新型材料在机械加工刀具中的研究与应用

吴兆庭

摘要：在机械加工中使用的超硬材料刀具超硬材料刀具目前主要有单晶金刚石刀具，聚晶金刚石（PCD）刀具，化学气相沉积（CVD）的金刚石刀具，聚晶立方氮化硼（PCB N）刀具等[1]。它不仅是加工高硬度材料的理想刀具，而且用超硬材料刀具替代普通刀具进行切削，可以实现铸、锻毛坯件的高速、高效加工和/或一次性完成粗、精加工。超硬材料刀具是完全适用于高速、精密和自动化加工的。尤其是在以车代磨、以铣代磨方面，它适用于成形、仿形及定尺寸的精密磨削，并使磨削质量显著提高、磨削效率得到数倍乃至数十倍的提高。它不但能防止工件表面烧伤、微裂纹、缺口、变质层过深等缺陷，而且能提高工效、降低消耗和磨削成本。它具有高效、低耗、适应性强、制造周期短等优点。目前已在汽车、摩托车、航空、矿山、电子、玻璃等行业机械加工中得到广泛应用。

关键词：机械加工刀具;新型材料;提高功效;

一、在机械加工中的的应用

首先，车削钢件加工淬硬钢时，超硬材料刀具能以车代磨。由于切削的深度比磨削高十几倍，可提高效率4倍以上，加工成本下降到原来的1/ 5。用PCBN刀具精车硬度高于45HRC的淬硬钢效果最好，切削速度一般为80～120m/min。高硬度工件切削速度宜取低值，如硬度为7 0HRC的工件，切削速度宜选60～80m/min。精车的切削深度在0. 1～0.3mm，进给量在0.05～0.025mm/r，加工表面粗糙度为Ra0.3～0.6μm，尺寸精度可达0.013mm。若采用刚性好的标准数控车床，且PC BN刀具的刚性好、刃口锋利，则精车表面粗糙度可达Ra0.3μm，尺寸精度0.01mm，可达到数控磨床加工的水平。某厂原采用磨削工艺加工小齿轮，一班仅能加工100个;现采用PCBN刀具车削，切削参数采用：v=60～120mm/min，f≤0.12mm/r，ap≤0.1mm，一班能加工400个小齿轮。此外，分摊到每个齿轮的加工成本也有所下降。如用PCBN刀具加工渗碳淬火的20CrMnTi汽车变速箱同步器套拨叉（HRC58～62），切削速度V=150mm/min，进给量？=0.1mm/r，ap=0.2～0.3mm，刀具切削行程达到9.58km[2]。以车代磨后，效率提高4倍以上，加工成本降低为原来磨削工艺的1/3～1/2。荷兰He mbrug公司在MikroturnCNC系列超精车床上采用PCBN刀具精车淬硬EN21轴承钢（HRC62）、美国国家标准工艺研究院Y.KevinChou和ChrisJ.Evans采用SumitomoBN系列PCBN刀具加工AISIM50钢（H RC62～64）、英国DeBeers工业金刚石公司M.A.Fleming在DeltaTur n40车床上采用AMBORITEDBN45刀具车削EN31轴承钢等，都实现了纳M切削。超硬材料刀具加工钢件的例子还有使用长城机床厂的CK7820数控车床加工重型汽车变速器中的二轴的20CrMnTiHA3多档花键沉割槽（HRc58～63）、使用1A616机床加工矿山机械的4 5号钢Φ48h6传动轴（HRc42～45）[3]、在可无级变速的CA6140车床上使用PCBN刀具精密车削GCr15淬硬轴承钢工件（分别为30HR c、40HRc、50HRc、60HRc和64HRc）等。

将经过特殊磨削的PCBN刀具用于超精密车床上，在切削深度为15～20μm、进给量为0.608μm/r转的条件下，切削加工表面光洁度可达Rmax=0.0254μm。在一般精密数控车床上切削不锈钢，可获得Rmax=0.2μm以内的表面粗糙度。

