高精度數(shù)控加工是現(xiàn)代機械加工的發(fā)展方向，“以車代磨”、 “以銑代磨”和“以鉆代鉸”已經成為現(xiàn)實。高精度數(shù)控機床不僅對機床提出高要求，而且也對刀具提出高要求。以往的銑削的一般加工精度為l0μm，現(xiàn)代高精度銑削的加工精度可以達到：普通級為5μm，高精密級從3～5μm至1～1.5μm，超精密級為0.0lμm。在高精密級銑加工中，如果要使加工精度達到2μm，則刀尖的跳動精度至少應控制在2μm以下。這就要求刀具不僅有非常高的耐磨性，而且，表面精度和表面質量也非常高。然而，目前的涂層刀具卻往往存在較多的表面微觀缺陷，其中最典型的是“液滴結瘤”和“微坑”，其尺寸一般都到達2µm以上。因此，刀具即使有非常高的耐磨性，其表面精度和表面質量也無法滿足高檔數(shù)控機床使用性能要求，制約了高檔數(shù)控機床的發(fā)展和應用。 

　　刀具的加工性能決定于刀具基體材料和表面涂層。數(shù)控機床刀具，特別是用量最大的可轉位數(shù)控刀片，一般都是對硬質合金基體采用物理氣相沉積（PVD）、化學氣相沉積（CVD）或等離子體輔助化學氣相沉積（PCVD）等方法進行表面硬質涂層處理。然而，由于與我國硬質合金基體相配套的刀具表面處理技術相對落后，作為占全球總產量的40%左右的硬質合金生產大國，其附加值最高的切削刀片產量卻只有3千余萬噸，高性能高精度硬質合金刀具不得不依靠大量進口，國產不足30%，2009年進口刀具比2008年增加87%。 

　　基于等離子體的表面薄膜涂層作為一種清潔表面改性技術已經成為高檔數(shù)控機床專用加工工具的通用技術，高性能涂層技術在高檔數(shù)控機床技術領域發(fā)揮著越來越重要的重要，具有巨大的市場需求。2008年國際物理氣相沉積（PVD）市場已到達99億美元，預計將以11％的速度增長，2013年可達到167億美元。 

　　因此，發(fā)達國家十分重視涂層缺陷對刀具摩擦學性能和切削加工性能的影響[1-8]。如美國Niagara Cutter公司、Kennametal公司等刀具制造商十分關注從源頭上消除涂層缺陷。早期采用多弧離子鍍上添加磁過濾設備，去除薄膜沉積過程中的大“液滴”。瑞典Sandvik Coromant公司為去除涂層中的微小缺陷，減小涂層中的殘余應力，降低產生粘結和積屑瘤（BUE）的傾向，改善刀具的切削性能，開發(fā)了涂層刀片后處理專利技術，對刀片切削刃進行輕微拋光。在涂層缺陷分類、形成機理及其控制方面也開展了許多基礎研究。瑞典學者對采用高離子密度反應離子鍍方法制備的TiN和反應直流磁控濺射方法制備的WC/C涂層的表面缺陷進行了科學的分類并建立了其表面缺陷準則，為改進涂層工藝提高涂層品質發(fā)揮了重要作用[2]。 

　　我國從上世紀80年代起，一直有單位和學者研究刀具涂層技術[9-15]。中國工程院艾興院士曾經指出“切削加工過程中刀具的摩擦與磨損是切削理論的最重要問題之一，它制約著高速切削加工技術的進一步發(fā)展和應用”[9]。2009年開始，國家“高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備”科技重大專項涉及到先進刀具的開發(fā)和研究。但是，我國刀具涂層技術與國際水平相比，差距仍然很大，在刀具涂層的基礎理論的系統(tǒng)研究上投入力量不大，涂層工藝的自主研發(fā)比較薄弱，刀具涂層表面微觀缺陷對刀具摩擦學性能和切削加工性能的影響問題仍然沒有得到重視，在目前國內唯一涉及刀具涂層技術的國家標準[16]中也沒有與涂層缺陷有任何關聯(lián)，刀具涂層表面缺陷研究基本上處于空白。 

　　刀具涂層是老技術的新挑戰(zhàn)，對于提高數(shù)控機床高精加工質量、提升國內刀具品質，擺脫對國外產品的依存，至關重要，值得深入研究。利用各種途徑在保持較高生產效率的同時，合理的克服或減少刀具涂層缺陷，是未來高速高精度加工刀具涂層技術的發(fā)展方向。 

