金刚石是碳的同素异形体，是自然界中发现的最硬的材料。 金刚石工具具有高强度、高耐磨性和高导热性，广泛应用于有色金属和非金属材料的加工。 特别是在铝及硅铝合金的高速铣削中，金刚石刀具是不可替代的主要铣削刀具类型。 能够实现高效率、高稳定性、长寿命的金刚石刀具是现代数控加工中不可缺少的重要工具。
⑴金刚石工具的种类
①天然金刚石工具：天然金刚石用作铣削工具已有数百年的历史。 天然单晶硅金刚石工具经过精细研磨，切削刃可以磨得非常锋利。 切削刃直径可达0.002μm，可实现薄磨削，可加工极高的螺孔精度和极低的表面粗糙度，是公认的、理想的、不可替代的超精密加工工具。
②PCD金刚石工具：天然金刚石价格昂贵，磨削中广泛采用聚晶金刚石（PCD）。 自20世纪70年代初期采用低温制备聚晶金刚石（PCD）钢石（简称PCD刀片）研发成功后，天然金刚石刀具在很多场合已被人造聚晶金刚石取代。 PCD原材料来源丰富，其价格仅为天然金刚石的十分之几至十几。 PCD刀具很难磨削非常锋利的边缘，加工后的螺纹孔表面质量不如天然金刚石。 如今，该行业无法轻松制造带有断屑槽的 PCD 刀片。 因此，PCD只能用于有色金属和非金属的精切削，很难实现超精密镜面磨削。
③CVD金刚石工具：20世纪70年代末至80年代初，CVD金刚石技术出现在美国。 CVD金刚石是指采用物理液相沉积（CVD）方法在异质硬质合金（如硬质合金、陶瓷等）上合成金刚石膜。 CVD金刚石具有与天然金刚石完全相同的结构和特征。 CVD金刚石的性能与天然金刚石非常接近，它具有天然单晶硅金刚石和多晶金刚石（PCD）的优点，并在一定程度上克服了它们的缺点。
⑵金刚石工具的性能特点
①极高的强度和耐磨性：天然金刚石是自然界中发现的最硬的物质。 金刚石具有极高的耐磨性。 加工高强度材料时，金刚石刀具的寿命是硬质合金刀具的10～100倍，甚至数百倍。
②具有很低的摩擦系数：金刚石与一些有色金属之间的摩擦系数比其他工具低，摩擦系数低，加工时变形小，可减小磨削力。
③切削刃非常锋利：金刚石刀具的磨削刃口可锋利化，天然单晶硅金刚石刀具可达0.002-0.008μm，可用于薄铣和超精密加工。
④导热率高：金刚石具有较高的导热率和热扩散率，磨削热量易于散发，刀具铣削部分温度较低。
⑤热膨胀系数低：金刚石的热膨胀系数比硬质合金小数倍，铣削热引起的刀具规格变化很小，特别适用于规格要求高的精密、超精密加工准确性很重要。
⑶金刚石工具的应用
金刚石刀具多用于有色金属和非金属材料的高速精铣、镗孔。 适用于加工各种耐磨非金属钢材抗拉强度和抗压强度那个大，如玻璃钢粉末冶金毛坯、陶瓷材料等； 各种耐磨有色金属，如各种硅铝合金； 以及各种有色金属的精加工。
金刚石工具的缺点是热稳定性差。 当研磨温度超过700℃至800℃时，将完全失去强度； 据悉，铣削白色金属并不容易，因为金刚石（碳）在低温下很容易与铁原子相互作用，将碳原子转变成石墨结构，刀具很容易损坏。
2.立方渗碳硼刀具材料
第二种超硬材料立方渗碳硼（CBN），以类似于金刚石制造的方式合成，在强度和导热系数方面仅次于金刚石，并且具有优异的热稳定性。 加热至不氧化。 CBN对于白色金属具有极其稳定的物理性能，可广泛应用于钢铁产品的加工。
⑴ 立方渗碳硼刀具的种类
立方渗碳硼（CBN）是一种自然界中不存在的物质。 可分为单晶和多晶，即CBN单晶硅和多晶立方渗碳硼（立方，简称PCBN）。 CBN是渗碳硼（BN）的异构体之一，其结构与金刚石相似。
