和摩擦系數均降低；mos2/zr“軟”涂層在刀具和切屑之間起到潤滑劑的作用，從而降低了刀具的磨損[15]。
微織構自潤滑刀具
微織構自潤滑刀具是指在刀具的刀-屑（刀-工）接觸區加工出微織構，在微織構中添加固體潤滑劑，切削時由于高溫的作用使微織構中的固體潤滑劑軟化而拖敷于刀具表面，在刀-屑（刀-工）接觸區形成連續的固態潤滑膜，產生所謂的潤滑效應，從而實現刀具本身的自潤滑，以達到減小摩擦、降低磨損和提高刀具壽命的目的[4]。宋文龍等[16]進行了微結構自潤滑刀具的結構設計，確定了不同切削狀態下的微孔分布位置，結合微孔結構參數對微織構自潤滑刀具應力分布狀態的影響及作用規律，得出了*的微孔形狀及結構尺寸：孔形為圓孔，孔數n為4，孔徑為φ（0.15±0.02）mm，孔中心距主、副切削刃的距離l1、l2以及孔間距l3都約為0.3mm，孔深h為0.30mm，孔偏心距l4取為0.05mm。通過dzw-10微細電火花加工實驗機，在硬質合金yg8、yt5等難加工材料的刀片上加工出*的微孔結構，然后在微孔內裝填mos2固體潤滑劑，再進行干切削對比試驗，結果表明：微池自潤滑刀具的切削力比普通刀具可降低25%~35%，切削溫度可降低15%~20%，刀具磨損顯著減小。
通過掃面電子顯微鏡（sem）和能譜分析（edx）對微池刀具前刀面觀察研究，分析了刀具自潤滑機理，一是由于切削過程中微結構自潤滑刀具微孔中的固體潤滑劑受熱膨脹以及切屑的摩擦擠壓作用，被拖覆在刀具表面，形成固體潤滑膜，從而降低前刀面的摩擦系數；另一方面是由于前刀面刀-屑接觸長度減小，減小了刀-屑摩擦距離。圖7為微織構自潤滑刀具切削過程中的減摩模型。潤滑膜層在切削加工中是一個潤滑膜形成、磨損、再形成的循環過程，微織構自潤滑刀具在微孔*磨損的整個生命周期內始終具有自潤滑效果[17]。同時，宋文龍用微織構自潤滑刀具進行了摩擦試驗，結果表明：由于固體潤滑劑mos2具有較低的硬度、剪切強度以及良好的附著性能，能夠有效減緩摩擦副之間的摩擦，降低摩擦系數，由于mos2具有良好的附著性能，固體潤滑劑在表面大量粘著、拖覆，并形成一層穩定的潤滑膜層，使摩擦發生在潤滑膜內部，從而改善摩擦副的摩擦磨損性能。整個摩擦過程中，摩擦系數保持穩定，說明摩擦過程中能夠形成比較穩定的固體潤滑層。隨著摩擦的進行，粘著、拖覆在摩擦副表面的固體潤滑層自然要發生磨損和脫落，但表面微孔作為存儲器為接觸面*提供潤滑劑，同時微孔可以捕捉摩擦過程中產生的磨損微粒，將其轉移到微孔中減少犁溝的形成，起到減摩耐磨的效果[18]。
微織構自潤滑刀具是一種新型的干切削加工潤滑刀具，有待于深入的研究微織構結構、尺寸及其減摩抗磨作用機理，在保證刀具基體強度的同時盡量延長其作用時間，并確定微織構刀具的適用范圍。
軟涂層微織構自潤滑刀具
軟涂層微織構自潤滑刀具是指通過飛秒激光[19]等微細加工技術在刀具的刀-屑（刀-工）接觸區加工出微米或納米級別尺寸的具有一定排列的小孔、凹槽等形貌的點陣，然后通過物理氣相沉積法（pvd）在刀具表面涂層mos2或ws2等軟涂層材料（如圖8所示）。
由于刀具的刀-屑（刀-工）接觸區加工有微織構，所以在切削加工的時候，直接刀屑接觸面積就減小了，進而減小了摩擦力；還有刀具表面的微織構還能起到捕捉磨屑的作用[20-21]。而且由于在刀具表面用pvd法做了mos2或ws2等軟涂層，這直接就能起到軟涂層自潤滑的作用，mos2、ws2這類軟涂層材料具有較低的摩擦系數，而且由于是層狀結構，該軟涂層剪切強度較低且易附著于摩擦表面，從而可在切削過程中起到減摩作用。
