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***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***，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***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***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***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。