PCBN（多晶立方硼渗碳）是与细CBN材料通过结合相（TiC、TiN、Al、Ti等）在低温高压下焙烧在一起的多晶材料。 金刚石刀具材料与金刚石并称为超硬刀具材料。 PCBN主要用于制造刀具或其他工具。
PCBN刀具可分为整体PCBN刀片和硬质合金烧制的PCBN复合刀片。
PCBN复合刀片是在具有良好硬度和硬度的硬质合金上焙烧一层厚度为0.5-1.0mm的PCBN制成的。 其性能既有良好的硬度又有高的强度和耐磨性。 解决了CBN刀片弯曲硬度低、点焊困难的问题。
⑵立方渗碳硼主要性能及特点
立方渗碳硼的强度虽然略逊于金刚石，但远远低于其他高强度材料。 CBN的突出优点是其热稳定性远高于金刚石，可达1200℃以上（金刚石为700-800℃）。 也没有任何物理反应。 立方渗碳硼的主要性能特点如下。
①高强度、耐磨性：CBN的晶体结构与金刚石相似，具有与金刚石相似的强度和硬度。 PCBN非常适合加工以前只能切削加工的高强度材料，并且可以获得更好的螺孔表面质量。
②热稳定性高：CBN的耐热性可达1400-1500℃，几乎比金刚石（700-800℃）高1倍。 PCBN刀具可以铣削低温合金和淬火钢，其铣削速度比硬质合金刀具高3至5倍。
③优异的物理稳定性：在1200-1300℃时与铁基材料不发生物理作用，不会像金刚石那样腐蚀，此时仍能保持硬质合金的强度； PCBN刀具适用于铣削渗碳钢件和冷激铸铁件，可广泛应用于铸铁的高速铣削。
④导热性好：CBN的导热性似乎赶不上金刚石，而且在各种刀具材料中，PCBN的导热性仅次于金刚石，远低于高速钢和硬质合金。
⑤低摩擦系数：低摩擦系数可以减小铣削时的磨削力，增加磨削湿度，提高加工表面质量。
⑶ 立方渗碳硼刀具的应用
立方渗碳硼易于用于精加工各种硬铣削材料，如渗碳钢、硬质铸铁、高温合金、硬质合金、表面涂层材料等。 加工精度可达IT5（孔为IT6），表面粗糙度可小至Ra1.25～0.20μm。
立方渗碳硼刀具材料的硬度和弯曲硬度较差。 为此，立方渗碳硼丝锥不适用于低速、高冲击载荷的粗加工； 使用金属时会形成严重的积屑瘤，使加工表面恶化。
3.陶瓷刀材质
陶瓷刀具具有强度高、耐磨性好、耐热性和物理稳定性优良等特点，不易与金属形成结合剂。 陶瓷刀具在数控加工中占有非常重要的地位。 陶瓷刀具已成为高速铣削和难加工材料加工的主要刀具之一。 陶瓷刀具广泛应用于高速铣削、干铣削、硬铣削和难加工材料的磨削。 陶瓷刀可以高效加工传统刀具根本无法加工的高硬材料，实现“以车代磨”； 陶瓷刀的最佳铣削速率可比硬质合金刀高2至10倍，从而大大提高磨削生产效率； 陶瓷刀具材料所用的主要原料是地幔中含量最丰富的元素。 因此，陶瓷刀具的推广应用对于增加丰度、降低加工成本、节约战略贵金属具有重要意义，也将极大促进磨削技术的进步。
⑴ 陶瓷刀具材料的种类
陶瓷刀具材料的类型通常可分为三类：碳化硅基陶瓷、氮化硅基陶瓷、复合渗碳硅-碳化硅基陶瓷。 其中以碳化硅基和渗碳硅基陶瓷刀具材料应用最为广泛。 渗碳硅基陶瓷的性能优于碳化硅基陶瓷。
⑵陶瓷刀具的性能及特点
①硬度高、耐磨性好：陶瓷刀具的强度似乎没有PCD和PCBN高，而远低于硬质合金和高速钢刀具，达到93-95HRA。 陶瓷刀具可以加工传统刀具无法加工的高硬度材料，适合高速铣削和硬铣削。