同時，在切削過程中，存在于刀具表面的固體潤滑膜會轉移到工件材料表面，形成轉移膜，使切削過程中摩擦發生在轉移膜和潤滑膜之間，使摩擦發生在固體潤滑膜內部，從而可達到減小摩擦、阻止黏結、降低切削力和切削溫度、減小刀具磨損的目的。此外，當刀具表面的軟涂層用盡時，切削時由于高溫的作用使微織構中的軟涂層軟化從而拖敷于刀具表面，在刀-屑（刀-工）接觸區形成連續的固態潤滑膜，產生所謂的微池自潤滑效應，從而實現刀具本身的自潤滑，以達到減小摩擦、降低磨損和提高刀具壽命的目的[22-24]。
因此，軟涂層微織構自潤滑刀具在切削時不僅能體現軟涂層自潤滑刀具的軟涂層自潤滑作用，還能產生微織構自潤滑刀具的微織構自潤滑效應。軟涂層微織構自潤滑刀具的雙重效用能極大地改善干切削刀具摩擦力大，磨損嚴重的現狀，是未來干切削刀具發展的趨勢。
但是，軟涂層微織構自潤滑刀具尚處于研究階段，有待于深入研究微織構的結構、尺寸及其減摩抗磨作用機理，同時軟涂層的材料、涂層厚度、涂層工藝、與刀具基體的匹配程度、過渡層的選擇等需要再做進一步的研究，以達到*的干切削加工性能。
結束語
干切削加工技術是實現綠色制造的關鍵技術，是一種*的制造技術，而干切削加工刀具技術則是干切削加工技術中的關鍵技術。由于缺少切削液的潤滑和冷卻，干切削刀具在實際加工中的摩擦條件會異常嚴酷，刀具磨損十分嚴重。而自潤滑刀具則是干切削時的選擇，其不但實現了刀具自身潤滑的功能，而且在自潤滑的同時降低了刀-屑和刀-工之間的摩擦力，減輕了刀具磨損，同時降低了刀具的切削溫度，達到冷卻的功能。
而在5種自潤滑刀具中，添加固體潤滑劑的自潤滑刀具由于是把固體潤滑劑添加到基體中去，因而有可能使得刀具基體材料的機械性能變差，從而影響刀具的切削性能；而原位反應自潤滑刀具是刀具內部成分發生化學反應，必須達到較高的反應溫度；軟涂層自潤滑刀具的軟涂層磨損后難以補充，一旦磨損或脫落涂層作用就將失效；微織構自潤滑刀具由于加工的織構較小，所以可填充的潤滑劑數量有限，而如果加工的織構較大，就會影響刀具的強度和機械性能；而軟涂層微織構自潤滑刀具，由于具備軟涂層自潤滑和微織構自潤滑的雙重作用，而且采用飛秒激光等微細加工技術可以減輕對刀具的燒蝕以及對刀具機械性能和強度的影響，在進行銑削、鉆削等回轉加工時也不會因為離心運動而使潤滑劑分散，刀具刀-屑（刀-工）接觸區的微納米級別的織構不僅能捕捉磨屑，存儲潤滑劑供外表軟涂層磨盡時用，還能起到減小加工時的刀屑接觸面積等作用。因此，軟涂層微織構自潤滑刀具將是未來干切削刀具發展的趨勢。
總之，針對干切削加工，一方面要開發新型的刀具材料及刀具涂層技術，并使之相結合，提高刀具耐磨損和耐高溫性能；另一方面要設計新型的自潤滑刀具實現刀具的自潤滑，提高刀具減摩潤滑性能的同時保證自潤滑刀具基體機械性能，并針對不同的加工條件選擇合理的刀具幾何結構和刀具材料，這是設計開發干切削刀具的有效途徑。本文共有參考文獻24篇，因篇幅所限，未能一一列出，讀者如有需要，請向本刊編輯部索取。
（作者：山東大學連云崧）
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