其次，车削铸铁件。加工硬铸铁时，只要硬度达到中等硬度水平（HRc45），采用超硬材料刀具刀具就会取得良好的加工效果，非常适合于大批量生产线上高速加工，在汽车行业得到广泛应用。

发动机缸盖上的排气阀座，采用铜、钼高铬合金铸铁（HRC44）材料，其加工方法一般有铣、车两种工艺，大多在自动线上，与拉铰导管孔一道加工，v=71.6m/min，？=26.5mm/min，ap=1.0mm，采用PCBN整体刀片加工，平均耐用度为1，200个阀座，加工表面粗糙度Ra0.4μm，锥面摆差≤0.05mm，刀具寿命高，质量稳定。

在汽车发动机生产线上，灰铸铁缸体的缸孔精加工要求缸孔加工尺寸精度高、表面粗糙度小、稳定性好;由于生产线加工节拍快，要求切削速度高（通常V≥500m/min），刀具寿命长（加工孔數≥1000），且倒角、止口、粗精镗等多个工位的刀片寿命均应满足耐用度要求。采用PCBN刀具即可实现发动机缸孔的高速切削及高稳定性加工;其典型切削参数为：V=500m/min，f=0.2～0.4mm/r，ap=0.2～0.7mm;加工表面粗糙度Ra≤ 1.6μm，刀具寿命>1，000件。

采用PCBN刀具加工含硼铸铁缸套，切削参数：V=200m/min，f=0.1mm/r，ap=0.2～1mm，加工表面粗糙度Ra≤1.6μm，精度IT6，两次刃磨之间，刀具寿命>100件，可实现“以车代磨”。由于采用干式切削，避免了切削液及砂轮灰尘对环境的污染，切屑也可回收再利用，符合清洁化生产要求[4]。用PCBN刀具车削灰铸铁刹车盘，切削速度一般700～2，000m/min，如上海通用汽车公司采用Seco刀具公司PCBN300型刀片，切削速度可以达到2，000m/min。

第三，车削合金工件。采用PCD刀具车削铝合金轮毂，切削速度可为V=500～1000m/min，？推荐0.05～0.5mm/r，ap一般为0.5mm～3mm。PCBN刀具车削高钴铬钼耐蚀耐热合金，切削速度达160m/min，是硬质合金刀具的8倍。一般含硅量低于10%的铝合金，用硬质合金切削工具即可。但含硅量超过10%，就只能借助PCD。当前采用的高硅铝合金含硅量均在12%以上，有些已超过18%，因此车削高硅铝合金汽车发动机活塞等非PCD莫属[5]。车削粉末高温合金FGH95也使用PCBN刀片。

第四，车削其它材料。氧化铝陶瓷密度 3.9g/cm3，硬度HV2100～2300，抗弯强度300MPa，抗压强度300MPa，用PCD刀具采用湿式切削，V=20～70m/min，？=0.025～0.10mm/r，ap=0.2mm;加工效率明显提高，是金刚石砂轮磨削的3～5倍，刀具寿命可达10～30min[6]。

用PCD刀具车削电动机整流子的紫铜换向器，典型切削参数为：V=300m/min，？=0.08mm/r，ap≤0.15mm;加工表面粗糙度Ra0.1～0.2μm，刀具寿命>5，000件。而采用硬质合金刀具只能加工几件。

二、总结

刀具的性能是影响切削加工性能、精度、表面质量等的决定性因素之一，在现代化加工过程中，提高加工效率的最有效是采用高速切削加工技术，随着现代科学技术和生产发展，越来越多的采用超硬难加工材料，以提高机器的使用寿命和工作性能。而陶瓷刀具则以其耐热性、耐磨性和化学稳定性，在高速切削领域和难加工材料方面显示了传统刀具无法比拟的优势。据目前统计各种高强度、高硬度、耐腐蚀、耐磨和耐高温的难以切削的新材料日益增多。