超硬材料刀具在机械制造中应用广泛

武国良

[摘  要]对于机械加工来说，拥有一套科学的工具至关重要，刀具在机械加工中发挥着必不可少的作用。判断刀具是否良好的主要依据就是观察期印度及韧性是否达标。伴随着我国机械加工技术水平的提升，刀具创新也面临着较大的挑战。机械加工工作的多元化让人们不得不研发新的刀具材料，超硬材料刀具的出现及使用能够较好的缓解这一问题，尤其是在机械冷加工时，超硬材料刀具的成本更低、更加耐用、性价比更高，因此超硬材料受到了人们的一致好评。

[关键词]机械加工;刀具;超硬材料;应用

中图分类号：TG704 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）23-0032-01

1 论述超硬材料刀具的相关内容

通过分析机械加工工作可以得知，传统的超硬材料刀具主要采用的材料分为三种，一种是天然金刚石，一种是人造金刚石，一种是立方氮化硼。第一种材料的现有数量较少，无法满足日益增长的市场需求，人造金刚石尽管可以进行大规模的生产，但是前期投资较大，价格较高，推广起来较为困难。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 不同类型超硬材料刀具的性能对比

除了天然金刚石之外，还有一种CVD金刚石，这种超硬材料自身并没有金属催化剂，且其热稳定性及硬度都与天然金刚石相似，具有较强的抗磨损性，硬度也非常高，是得到全球认可的最硬刀具材料。另外，这种金刚石的摩擦系统也较小，热导率较高，具有良好的切割效果，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。

超硬材料刀具不仅有天然金刚石材料的，还有聚晶立方氮化硼材料的，根据组成结构的差异还可以将后者分为三类，首先是聚晶立方氮化硼复合片，其次是整体聚晶立方氮化硼刀具，第三是电镀立方氮化硼刀具。第一种超硬材料刀具的应用较为广泛，具有特别高的耐磨性及热稳定性，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 把超硬材料应用在机械冷加工中

3.1 应用在车削加工中

把超硬材料应用在车削加工中能够通过有效提升加工效果，在具体的加工过程中，对切削深度的要求远高于磨削，超硬材料的应用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。

在车削铸铁件的过程中，发动机缸盖的排气阀座选材非常重要，可以选取铜、铬合金，这样加工过程中通常会涉及到两种加工方式，即车削和铣削。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 应用在拉削加工中

机械加工中的拉削加工通常需要用到复合式的超硬材料加工工具，这是因为这种工具具有其他普通工具所没有的优势：第一，复杂多变的刀齿组成及科学的跳齿排布能够有效提升拉刀的自身质量，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。

3.3 应用在铰削加工中

PCBN电镀铰刀在机械加工中是一种较为常见的工具，这种工具的基本组成有9GrSi或者42HRC的45#钢，这种材料能够有效进行切削及完成前后导向工作。因此应该结合实际需求设计出科学的基体，同时应该满足较高的制造精度需求，切削部分要比前导向部分大位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位0.05mm，表面粗糙度为0.2um。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电镀铰刀晰铰汽缸体的主轴承孔来代替晰磨，这种做法使工作效率提高了数倍，且加工成品质量稳定。

3.4 应用在钻削加工中

在工程陶瓷、玻璃及石材的加工过程中经常要用到PCD钻头，大部分的玻璃店及加工部门都会运用PCD钻头完成玻璃的加工。当前，我国较为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

新常态下，我国的机械加工工作面临着更大的挑战，机械加工不仅要满足相应的质量要求，还应该确保加工的光滑度、抗磨损性能等，一般的金属合金刀具无法满足日益增长的机械加工需求，超硬材料刀具的出现及应用能够在一定程度上解决这一问题，加之超硬材料本身就有一些独特的优势，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。

参考文献：

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[2] 高建红，李文辉，刘伦伦等.钛合金和镍合金加工用新型刀具材料的研究进展[J].机械工程材料，2014，12（3：8）1-4