在切削加工領域中，新型刀具技術往往對切削技術的發展起著十分重要的作用。本文就刀具在材料選用、結構設計、監測管理及智能刀具數據庫等方面的發展現狀和相關應用進行了論述，并展望了未來刀具技術的發展方向。

      高速切削作為先進制造的一項共性基礎技術，有著加工效率高、加工表面質量好、加工成本低以及可直接用于切削高硬度材料等顯著優點，已經成為現代切削加工技術的重要發展方向。刀具是高速切削加工工藝系統中重要的因素，是實現高速切削加工的必要條件，刀具性能和品質直接影響到數百萬臺機床生產效率的高低和加工品質的好壞，直接影響到整個機械制造工業的生產技術水平和經濟效益。因此新型先進的刀具在機械加工中起到越來越重要的作用，選擇合理的刀具材料、結構、及監測管理方法將是實現高效切削加工的關鍵。

      CIRP的一項研究報告顯示美國制造行業刀具的正確選擇只有50%左右，只有58%的切削時間是在最佳切削速度下工作的，并且僅有38%的刀具完全用到壽命值。這不僅會造成加工效率和質量的降低，還會造成資源、能源的浪費。雖然高性能刀具與傳統刀具相比價格昂貴，但是使用高性能刀具仍然可以有效地降低生產成本，符合綠色制造和可持續發展的需求。當前，世界各工業發達國家都在致力于開發與高速、高效、高質切削加工相匹配的新型先進的切削刀具材料、結構及監測管理模式，在刀具技術方面所取得的進展均屬于材料科學，計算機與信息學科、微電子應用技術的最新成果。為了滿足現代先進制造的經濟性、環保性、高效性而出現的新型通用及專用、復合、智能的刀具，都有著先進的結構、優良的性能、高的加工效率和精度。

新型的刀具材料技術

      在高速加工中，刀具材料對刀具壽命、加工效率、加工質量和加工成本等有很大影響。目前適用于高速切削的刀具主要有涂層刀具、金屬陶瓷（TiCN基硬質合金）刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼（CBN）、聚晶金剛石（PCD）刀具等，在此基礎上出現了新的刀具材料技術。

      2013年，山特維克可樂滿公司采用同向結晶的Inveio技術，改變了涂層晶體生長方向的隨機性，可控制刀片CVD氧化涂層中的晶體生長方向，使所有晶體朝著刀片頂部呈相同方向排列，這些緊密裹在一起的晶體可朝著切削區和切屑方向形成一道堅固的屏障，從而大大提高了刀具材料的耐磨性，能夠保持長時間切削而不發生切削刃變形，并可提供更長且可預測的刀具壽命，確保安全的無人值守生產，同時保證高金屬去除率。這種新型的新刀片材質可以進行高速和長時間切削，適合鋼件車削與鑄鐵銑削加工。隨著納米技術和涂鍍技術的發展，納米刀具涂層材料開始受到廣大研究者的關注。由美國學者開發的納米涂層和納米復合涂層技術可采用多種材料的不同組合（如金屬/金屬組合、金屬/陶瓷組合、陶瓷/陶瓷組合、固體潤滑劑/金屬組合等），以滿足不同的功能和性能要求。新近發展的硬質合金刀具涂層包含外部PVD和內部CVD涂層，內部CVD涂層可提供極好的基體粘合力和耐磨性，而外部PVD涂層提供一個堅固的、超細晶粒的、不易脆裂的、表面光滑的刀具表層。

新型的刀具結構設計

      通過刀具幾何設計改善切削狀態，提高加工質量也是生產實踐中行之有效的方法。CIRP的研究報告指出由于刀具材料的改進，刀具許用切削速度每隔10年提高1倍；而由于刀具結構和幾何參數的改進，刀具壽命每隔10年幾乎提高2倍。在現有刀具材料的基礎上，優化刀具切削部分的幾何形狀則能充分發揮新型材料的作用。

      伊斯卡公司推出的用于仿形銑的高效仿形風火輪球頭銑刀BLP系列，可夾持三個可轉位雙面銑刀片，形成240°空間銑削角度，三個刀片切削刃采用了全效率，帶分屑槽的高效率設計，此外，新型銑刀體帶內冷卻通孔，冷卻液直達切削刃。BLP銑刀的大進給能力使得生產率非常高，同時降低了切削力，大幅提高了切削加工過程的穩定性，消耗功率更低，刀片壽命更長。這種新銑刀可提高不同工業應用領域復雜3D仿形銑時的性能，特別在模具工業，渦輪葉片，整體葉輪葉盤及航空工業零部件的加工。

