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超硬材料刀具在机械冷加工的作用
超硬材料刀具在机械冷加工的作用 【摘要】在机械加工过程中，刀具是基础而又必备的工具。好的刀具除了具备 极高的硬度，还要求具有较高的韧性。随着机械加工技术的不断成熟和完善，对 于机械加工刀具的要求也逐渐变得严格。面对日益复杂多样的机械加工，超硬材 料刀具的优越性能也引起了相关科研人员的注意和研究。尤其是在机械冷加工过 程中，超硬材料刀的耐用程度更高，性能优良，而且造价成本也较低，种种优点 都使得超硬材料刀具的应用更加广泛。【关键词】机械加工;刀具;超硬材料;应用 1超硬材料刀具的基本概念和发展概况 从目前的机械加工行业来看，传统意义上的超硬刀具材料主要包括天然金 刚石、人造金刚石以及立方氮化硼这三种材料。由于天然金刚石数量较为稀少， 难以满足机械加工行业的大规模需求。人造金刚石虽然能够实现大规模生产，但 是由于成本较高，市场价格昂贵，因此也难以得到广泛普及应用。我国目前应用 于超硬材料刀具上的主流材料是聚晶立方氮化硼及其复合材料。超硬材料刀具的 最早应用在上世界五十年代的美国，科学家通过在实验高温高压状态添加凝合剂 的方法，制成了数量较大的氮化硼聚晶块。随后的几十年里，科学家又先后研制 出了金刚石硬质合金和氮化硼复合片，基本上解决了超硬刀具材料的来源问题。
我国在超硬刀具材料的相关方面研究开始于上世纪七十年代，虽然起步较早，但 是由于当时各种外界条件的限制，无论是生产技术还是厂房设备条件都相对艰苦， 所以研究工作进展缓慢。直到二十世纪末才真正意义上开始对这方面进行立项研 究，目前已经取得了较为显著的成果。
2超硬材料刀具的种类与性能分析 CVD金刚石中不含任何金属催化剂，其热稳定性和硬度在很大程度上近似 于天然金刚石。CVD金刚石具有很强的抗磨损性和极高的硬度，是目前世界上公 认的最硬刀具材料。除此之外，CVD金刚石还具有摩擦系数小、热导率高、切割 效果好等诸多优点，在进行金属和非金属材料切割方面都具有很好的效果。但是 CVD金刚石的热稳定性较差，而且硬度有余，韧性不足，在长期切割产生高温的 情况下容易出现碳化现象，不能用于硬质合金、钢铁合金等材料的加工。聚晶立 方氮化硼（PCBN）刀具，按照其构成成分的不同，可以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三种类型。其中，聚晶立方氮化硼是目前应用较为广泛的一种超硬刀具材料，具有极高的耐磨性和热稳 定性，适用于目前多数机械加工操作，而且其材料来源较为广泛，制造成本相对 于金刚石要低，因此成为了机械加工刀具材料的主流选择。人造聚晶金刚石是在 高温高压状态下，加入金属凝结剂将金刚石单晶体材料结合形成的一种材料。在 硬度方面，处于CVD金刚石和天然金刚石之间，但是其韧性要高于两者，同时还 具有较好的兼容性和可焊性。目前人造聚晶金刚石多用于精密小型部件的加工切 割。
3超硬材料刀具在机械冷加工中的应用 3.1在车削加工中的应用 在车削钢件材料加工时，对于淬硬钢的加工，超硬材料刀具能够在很大程 度上实现以车代磨的加工效果。在切削加工过程中，由于其切削深度要远远高于 磨削，极大程度上提高了以车代磨的工作效率，从而降低了加工制造的成本。需 要注意的是，在进行高硬度机械部件加工时，要采取低速或中低速的切削方式， 防止超硬材料刀具偏离切割轨道。在车削铸铁件时，对于发动机缸盖的排气阀座， 可以选择铜、钼高铬合金铸铁，这种材料的加工一般有车削和铣削2种工艺。用 PCBN材料所制的刀具加工灰铸铁刹车盘时，其切削速度一般在700～2000m/min 最适宜。
