谈超硬材料刀具在机械加工中的应用

车仁峰　陈明辉

摘要：超硬材料刀具是指硬度可与金刚石相比拟的材料刀具，其具有极高的硬度及韧性，随着干式切削及加工技术的快速发展，对超硬材料刀具要求愈来愈高。本文主要介绍了其在金属材料加工、硬质合金制品及难磨材料的加工、陶瓷材料加工、铁氧体材料加工等方面的应用情况，以及在切削加工中车削加工、铣削加工、镗削加工等不同领域中的应用情况。

关键词：超硬材料刀具；机械加工；材料加工；切削加工；应用

引言

超硬材料主要是指硬度可与金刚石相比拟的材料，目前使用的超硬材料主要是立方氮化硼与金刚石，除此之外，还有许多正在研发的超硬材料，如碳化硼，富硼氧化物等。金刚石目前已知的世界上最硬的物质，立方氮化硼硬度仅次于金刚石，超硬材料适于用来制造加工其它材料的工具，尤其是在加工硬质材料方面，具有无可比拟的优越性，占有不可替代的重要地位。

1.超硬材料刀具在机械加工业中的应用

1.1 超硬材料刀具在材料加工中的应用

1.1.1超硬材料刀具在金属材料加工中的应用

超硬材料刀具在机械加工中应用广泛，最显著的应用是在金属材料的加工过程中，超硬材料可以替代普通材料，可以实现铸、锻毛坯件的高速、高效加工，同时也可以一次性的完成粗、精细加工，其效率远远高出了普通材料刀具的磨削加工过程。尤其是，在成形、仿形及定尺寸的精密磨削方面，超硬材料刀具的优越性体现的更是淋漓尽致。

1.1.2超硬材料刀具在硬质合金制品及难磨材料加工中的应用

硬度合金具有硬度高、耐磨性强的特点，传统碳化硅和刚玉磨料已经不能满足这种硬质合金和难磨材料加工的需要，超硬材料刀具可以克服工件表面烧伤、微裂纹、缺口或变质层过深等缺陷，提高磨削效率和磨削质量，节约磨削成本。复合式渐开线跳齒内孔拉刀是一种质量、经济都比较好的拉刀，这种技刀的制造质量高，但成本与普通拉刀成本相同，而且其可以实现各种形式的硬质合金的磨削。

1.2 超硬材料刀具在切削加工中的应用

切削加工，是指利用切削工具（包括刀具）将坯料或工件上多余的材料切去成为碎屑，使工件得到规定的形状、尺寸及标准质量的加工方法。切削加工必须具备三个条件，即切削工具、切削运动和工件，进行切削的方法包括车削、钻削、镗削、铣削、刨削、拉削和锯切等。接下来详细介绍超硬材料道具在各种切削方法中的应用。

1.2.1在车削加工中的应用

在车削加工中，超硬材料道具可以车削钢件、车削铸铁件、车削合金工件及车削其他材料。用超硬材料刀具加工淬硬钢时，其切削深度比磨削要高十几倍，效率可提高4倍之上，其加工成本即可下降为原来的五分之一。其中用PCBN刀具加工刚性好、刃口锋利、精度高，可达到数控磨床加工水平。在加工铸硬铁时，只要硬度达到中等硬度水平，利用超硬材料刀具加工就能取得良好的加工效果，广泛应用于汽车加工行业。此外，利用PCD超硬材料刀具切削铝合金轮毂、电动车整流子的紫铜换向器时，加工效率也可明显提高。

1.2.2在铣削加工中的应用

在铣削加工中，超硬材料刀具在主轴驱动下高速旋转，在相对静止的加工材料上走刀，发挥了其耐磨、铣削速率快的优势。其中，利用PCBN刀具铣削灰铸铁时，其铣削速度可达1000-2000m/min，在铣削铝合金时，其铣削速度达3000-4000m/min。此外，PCD刀具在铣削石墨时，充分发挥了其耐磨的特性，一次装夹刀具可加工可加工20件石墨电极，其精度也达到精确至低于0.01mm。

1.2.3在镗削加工中的应用

在镗削加工中，利用超硬材料刀具扩大孔径或圆形轮廓的内径，常用的镗刀有单刃镗刀和双刃镗刀。利用超硬材料刀具制作镗刀，使得刀具寿命长、加工精度高、尺寸稳定、生产效率高，目前国内多家发动机制造厂已选用PCBN刀具。据统计，一汽公司利用PCD刀具制作镗刀，耐用度达到42500件，加工表面粗糙度由原来的1.12降为0.15，成本下降约85%，生产效率极大提高。

1.2.4在切削加工其他领域的应用

超硬材料刀具在切削加工中，除了在车削、铣削、镗削加工领域得到了广泛应用，在拉削、铰削、钻削等领域也应用广泛。在拉削加工中，利用超硬材料拉刀加工工件孔，不仅可以保证加工表面的位置精度，而且成本低廉；在铰削加工中，超硬材料刀具不仅契合了现代汽车变速箱对圆度、表面粗糙度、圆柱度的高精度要求，以及其在不同的加工负荷下仍具备优良的铰削性能；在钻削加工中，超硬材料刀具钻削范围广、精度高，利用金刚石刀具可钻削各种难加工的导电材料、可钻削出各种孔形。

2.结论

以金刚石为首的超硬材料刀具具有极高的硬度、耐磨性和化学稳定性。与传统的金属刀具相比，超硬材料刀具在切削加工难磨材料方面具有高速高效、综合成本低、应用广泛等特点。随着机械制造业近几年的快速发展，超硬材料刀具将朝向标准化、专业化、高品质方向发展。此外，超硬材料的产量正逐年增长，其将形成更明确的市场定位，在机械加工各个领域的应用会越来越多元、越来越广泛。

参考文献：

[1]王继明.浅谈超硬材料刀具在机械加工中的应用[J].黑龙江科技信息，2011，18：31.

[2]林成虎，任靖日，周俊宏.涂层刀具在机械加工中的应用实例[J].延边大学学报（自然科学版），2012，01：92-94.

[3]陈群英.硬质材料刀具在机械加工中的应用[J].科技风，2012，13：79.

[4]赵李军.浅析超硬材料刀具在机械加工中的应用[J].机电信息，2012，27：39+41.

[5]王成勇，周玉海，余新伟.高速加工中超硬材料刀具性能及进展[J].机电工程技术，2013，04：8-14+4.

[6]陈泉.硬脆材料加工中超硬刀具的应用[J].企业技术开发，2014，20：84-85.

[7]陈泉.硬脆材料加工中超硬刀具的应用[J].中国新技术新产品，2014，09：152-153.