      瓦爾特公司開發的DC170鉆頭帶有八個明顯的環形槽，可加快冷卻液流動，同時減少了危險的纏屑風險。刃帶設計可使冷卻液從四面八方連續沖洗鉆頭，大大提高了冷卻效果，延長了刀具壽命。DC170的新刃帶結構使鉆削更為平穩，在斷續切削時提供最高穩定性，可獲得更高的鉆孔質量。這種新型鉆頭無需專用深孔加工設備，在普通的帶內冷功能的加工中心上即可使用，加工效率是槍鉆的4~10倍。

智能刀具：刀具的智能監測及智能化刀具數據庫

      隨著制造領域自動化程度不斷提高，刀具異常狀態的實時監測及刀具信息管理成為亟待解決的問題。精確地預報刀具在加工中，尤其是在制造成本極高的精密零件加工中的失效時間對提高零件的加工效率和質量、減少生產成本及研制周期具有重要意義。切削刀具狀態的實時監測與管理也是實現制造系統現代化、自動化、柔性化的基礎。因此，出現于20世紀90年代的智能刀具技術受到越來越多的關注，并在近年來得到迅速發展。

      日本京瓷工業陶瓷公司開發出一種裝有磨損傳感器的可轉位刀片刀具壽命診斷系統。這種智能刀具系統采用Ceratip傳感器，它在正方形的陶瓷刀片表面上，涂覆一層厚度為0.3μm的TiN，刀具在開始切削時，使裝有傳感器的刀片涂覆層通過電流，形成一微電子回路。當刀具在切削力的作用下磨損時，刀片表面上的TiN涂覆層首先被破壞，這時電流不能通過裝有傳感器的刀片涂覆層(斷電)，用電表測量時，此處微電子回路的電阻變為無限大。這時裝在刀片上的傳感器，將立即向機床控制系統發出信號，由機床控制系統控制機床立刻停機并執行自動換刀程序。這種刀具壽命診斷系統能直接測量出刀尖的磨損情況并快速、準確地預報刀具的失效時間。

      山特維克可樂滿公司開發了名為Adveon的軟件，這是一款數字化刀具數據庫，可模擬高質量的刀具組裝。在工藝規劃和CAM編程中，這款軟件可真實地模擬干涉實驗，為金屬切削行業提供了一個可自由發揮創造力的平臺，并有望大幅節省成本。山特維克可樂滿公司進一步提出了“智能加工”的概念，即刀具“知道”在加工過程中如何運轉，并與機床直接溝通。如果出現故障，刀具會發出警報或自動優化工藝。

      山高刀具公司將數據通信技術運用到金屬加工領域，推出了基于云計算的數字門戶MyPages，可在智能手機、平板電腦、筆記本電腦和臺式電腦上使用，用戶可以隨時查找并獲取包括刀具規格、不同加工條件下推薦的切削參數和產品供貨情況等信息，可在移動互聯中掌控制造工況。MyPages 為所有設備提供無縫連接、最佳視覺效果、輕松導航以及快速產品搜索，對任一標準刀具，即刻提供價格信息和切削參數，方便地進行數據共享，快速生成CNC 編碼并發送至機床，同時也可優化采購和庫存。

      為了對刀具實現有效管理，伊斯卡公司設計了魔力刀具柜MATRIX并帶有刀具管理軟件，可簡易地經由觸摸屏的操作，即可方便地進行提取刀具、返還刀具以及管理刀具。MATRIX可通過更方便、更高效地提供刀具消耗品的分發、管理，達到減少刀具使用成本、減少機床停機時間、提高生產效率、方便庫存管理等目的，從而實現了更加智能的刀具管理，成為現代化“智能制造”中的有力助手。

刀具技術發展展望

      刀具材料從高速鋼到硬質合金再到陶瓷、超硬材料不斷演變發展，開發新型刀具材料和強化現有的刀具材料的性能，研發適應硬切削、干式切削和高速切削的高性能刀具材料，是當前和未來研究的重點。同時不同的加工條件會更加需要創新型的刀具結構設計，刀具幾何參數也將進一步多樣化。隨著工業4.0（Industry 4.0）的提出，智能制造成為加工領域的研究熱點，智能刀具技術出現向系統化和模塊化發展的趨勢，并將與現代通信技術相結合，進一步融合到物聯網中，從而推動制造業裝備的高度現代化、自動化和智能化。