②耐低温、耐热性好：陶瓷刀具在1200℃以上的低温下仍可进行铣削。 陶瓷刀具有非常好的低温热性能，A12O3陶瓷刀的抗氧化性非常好。 虽然磨边处于红热状态，但可以连续使用。 因此，陶瓷刀具可以进行干磨，从而无需铣削液。
③化学稳定性好：陶瓷刀不易与金属粘结，耐腐蚀，化学性质稳定，可减少刀具的粘结和腐蚀。
④摩擦系数低：陶瓷刀具与金属的亲和力小，摩擦系数低，可降低磨削力和磨削室温度。
⑶陶瓷刀有应用
陶瓷是主要用于高速精加工和半精加工的刀具材料之一。 陶瓷刀具适用于铣削各种铸铁（灰口铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、冷硬铸铁、高合金耐磨铸铁）和钢（碳素结构钢、合金结构钢、高硬度）钢、高锰钢、淬火钢等），也可用于铣削铜合金、石墨、工程塑料和复合材料。
陶瓷刀具材料的性能存在弯曲硬度低、冲击硬度差的问题，在低速和冲击载荷下不易铣削。
4.涂层刀具材料
刀具涂层是提高刀具性能的重要途径之一。 涂层刀具的出现使刀具铣削性能取得了重大突破。 涂层刀具是在硬度较好的刀体上蚀刻出一层或多层具有良好耐磨性的不溶性化合物。 它将刀具的硬质合金与硬涂层结合在一起，从而大大提高了刀具的性能。 涂层刀具可以提高加工效率、提高加工精度、延长刀具寿命、降低加工成本。
新型数控铣床中使用的铣削刀具中约 80% 使用涂层刀具。 涂层刀具将是未来数控加工领域最重要的刀具品种。
(1)涂层刀具的种类
根据镀膜方法的不同，镀膜工具可分为物理液相沉积（CVD）镀膜工具和化学液相沉积（PVD）镀膜工具。 涂层硬质合金刀具通常采用物理液相沉积，沉积温度在1000℃左右。 涂层高速钢刀具通常采用数学液相沉积方法，沉积温度约为500℃；
根据涂层刀具硬质合金材料的不同，涂层刀具可分为硬质合金涂层刀具、高速钢涂层刀具、陶瓷和超硬材料（金刚石和立方渗碳硼）上的涂层刀具。
根据涂层材料的性能，涂层工具可分为两类，即“硬”涂层工具和“软”涂层工具。 “硬”涂层刀具的主要目标是高强度和耐磨性。 其主要优点是强度高、耐磨性好，典型的是TiC和TiN涂层。 “软”涂层刀具追求的目标是低摩擦系数，称为自润滑刀具，它与型腔材料的摩擦系数很低，只有0.1左右，可以减少粘结，减少摩擦，增大铣削力和研磨温度。
最近开发了一种纳米涂层（）工具。 这些涂层工具可以采用各种涂层材料（如金属/金属、金属/陶瓷、陶瓷/陶瓷等）的不同组合来满足不同的功能和性能要求。 合理设计的纳米涂层可以使刀具材料具有优异的减摩抗磨功能和自润滑性能，适合高速干铣削。
⑵涂层刀具的特点
①良好的机械性能和磨削性能：涂层刀具综合了硬质合金材料和涂层材料的优良性能，既保持了硬质合金的良好硬度和高硬度，又具有高强度、高耐磨性和低磨损性涂层的电阻。 摩擦系数。 为此，涂层刀具的磨削速率可比未涂层刀具提高2倍以上，并允许更高的进给量。 涂层刀具的寿命也得到延长。
②通用性强：涂层刀具通用性广钢材抗拉强度和抗压强度那个大，加工范围显着扩大。 一种涂层刀具可以替代多种非涂层刀具。
③涂层长度：刀具寿命也会随着涂层长度的减少而降低，但当涂层长度达到饱和时，刀具寿命将不再明显降低。 涂层过厚时，易造成剥落； 涂层太薄时，耐磨性较差。
④可再磨性：涂层刀片可再磨性差，涂层设备复杂，工艺要求高，涂层时间长。
⑤涂层材料：不同涂层材料的刀具磨削性能不同。 例如：低速铣削时，TiC涂层有优势； 高速铣削时，TiN 更合适。