　　本文擬在總結國外學者對涂層缺陷分析研究經驗的的基礎上，運用現(xiàn)代表面分析手段對刀具涂層缺陷進行三維表征，探討國產數(shù)控刀具涂層缺陷分類方法，結合涂層表面形貌對摩擦學性能的影響研究，探討控制涂層缺陷的方法，為提高我國刀具涂層技術水平、改善涂層質量提供理論和技術支撐。 

1  PVD涂層制備過程中的表面缺陷及其分類 

研究發(fā)現(xiàn)，涂層缺陷是涂層追求硬度、耐磨性和沉積效率等性能指標的制備工藝中伴隨產生的。對于高精度數(shù)控加工產生的微觀尺度的表面缺陷是等離子體涂層制備過程中不可避免的。圖1所示為PVD（TiN）處理的刀片典型的涂層缺陷。由圖1可見，涂層缺陷主要包括：大顆粒、淺坑、淺突起、暴露的基體區(qū)域、涂層碎片和涂層過程中遺傳的基體原始粗糙等。這些缺陷的尺寸部分在微米數(shù)量級，部分在亞微米尺寸。由于涂層缺陷與涂層性能是相互制約的矛盾體。涂層缺陷制約刀具的加工性能和使用壽命，但是，過分要求減少涂層缺陷也會影響涂層加工的生產效率或者對涂層設備提出過于苛刻的要求。因此，在對涂層缺陷的科學表征基礎上，對涂層缺陷進行分類，按照高精度數(shù)控機床加工性能的要求來控制涂層缺陷，即：限制直接影響高精度加工的涂層缺陷，合理放寬對不影響高精度加工的涂層缺陷，是在現(xiàn)有涂層設備和技術基礎上獲得高品質刀具涂層，并滿足我國高性能數(shù)控涂層刀具需求的有效途徑之一。 

　　根據(jù)對我國主要涂層刀具產品的涂層缺陷分析，并結合瑞典學者[2]對由國際主流PVD設備Oerlikon Balzers Sandvik Coating AB，采用高離子密度反應離子鍍方法制備的TiN和反應直流磁控濺射方法制備的WC/C涂層的表面缺陷的研究，本文提出將涂層缺陷分為：大液滴、結瘤與片狀凸出、空洞或盤型坑和針孔或氣泡的分類方法。 

　　大液滴（規(guī)則大尺寸凸出，圖2）：是涂層制備過程中，高能離子轟擊靶材獲得高沉積效率工況下的典型缺陷，一般顆粒的三維尺寸比較均勻，大于1.5μm，是嚴重影響刀具加工精度的涂層缺陷，對刀具的重復定位精度和加工件的表面質量有影響。 

圖2 大液滴涂層缺陷

結瘤與片狀凸出（圖3）：是由于真空室內的顆�；蛘呋�體表面的顆粒在涂層沉積以前附著在基體表面，隨著沉積存在于涂層當中，往往是較為松軟的涂層缺陷，缺陷的面積尺寸往往大大的大于高度，在使用中易于剝落。

　　空洞或盤型坑（暴露基體，圖4）： 涂層中存在與涂層的結合不牢的外來顆粒在高應力作用下進行自發(fā)脫落，形成空洞缺陷；基體之間存在污染，在真空室冷卻時由于熱應力作用而脫落形成盤形坑或暴露基體缺陷。 

圖4空洞或盤型坑缺陷

　　針孔或氣泡（圖5）：當基體表面存在狹窄的凹坑時，涂層沉積過程中在凹坑邊優(yōu)先生長，逐漸形成涂層針孔缺陷，而進行表面拋光處理時，這種缺陷表面一層薄薄的涂層被磨掉，暴露出來。氣泡是100-400nm微顆粒，真空室內形成片狀，當他們穿過等離子體時可以得到電荷，這種離子能夠到達基體表面，并且在電荷的作用下被固定在基體表面，沉積過程中形成氣泡式缺陷。

2  PVD涂層表面缺陷的特征及處理 

　　從微觀角度觀察，PVD涂層制備過程中產生缺陷是不可避免的。Oerlikon Balzers 的PVD設備是國際主流生產型涂層設備，其涂層的表面缺陷水平也依然很高（見表1），而且，隨著涂層工藝的不同，缺陷的類型、尺寸和密度也有差異。由于涂層缺陷的存在不可避免要對數(shù)控機床的高精度加工和摩擦學性能產生影響，采用合適的方法改善涂層缺陷尺寸和密度是十分重要的。英國學者早在2000年就曾經研究過原位真空拋光對TiN等涂層組織與性能的影響[6]，除了改進表面狀態(tài)外，還發(fā)現(xiàn)高真空條件下的拋光能夠獲得TiN、TiAlN的XPS譜與RBS數(shù)據(jù)完全吻合，而且沒有擇優(yōu)濺射效應。 

