超硬材料刀具在機械冷加工的作用

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【摘要】在機械加工過程中，刀具是基礎而又必備的工具。好的刀具除了具備極高的硬度，還要求具有較高的韌性。隨著機械加工技術的不斷成熟和完善，對于機械加工刀具的要求也逐漸變得嚴格。面對日益復雜多樣的機械加工，超硬材料刀具的優越性能也引起了相關科研人員的注意和研究。尤其是在機械冷加工過程中，超硬材料刀的耐用程度更高，性能優良，而且造價成本也較低，種種優點都使得超硬材料刀具的應用更加廣泛。

【關鍵詞】機械加工;刀具;超硬材料;應用

1超硬材料刀具的基本概念和發展概況

從目前的機械加工行業來看，傳統意義上的超硬刀具材料主要包括天然金剛石、人造金剛石以及立方氮化硼這三種材料。由于天然金剛石數量較為稀少，難以滿足機械加工行業的大規模需求。人造金剛石雖然能夠實現大規模生產，但是由于成本較高，市場價格昂貴，因此也難以得到廣泛普及應用。我國目前應用于超硬材料刀具上的主流材料是聚晶立方氮化硼及其復合材料。超硬材料刀具的最早應用在上世界五十年代的美國，科學家通過在實驗高溫高壓狀態添加凝合劑的方法，制成了數量較大的氮化硼聚晶塊。隨后的幾十年里，科學家又先后研制出了金剛石硬質合金和氮化硼復合片，基本上解決了超硬刀具材料的來源問題。我國在超硬刀具材料的相關方面研究開始于上世紀七十年代，雖然起步較早，但是由于當時各種外界條件的限制，無論是生產技術還是廠房設備條件都相對艱苦，所以研究工作進展緩慢。直到二十世紀末才真正意義上開始對這方面進行立項研究，目前已經取得了較為顯著的成果。

2超硬材料刀具的種類與性能分析

CVD金剛石中不含任何金屬催化劑，其熱穩定性和硬度在很大程度上近似于天然金剛石。CVD金剛石具有很強的抗磨損性和極高的硬度，是目前世界上公認的最硬刀具材料。除此之外，CVD金剛石還具有摩擦系數小、熱導率高、切割效果好等諸多優點，在進行金屬和非金屬材料切割方面都具有很好的效果。但是CVD金剛石的熱穩定性較差，而且硬度有余，韌性不足，在長期切割產生高溫的情況下容易出現碳化現象，不能用于硬質合金、鋼鐵合金等材料的加工。聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具，按照其構成成分的不同，可以分為聚晶立方氮化硼復合片、整體聚晶立方氮化硼刀具以及電鍍立方氮化硼刀具三種類型。其中，聚晶立方氮化硼是目前應用較為廣泛的一種超硬刀具材料，具有極高的耐磨性和熱穩定性，適用于目前多數機械加工操作，而且其材料來源較為廣泛，制造成本相對于金剛石要低，因此成為了機械加工刀具材料的主流選擇。人造聚晶金剛石是在高溫高壓狀態下，加入金屬凝結劑將金剛石單晶體材料結合形成的一種材料。在硬度方面，處于CVD金剛石和天然金剛石之間，但是其韌性要高于兩者，同時還具有較好的兼容性和可焊性。目前人造聚晶金剛石多用于精密小型部件的加工切割。

3超硬材料刀具在機械冷加工中的應用

3.1在車削加工中的應用

在車削鋼件材料加工時，對于淬硬鋼的加工，超硬材料刀具能夠在很大程度上實現以車代磨的加工效果。在切削加工過程中，由于其切削深度要遠遠高于磨削，極大程度上提高了以車代磨的工作效率，從而降低了加工制造的成本。需要注意的是，在進行高硬度機械部件加工時，要采取低速或中低速的切削方式，防止超硬材料刀具偏離切割軌道。在車削鑄鐵件時，對于發動機缸蓋的排氣閥座，可以選擇銅、鉬高鉻合金鑄鐵，這種材料的加工一般有車削和銑削2種工藝。用PCBN材料所制的刀具加工灰鑄鐵剎車盤時，其切削速度一般在700～2000m/min最適宜。

