超硬材料刀具在机械加工中的应用

超硬材料刀具在机械加工中的应用

周殿扬

一重集团（黑龙江）重工有限公司，黑龙江省齐齐哈尔市，161041

摘要：社会的发展、科技的进步，带动了超硬材料的广泛应用，超硬材料在我国的机械加工当中有着广泛的应用，这种技术工艺中，超硬材料可以实现车削的方式来代替磨削的工艺方式。最好的工具材料应具有高硬度和韧性，这样才能在长时间使用后仍然保有良好的性能。超硬材料生产制作的产品用途广泛且质量较高、成本低，从而使超硬材料在冷加工制作领域占有一席之地。

关键词：超硬材料刀具；机械加工；应用

随着科学技术的不断发展，人们对机械加工的要求也越来越高。传统的金属刀具制造工艺已不能满足现代工艺生产的发展需要。超硬材料制成的工具的自身质地好硬度高，非常适合当前加工制作的工具需求，并且能够在机械加工当中取得好的效果。只有深入了解和研究刀具制造中的超硬型材料，才能更好地掌握刀具制造中的超硬型材料加工技术，从而保障未来机械加工制造行业的发展。

1超硬材料刀具概述

超硬材料刀具是利用超硬材料制成的刀具，所以具有较强的硬度和抗弯度。就目前来看，大多数超硬材料刀具都是利用人造聚晶金刚石等复合材料制成的，可以使刀具的制作成本得到降低。早在20世纪50年代，美国就开始将人造金刚石微粉当做是刀具材料。而到了70年代，金刚石复合片等复合材料的推出，则真正解决了超硬材料刀具抗弯强度低和镶焊卡困难等问题，继而使超硬材料刀具真正得到了应用。而到了今天，超硬材料刀具已经可以划分成许多种类，而不同的种类则有不同性能。例如，利用金刚石CVD材料制成的超硬刀具具有较高的导热率，可以用来进行金属材料的加工。但是，该刀具容易出现碳化问题，不宜用于加工纯钢铁材料。而利用聚晶立方氮化硼材料制作的刀具则具有较好的热稳定性，可以在1200°的高温下使用。

2超硬材料刀具种类与性能分析

在低压下制备的金刚石CVD与大单晶金刚石有着很大区别，前者具有极高的耐磨性和硬度，显微硬度高达HV10000，是目前世界上刀具材料中最硬的一种。此外，它摩擦系数小，与非铁金属基本没有亲和力，具有切屑易流出的优良特性，而且热导率高，加工表面质量好，能有效地加工非金属材料和非铁金属材料，如陶瓷/铝/铜等有色金属及其合金、塑料、未烧结的硬质合金、石墨、各种纤维和颗粒加强的复合材料、玻璃、橡胶和各种耐磨的木材。其缺点是热稳定性低与韧性差，到700～800℃时容易碳化，不适用于加工钢铁材料。此外，如果用金刚石刀具加工镍基合金其磨损会很快。

聚晶立方氮化硼即PCBN刀具，按制造方法和成分可分为聚晶立方氮化硼复合片、整体聚晶立方氮化硼刀具以及电镀立方氮化硼刀具3种类型。聚晶立方氮化硼具有极高的耐磨性与硬度，同时又具有良好的导热性、化学稳定性、较高的耐热性和较低的摩擦系数。

人造聚晶金刚石又称金刚石烧结体，它是在高温、高压下，通过钴等金属结合剂将许多金刚石单晶粉聚晶成的多晶体材料。其硬度略低于天然金刚石，但它是随机取向的金刚石晶粒的聚合，具有各向同性的特点。作为PCD的基体材料，硬质合金既有一定的硬度和良好的韧性，同时又具有与PCD的某种兼容性和可焊性。所以，PCD既具有金刚石的耐磨性和硬度，又具有硬质合金的可焊性和韧性等优点。

3超硬材料刀具在机械加工业中的应用

3.1超硬材料刀具在材料加工中的应用

3.1.1超硬材料刀具在金属材料加工中的应用

超硬材料刀具在机械加工中应用广泛，最显著的应用是在金属材料的加工过程中，超硬材料可以替代普通材料，可以实现铸、锻毛坯件的高速、高效加工，同时也可以一次性的完成粗、精细加工，其效率远远高出了普通材料刀具的磨削加工过程。尤其是，在成形、仿形及定尺寸的精密磨削方面，超硬材料刀具的优越性体现的更是淋漓尽致。