近年來，瑞士PLATIT公司采用V80設備對涂層基體表面進行清洗，主要步驟為超聲波清洗、水沖洗和烘干等。其具體工藝參數(shù)不詳，但據(jù)稱可降低涂層缺陷的產生，提高涂層質量。在表面后處理技術方面，該公司推出一系列應對不同涂層的拋光劑（SmooFin powder、P1等）去除大液滴，其中采用SmooFin powder拋光劑處理后的涂層表面，其粗糙度Rz可以到達平均0.5µm數(shù)量級，加工壽命達到1000小時以上[17]。

圖6 拋光處理后對涂層表面形貌的影響

3  探討與展望 

　　研究表明：涂層缺陷對涂層刀具的摩擦學性能和切削加工性能的影響是存在的。涂層缺陷過大、過多將會使刀具的耐磨性能降低，影響切削加工精度，縮短其加工壽命。但是，涂層缺陷是涂層制備過程中不可避免的產物，較少涂層缺陷往往意味著降低生產效率。因此，科學的確定涂層缺陷的各個參數(shù)對刀具的摩擦學性能和切削加工性能的影響，即，具體什么類型的涂層缺陷對刀具的摩擦學性能和切削加工性能有什么樣的影響？缺陷尺寸減小到何種尺寸，密度減少到多少時它對刀具的摩擦學性能和切削加工性能影響可以忽略不計？進而形成涂層缺陷的工業(yè)化規(guī)范，將會對現(xiàn)有刀具的涂層制備、后處理等工序起到重要的指導作用，并且能夠大大降低刀具的制造成本。但是，這些涂層缺陷表征的方法至今還沒有量化指標，還沒有人進行過系統(tǒng)的研究。 

　　研究涂層缺陷對涂層刀具的摩擦學性能和切削加工性能的影響必須對涂層缺陷進行科學準確的表征。本文嘗試對涂層缺陷進行了分類，是否能夠反映我國刀具涂層的技術形狀，還有待深入研究。可以肯定的是，通過三維數(shù)字化表征，能夠直觀準確的研究涂層的缺陷，有助于研究刀具涂層缺陷的形成機理，量化分析缺陷的大小、分布和密度等涂層缺陷對刀具摩擦學性能、切削加工性能的影響，有助于提高我國刀具涂層技術水平。 

　　常用的涂層缺陷表征手段有掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）以及白光共焦顯微鏡（或白光干涉顯微鏡）等。SEM方便快捷，其缺點是不能對涂層缺陷進行三維形貌觀察，無法準確表征缺陷的深度或高度數(shù)據(jù)；原子力顯微鏡能夠對涂層缺陷進行三維形貌觀察，但是其檢測范圍較小，無法表征液滴等大尺度缺陷；而白光共焦顯微鏡（或白光干涉顯微鏡）等設備，檢測范圍大，對于刀具涂層缺陷檢測有足夠的精度，特別適合對刀具涂層缺陷進行三維數(shù)字化表征，但它也有缺點，不能夠對存在針孔式的涂層缺陷進行量化�；�于這些檢測方法對于涂層缺陷的表征存在的不足，需要采取相應的改進彌補措施。 

涂層刀具后處理對刀具摩擦學性能和切削加工性能影響顯著。國外大量的生產實際已經證明，對切削刃的拋光處理，將大大的延長刀具的使用壽命。而目前國內對于硬質合金刀具切削刃的后處理方面的重視程度不夠，與國外的類似產品相比，存在著針對性不強、拋光效果不佳等缺點，在拋光劑的選擇和使用方面也存在一定的誤區(qū)，應該加強研究。 

　　近年來，隨著高精度數(shù)控機床對刀具切削加工精度要求的提高，越來越多的學者已經意識到了涂層缺陷對于刀具高精度加工有著重大的影響，刀具涂層方面研究的主要方向已經由新涂層的研究轉到了涂層的顯微研究。但是，受限于涂層缺陷的無損檢測技術以及缺陷形成機理研究模型的欠缺，這方面的研究目前還處于起步階段，仍有許多工作要做。預計未來涂層缺陷的主要研究將集中于缺陷的形成機理研究、缺陷對刀具切削加工性能以及摩擦學性能的影響研究、涂層沉積技術和參數(shù)的優(yōu)化等方面。通過加大對涂層缺陷方面的研究，并且與生產實際相結合，形成工業(yè)標準，將促進改變目前我國高檔數(shù)控刀具過度依賴國外產品的局面。