探究超硬材料刀具在机械加工中的应用

张越

摘要：随着机械加工的发展，操作人员逐步提高了对刀具硬度的要求，并在加工中大量使用。由此，本篇文章首先介绍了超硬材料的刀具，随后，以此为基础，在机械加工中应用，以优化机械加工的效果，并体现出超硬材料刀具的优势，为人们的研究提供理论支持。

关键词：超硬材料刀具；机械加工；镗削加工；钻削加工

刀具是机械生产中必须使用的工具，而质量优良的刀具不论从质地、硬度与韧性等方面，都优于其他刀具，且随着机械加工的优化，也对刀具的使用提出了更高的要求。超硬材料刀具的使用，可以做到长时间使用，减少了使用的成本，在机械加工中的使用有明显的优势。

1 超硬材料刀具

它是用超硬材料做成的刀具，有较强的韧性且不易弯曲，但根据目前的生产情况分析，大部分刀具使用的材料都是人造的金刚石等，其中人造的金刚石为聚晶金刚石，在温度较高、压力较大的环境下，由多种材料复合而成的材料，虽然硬度与自然的金刚石不同，但金刚石内的不同颗粒却具有同向性的特点，是PCD最基本的材料，由此，可符合材料加工的要求，降低了刀具的制作成本。而在20世纪50年代，美国已经把金刚石、微粉混合，作为刀具的制作材料，并随着技术的发展，很多金刚石的复合材料也已经在刀具生产中使用，提升了刀具的抗弯性，解决了刀具制作中的难题。

其种类包括两类，一是用金刚石CVD做成的材料，做成后其有良好的导热性，可在金属机械的加工中使用。它的特点是：不易摩擦，不具备与非铁金属的亲和力，加工产生的碎屑可以顺利流出，保证了加工表面的质量，可以应用的加工材料包括陶瓷、铝、有色金属等，但这种刀具存在的问题是，随着外部环境的变化容易出现碳化，即热稳定性有待提升，韧性不足，当温度达到700℃到800℃之间时，会发生碳化，不可以在纯钢铁的材料中使用，二是用聚晶立方氮化硼做成的刀具，可以保持热度的稳定，应用环境的温度可以达到1200°。其具有的优势是，自身有良好耐磨性，硬度符合工作要求，不会发生化学反应，摩擦系数较小[1]。

2 超硬材料刀具在机械加工中的使用

超硬材料刀具可以在机械加工中广泛应用，比如汽轮机、燃气轮机等，这类机械对刀具的硬度有很高的要求，需要使用高强度的刀具，以让机械加工顺利进行。其应用包括以下几方面：

2.1 车削与铣削加工

其一，车削加工是用刀具对淬硬钢进行处理，使用时，刀具的使用可以优化刚件的打磨效果，增加了切削的深度。另它也提高了加工效率，变为原有效率的4倍，且成本只是原有成本的80%。以淬硬钢的加工为例，其强度超过了45HRC，工作人员会用PCBN对其进行处理，在设定的速度内完成对钢材的处理。如果加工过程中硬件的硬度不断上升，工作人员可以适当变缓加工速度。

其二，铣削加工是使用由PCD材料做成的刀具处理，实际使用过程中，加工速度最大可以达到4000m/min，缩短了加工所需的時间。而从目前我国的基本情况分析，这类材料多在铝合金加工中使用，工作效率是原有机器的两倍，同时，其也可以用于玻璃的加工，使用的刀具是用PCD制成的螺旋内配液面铣刀。

2.2 镗削与拉削加工

首先，镗削多用于汽车发动机的加工，以PCBN刀具为主，该刀具具有使用时间较长、尺寸一致的特点，可以精确控制加工的精度，有较高的生产效率。以钨硬质合金汽缸的加工为例，其可使用CVD刀具，切削的速度为0.5m/s，深度最深可以超过0.12mm，且在同一时间可以完成八个零件的加工。

其次，拉削加工多以工件孔的加工为主，使用的刀具是复合式渐开线跳齿孔的硬质刀具。这一刀具的使用具有两个特点，一是工作人员需按照刀上齿的结构，以及跳齿的分布方式，完成加工，如此，可以优化加工的质量，减少加工的操作步骤，且这一刀具与其他刀具相比，操作更加简便，减少了使用的成本。二是，用其拉削，可以让零件内孔保持同一个轴度，让加工最后呈现出良好的效果，为后续的加工步骤提供了便利[2]。

2.3 铰削与钻削加工

铰削加工多用于硬铸件小孔的加工，或是淬硬钢的加工，其使用的刀具是PCBN的电镀铰刀，从当下的加工情况分析，其已经在机械加工中大量使用。制作这类刀具的材料是钢材，而刀具也可以在切削中使用，并在刀具上设置了前后导向，另从制造的角度分析，制造中要求每一个位置都必须符合规范，对精度有很高的要求。以淬火钢工件为例，该钢工件的硬度是45HRC，对零件的精度有很高的要求，所以，工作人员会舍弃原有的珩磨加工，用电镀铰刀完成加工，以提高加工的效率，保证零件的加工质量。

钻削加工是针对陶器、玻璃、石材等材料的加工，使用的工具是PCD钻头。现在很多制作玻璃或是生产玻璃的企业，都会用金刚钻打磨玻璃，或是加工镜子孔。我国玻璃加工使用的金刚钻的直径最小为3mm，最大是130mm，由树脂金刚石制作而成，同时也可以使用镶嵌的金刚石制造。用这一刀具加工玻璃或瓷器，可以有效提升加工的效率与水平，并根据客户的要求，加工出特殊的孔洞或圆锥孔，优化了刀具使用的效果。

3 结语

如果使用传统的金属刀加工硬件，中途可能会出现零件分层、刀口崩坏的情况，与当代机械加工的速度不符，很难满足工业发展提出的要求，所以，超硬材料刀具的使用，可有效弥补传统刀具在工业中加工的不足，并在使用中呈现出高效、高速的优势，应用范围不断扩大，同时，它的使用，也提高了机械加工的效率，减少了加工使用的成本，在未来的应用与发展中，有很大的空间。

参考文献：

[1]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.

[2]苗赫濯，齐龙浩，司文捷，仇启源.新型陶瓷刀具在超硬材料加工中的应用[J].机械工程师，2012，（01）：2022.