《科学画报》
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为刀具穿上金刚石“外衣”
2020-10-23 10:10:00提到刀具，你会想到什么?估计很多人脱口而出的答案会是菜刀、水果刀和剪刀，甚至是三国时期武将关羽的青龙偃月刀。
机床的“牙齿”
在工业体系中，刀具大部分都不是我们熟悉的单面开刃的样子。机械加工中的刀具主要进行切削、切割、磨削、铣削等工艺，广泛应用于各种类型、材质和大小的工件和产品的外形加工。因此，它们的外形多种多样，如钻头、圆盘锯片，甚至空心的“狼牙棒”等。
刀具常常被比喻为机床的“牙齿”，它是现代数字化制造技术的组成部分之一。随着制造业现代化步伐的加快，航空航天、海洋工程、汽车等各个行业都对高效刀具产生了大量的需求。
比如航空航天领域近年来大量采用镍基高温合金、钛合金、高强度结构钢等材料，这些材料的加工难度都很大。此外，飞机在制造过程中大量使用整体化构件，即在大块毛坯上去除余量，形成薄壁机构的零件。这些都对切削加工刀具提出了更高的要求。
新材料离我们并不遥远，我们平时使用的手机等电子产品中，近年来也广泛应用的一些超硬新材料，包括玻璃盖板、3D玻璃、陶瓷背板、铝合金壳体、不锈钢中框及结构件等。这也要求切削刀具不断创新，以适应新材料、新工艺发展的需求。
铣刀难题
近十几年来，高铁已经成为我国闪亮的国家名片和新时代的中国地标。在高铁为我们提供出行便利的背后，有很多不为人熟知却非常重要的养护工作。其中，对有着高铁“筋骨”之称的钢轨的养护更是关键一环。每一条钢轨都是有生命的，天冷它会紧缩“身躯”，天热它会舒张“筋骨”。高速列车对钢轨的碾压冲击也会不断加大其伤损。如果钢轨得不到及时养护整形，将直接影响到高铁奔跑时的稳定性、舒适度，还会滋生安全隐患。
目前对高铁铁轨进行维护的设备是被称为钢轨“急救车”的铣磨车，它可以对钢轨轮廓铣削整形，及时消除各种缺陷，但是对于铣磨车最核心的部件铣刀，我国现在仍然没有能力生产，只能从国外进口。
刀具的金刚石“外衣”
我国刀具消耗全球第一，但高效刀具长期依赖进口，难以满足进一步降低加工成本和提高重大装备研制国产化水平的要求，实现高效切削刀具国产化已迫在眉睫。
上海交通大学陈明教授团队以刀具国产化作为目标，构建了刀具形性协同设计技术体系;突破了刀具材料-结构-性能一体化协同制备关键技术，发明了形性可控的微纳米复合金刚石涂层刀具制备新技术;开发出金刚石涂层刀具、复杂型线高速钢刀具和超硬刀具等系列化产品。
金刚石薄膜具有一系列优异性能，是高性能刀具的首选涂层材料。但是，刀具的金刚石薄膜涂层技术需要解决两个难题：涂层表面光滑度和涂层界面附着强度。
陈明研究团队创造性地发展了金刚石微纳米复合涂层成套装备与技术，首先在刀具基体上生长微米级别的柱状晶体，然后再在柱状晶体上生长纳米晶体，成功制备获得兼具高耐磨性与超光滑表面的金刚石涂层，解决了金刚石涂层刀具性能精确调控的问题。
陈明研究团队还寻找到了一种适合硬质合金衬底表面生长中间过渡层的方法，解决了金刚石涂层和硬质合金刀具基体之间的附着强度问题。它不但能阻止钴的催石墨化作用，而且有效调制了复合涂层的机械力学性能，满足刀具的高效切削要求。
这种具有完全自主知识产权的金刚石微纳米复合涂层技术填补了国内空白，基于此技术，国内已建立了十几条金刚石涂层刀具生产线。利用该技术研制的系列化金刚石涂层刀具，成为中国商飞唯一指定的国产化刀具，为首架C919客机顺利下线做出了贡献。
文/姚晨辉
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