3.2在铣削加工中的应用 用PCD材料制成的刀具铣削铝合金时，其速度可达到300～4000m/min；
用 PCBN制成的刀具铣削灰铸铁时，其速度一般在1000～2000m/min范围内。目前， 我国加工铝合金缸盖的PCD面铣刀切削速度已达到了4021m/min，其进给速度为 5670mm/min，这种效率是我国20世纪90年代初期引进外国设备的2倍。精加工灰 铸铁缸体的CBN面铣刀铣削速度也达到了2000m/min，其效率是硬质合金面铣刀 的10倍之多。在玻璃深加工中，铣削玻璃的PCD螺旋内排液面铣刀应用最为广泛。
3.3在拉削加工中的应用 在拉削加工中，一般采用复合式渐开线跳齿内孔超硬材料拉刀加工工件孔， 其优点主要有两点：其一是花键刃开侧隙的刀齿结构和合理的跳齿排布方式，保 证了拉刀的制造质量，而且其制造工艺不复杂，成本与普通的复合式渐开线拉刀 相比也没有太多差别。其二是这种加工方式保证了工件内孔各形面间的同轴度，在后续加工工序中，可以统一选用小径圆面为定位基准，从而使得后序检验心轴 和定位心轴的制作简化了许多，同时也保证了各加工表面的位置精度。
3.4在铰削加工中的应用 在硬铸件小孔或淬硬钢的铰削加工中，PCBN电镀铰刀应用十分广泛。这 类铰刀以9CrSi或42HRC的45#钢作为基体，具有切削和前后导向部分。其基体设 计要十分合理，且制造精度要求很高，切削部分要比前导向部分大0.04mm，工 件孔深要小于切削区长度，切削区长度要比后导向长度略小。例如，某工厂加工 直径大约为12mm的淬火钢工件，其硬度为45HRC，底部尺寸大约为12mm，加 工要求孔的圆柱度为0.005mm，表面粗糙度为0.2μm。这个时候一般选用的是一 组5把电镀CBN铰刀来进行加工。有些发动机制造厂用PCBN或PCD电镀铰刀珩 铰汽缸体的主轴承孔来代替珩磨，这种做法使工作效率提高了数倍，且加工成品 质量稳定。
3.5在钻削加工中的应用 用PCD钻头加工工程陶瓷、玻璃和石材的现象十分常见。很多玻璃店和玻 璃深加工企业都使用PCD钻头来钻削玻璃和镜子的孔。目前，我国常见的金刚石 钻头直径一般在3～130mm之间。玻璃钻头有树脂金刚石的，也有镶嵌金刚石的。
用PCD钻头加工石材和工程陶瓷具有效率高、质量好的优点。金刚石电解钻削可 用来成型各种难加工导电材料上的圆柱孔（盲孔和通孔）、特型孔和圆锥孔。结 语：现阶段，机械加工部门对于机械加工的要求日趋复杂多样，除了保证加工质 量之外，在加工平整度、光滑度以及抗磨损性能等方面也提出了较高要求，传统 的金属或金属合金刀具已经不能满足条件苛刻的机械加工需求。超硬材料刀具的 使用能够很好的解决这一加工问题，加上超硬材料本身所具有的独特优势，在不 同领域的机械加工工作上都取得了较为显著的成绩。为了实现超硬材料刀具的规 模化使用，提升机械加工质量和加工效率，广大机械加工人员需要不断加强自身 专业技能的学习，深入了解和分析超硬材料刀具在机械加工中的问题和不足，以 便于采取相应的优化和完善对策，为机械加工的进一步发展提供基础保障。
作者:苏海兵 单位:哈尔滨东安发动机（集团）有限公司
