机械加工，我只选最硬的

我国现代化机械行业加工技术中，超硬材料刀具的应用越来越广泛，在工业加工中所占重要性也越来越高，金属切削机床给机械制造提供了很大的平台和保障。好的刀具要有极高的硬度和柔韧性，尤其是随着高速加工技术、干式切削等技术的运用，对刀具要求越来越高。

今天分享给大家一篇文章通过对我国制造业的现状进行分析，简述超硬刀具在现代化加工中的性能和种类，以及在车削、铣削、镗削、钻削等机械加工中的实际应用，综合分析超硬材料刀具在机械制造中的重要性。

图1 金属切削

一、我国机械制造业的现状

近年来，我国机械制造业的发展较为迅速，在规模和产量方面仅次于美国， 出口量已经达到世界首位。而在质量上，还有所欠缺，民用产业还位于中低端阶段，高精刀具多数从外国进口而米，在加工技术上限制了刀具的发展。超硬刀具材料指的是天然金刚石、人造金刚石和立方氮化硼(CBN)几种材料，然而受到价格方面的限制，当前人们所采用的超硬刀具多数为聚晶立方氮化硼(PCBN)和人造聚晶金刚石(PCD)等材料。

图2 立方氮化硼刀具

二、超硬材料刀具的种类和性能分析

当前我国机械制造工业中所用超硬刀具材料中的人造金刚石多数在低压状态中制造而成，相比较大单晶金刚石， 其在硬度和耐磨性上都有所提高， 其显微硬度可以达到10000HV，在刀具材料中最硬。同时因其摩擦系数小， 和其他金属没有亲和力，故而，切屑很容易流出，热导率高，切面质量好，切削时不易形成屑瘤，可以对陶瓷、铜、铝等金属和非金属材料进行加工。

金刚石的缺点在于热稳定性低和韧性差，温度达到700～800℃时易被碳化，在加工钢铁材料时易受到限制， 同时高温下铁原子会和碳原子结合从而转化成石景，改变了物理性质。存在硬度上切削镍基合金材料时，也会迅速磨损。聚晶立方氮化硼刀具从制造方法上可分为聚晶立方氮化硼复合片、电镀立方氮化硼和整体聚晶立方氮化硼三个类型，其耐磨性和硬度上都有所保证，导热性能和耐热性能上均比PCD强，表现出良好的抗腐蚀性， 同时其摩擦系数也比较低， 在1200℃下依然能表现出良好的热稳定性，此材料更适合用在加工淬硬钢、喷焊用材和冷硬铸件等方面。

图3 各类硬质刀具

人造聚晶金刚石PCD的硬度比天然单晶体金刚石低，但其金刚石晶体聚合各向同性，不会出现不同晶面的强度、耐磨度及硬度上有太大区别的现象。在切削中，切削刃的耐磨能力较强，可长时间进行加工，在使用高速切削和大力度切削状态下，其使用寿命较wc基硬质合金刀具而言，高出10～50倍，PCD刀具有高硬度、长寿命、低摩擦、良好的热导性和低膨胀性等特点， 已逐渐形成wc基硬质合金刀具的替代材料。聚晶金刚石复合片PCD的材料来源范围广、价格较低，且该材料的韧性较好， 同时和PCD之间还有某种兼容性和可焊性。

图4 PCD刀具

三、超硬材料在机械制造业中的应用

在现代切削技术加工中， 主要应用刀具材料为PCD和PCBN，这类材料可以完成铸锻毛坯的高速加工、粗精加工等，运用在精密磨削中可以提高磨削的质量和效率。其应用范围， 可用于冶金、建筑工程、机械加工、石油勘探、工业加工、仪器仪表、电子工业、军事加工、航空航天等领域。

3.1 PCD金属切削刀具

PCD刀具结构主要分为焊接式和可转位式。近年来，我国工业刀具在焊接式方面发展较快的有莫氏标准刀柄的PCD铣刀、镗刀和铰刀，还有圆柱刀柄HSK刀柄，此类刀具的特点是切削刀刃对所用刀柄的跳动影响小，其长度为30ram的HSK柄PCD铣刀跳动为0.002mm，在切削有色金属的面、孔和阶梯孔上可以高速加工。对于可转位式PCD的刀片，常用在数控机床的刀体、刀杆、刀盘或者刀夹上。

在平常的应用中，只需对刀具转位紧固、或更换刀片等便可进行反复加工，提高加工效率。受到硬度限制，对于含硅量低于10％的铝合金，硬质合金刀便可加工，当超出10％时，只能采用PCD刀具进行加工。目前我国汽车发动机活塞采用的材料是高硅铝合金，其含硅量范围在12%~18%。一汽发动机精镗硅铝合金采用PCD刀具进行削孔，相关数据显示，当使用V=160m／min、f= 0.08～0.10mm／r、ap=0.05mm加工时，可加工42500件， 比硬质合金刀具高出90倍，零件表面粗糙度也有所下降，从原来的1.6降为0.2，同时节省了调刀时问，成本相较于硬质合金刀具下降85％。

图5 一汽发动机

3.2 PCBN金属切削刀具

转位结构PCBV刀具有车刀和铣刀，其剪切强度可达到0.8kg／m2。焊接式刀具有车刀、镗刀、铰刀等，在黑色金属加工中多有体现。其刀尖角度常为前角5°，后角3°～7°。用PCBN刀具精车高于451EC的淬硬钢效果十分明显。将其参数设置为：切削速度80～120m／min、进给量0.05～ 0.025am／r、切削深度0.1～0.3mm，材料加工表面粗糙度能达到Ra0.3～0.6 um，尺寸精度达0.013mm。将其用在标准数控车床上， 精度可达到0.01μm，粗糙度可达到Ra0.3μm。当超精密车床上使用PCBN刀具，切削深度设为15~20μm，进给量设为0.608μm／r，其表面光洁度能达到Rmax=0.0254μm，切削不锈钢，其表面粗糙度也可达到Rmax≤0.2μm。

图6 硬质合金燕尾刀槽

结 语

本文只从刀具方面讨论其应用，在刀具加工方面，超硬材料可用于金属材料的加工、铁氧体材料加工、半导体材料加工、电气材料加工等，超硬材料刀具的发展对机械制造行业的加工质量和效率均有着重要的影响。在今后的发展中将奔着高效、高速、高质量、低成本的方向研究， 以便更好地满足市场发展的需求。

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