3.2在銑削加工中的應用

用PCD材料制成的刀具銑削鋁合金時，其速度可達到300～4000m/min；用PCBN制成的刀具銑削灰鑄鐵時，其速度一般在1000～2000m/min范圍內。目前，我國加工鋁合金缸蓋的PCD面銑刀切削速度已達到了4021m/min，其進給速度為5670mm/min，這種效率是我國20世紀90年代初期引進外國設備的2倍。精加工灰鑄鐵缸體的CBN面銑刀銑削速度也達到了2000m/min，其效率是硬質合金面銑刀的10倍之多。在玻璃深加工中，銑削玻璃的PCD螺旋內排液面銑刀應用最為廣泛。

3.3在拉削加工中的應用

在拉削加工中，一般采用復合式漸開線跳齒內孔超硬材料拉刀加工工件孔，其優點主要有兩點：其一是花鍵刃開側隙的刀齒結構和合理的跳齒排布方式，保證了拉刀的制造質量，而且其制造工藝不復雜，成本與普通的復合式漸開線拉刀相比也沒有太多差別。其二是這種加工方式保證了工件內孔各形面間的同軸度，在后續加工工序中，可以統一選用小徑圓面為定位基準，從而使得后序檢驗心軸和定位心軸的制作簡化了許多，同時也保證了各加工表面的位置精度。

3.4在鉸削加工中的應用

在硬鑄件小孔或淬硬鋼的鉸削加工中，PCBN電鍍鉸刀應用十分廣泛。這類鉸刀以9CrSi或42HRC的45#鋼作為基體，具有切削和前后導向部分。其基體設計要十分合理，且制造精度要求很高，切削部分要比前導向部分大0.04mm，工件孔深要小于切削區長度，切削區長度要比后導向長度略小。例如，某工廠加工直徑大約為12mm的淬火鋼工件，其硬度為45HRC，底部尺寸大約為12mm，加工要求孔的圓柱度為0.005mm，表面粗糙度為0.2μm。這個時候一般選用的是一組5把電鍍CBN鉸刀來進行加工。有些發動機制造廠用PCBN或PCD電鍍鉸刀珩鉸汽缸體的主軸承孔來代替珩磨，這種做法使工作效率提高了數倍，且加工成品質量穩定。

3.5在鉆削加工中的應用

用PCD鉆頭加工工程陶瓷、玻璃和石材的現象十分常見。很多玻璃店和玻璃深加工企業都使用PCD鉆頭來鉆削玻璃和鏡子的孔。目前，我國常見的金剛石鉆頭直徑一般在3～130mm之間。玻璃鉆頭有樹脂金剛石的，也有鑲嵌金剛石的。用PCD鉆頭加工石材和工程陶瓷具有效率高、質量好的優點。金剛石電解鉆削可用來成型各種難加工導電材料上的圓柱孔（盲孔和通孔）、特型孔和圓錐孔。結語：現階段，機械加工部門對于機械加工的要求日趨復雜多樣，除了保證加工質量之外，在加工平整度、光滑度以及抗磨損性能等方面也提出了較高要求，傳統的金屬或金屬合金刀具已經不能滿足條件苛刻的機械加工需求。超硬材料刀具的使用能夠很好的解決這一加工問題，加上超硬材料本身所具有的獨特優勢，在不同領域的機械加工工作上都取得了較為顯著的成績。為了實現超硬材料刀具的規模化使用，提升機械加工質量和加工效率，廣大機械加工人員需要不斷加強自身專業技能的學習，深入了解和分析超硬材料刀具在機械加工中的問題和不足，以便于采取相應的優化和完善對策，為機械加工的進一步發展提供基礎保障。

作者:蘇海兵 單位:哈爾濱東安發動機（集團）有限公司

參考文獻：

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