3.1.2超硬材料刀具在硬质合金制品及难磨材料加工中的应用

硬度合金具有硬度高、耐磨性强的特点，传统碳化硅和刚玉磨料已经不能满足这种硬质合金和难磨材料加工的需要，超硬材料刀具可以克服工件表面烧伤、微裂纹、缺口或变质层过深等缺陷，提高磨削效率和磨削质量，节约磨削成本。复合式渐开线跳齿内孔拉刀是一种质量、经济都比较好的拉刀，这种技刀的制造质量高，但成本与普通拉刀成本相同，而且其可以实现各种形式的硬质合金的磨削。

3.2超硬材料刀具在切削加工中的应用

切削加工，是指利用切削工具（包括刀具）将坯料或工件上多余的材料切去成为碎屑，使工件得到规定的形状、尺寸及标准质量的加工方法。切削加工必须具备三个条件，即切削工具、切削运动和工件，进行切削的方法包括车削、钻削、镗削、铣削、刨削、拉削和锯切等。接下来详细介绍超硬材料刀具在各种切削方法中的应用。

3.2.1在车削加工中的应用

在车削加工中，超硬材料刀具可以车削钢件、车削铸铁件、车削合金工件及车削其他材料。用超硬材料刀具加工淬硬钢时，其切削深度比磨削要高十几倍，效率可提高4倍之上，其加工成本即可下降为原来的五分之一。其中用PCBN刀具加工刚性好、刃口锋利、精度高，可达到数控磨床加工水平。在加工铸硬铁时，只要硬度达到中等硬度水平，利用超硬材料刀具加工就能取得良好的加工效果，广泛应用于汽车加工行业。此外，利用PCD超硬材料刀具切削铝合金轮毂、电动车整流子的紫铜换向器时，加工效率也可明显提高。

3.2.2在铣削加工中的应用

在铣削加工中，超硬材料刀具在主轴驱动下高速旋转，在相对静止的加工材料上走刀，发挥了其耐磨、铣削速率快的优势。其中，利用PCBN刀具铣削灰铸铁时，其铣削速度可达1000—2000m/min，在铣削铝合金时，其铣削速度达3000—4000m/min。此外，PCD刀具在铣削石墨时，充分发挥了其耐磨的特性，一次装夹刀具可加工20件石墨电极，其精度也达到精确至低于0.01mm。

3.2.3在镗削加工中的应用

在镗削加工中，利用超硬材料刀具扩大孔径或圆形轮廓的内径，常用的镗刀有单刃镗刀和双刃镗刀。利用超硬材料刀具制作镗刀，使得刀具寿命长、加工精度高、尺寸稳定、生产效率高，目前国内多家发动机制造厂已选用PCBN刀具。据统计，一汽公司利用PCD刀具制作镗刀，耐用度达到42500件，加工表面粗糙度由原来的1.12降为0.15，成本下降约85%，生产效率极大提高。

3.2.4在切削加工其他领域的应用

超硬材料刀具在切削加工中，除了在车削、铣削、镗削加工领域得到了广泛应用，在拉削、铰削、钻削等领域也应用广泛。在拉削加工中，利用超硬材料拉刀加工工件孔，不仅可以保证加工表面的位置精度，而且成本低廉；在铰削加工中，超硬材料刀具不仅契合了现代汽车变速箱对圆度、表面粗糙度、圆柱度的高精度要求，以及其在不同的加工负荷下仍具备优良的铰削性能；在钻削加工中，超硬材料刀具钻削范围广、精度高，利用金刚石刀具可钻削各种难加工的导电材料、可钻削出各种孔形。

4结束语

总而言之，随着机械加工要求的不断增加，传统金属刀具已经无法满足现代工艺技术的发展需求。而超硬材料刀具具有较高的质地，可以很好的进行硬工件的加工，所以在机械加工中得到了应用。因此，相关人员有必要对超硬材料刀具在机械加工中的应用问题进行深入的了解，以便更好的掌握相关的加工知识，继而较好的完成机械加工。

参考文献

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