硬脆材料加工中超硬刀具的应用

陈 泉

（肇庆市技师学院，广东 肇庆 526060）

随着科学技术的发展，对机械产品的制造精度、加工质量、生产效率都提出了更高的要求；高速切削、超精密加工、绿色制造均要求刀具具有高的硬度、耐磨性和红硬性。然而，传统的刀具材料由于各种原因已不能满足硬脆材料的加工要求。因而超硬刀具在现代制造加工中逐渐地被开发应用。例如：用硬质合金刀具加工花岗岩时，在几秒钟内刀刃就被坚硬的花岗岩摧毁；再用聚晶金刚石刀具加工时，刀刃就可以保持完好。用硬质合金车刀加工冷硬铸铁时，即使采用很低的切削速度，刀具仍然磨损很快，也很容易崩刃；采用复合氮化硅陶瓷刀具切削时，不但可以使用较高的切削速度，而且大大地延长了刀具的使用寿命。退火工具钢一般需要经过磨削加工，因而生产效率很低；而采用立方氮化硼刀具就可实现高效率的车削或铣削。实践证明：超硬刀具在硬脆材料的高速切削加工中，不但能够保证加工质量、提高生产效率，还能够提高刀具的耐用度。因此应根据超硬刀具材料的性能、特点，以及在硬脆材料中的应用进行具体的分析，使超硬刀具在以后的发展中能够得到更好的应用，以促进经济的发展。

一、超硬刀具材料的发展

超硬刀具材料主要是指金刚石、人造金刚石以及立方氮化硼，其中最常用的是人造金刚石和聚晶立方氮化硼以及它们的复合材料。

人造金刚石和立方氮化硼最早在20世纪50年代由美国人在材料中加入结合剂，利用高温、高压的作用烧结成聚晶块作为刀具材料。20世纪70年代，我国开始对超硬刀具材料进行应用和研究，并于20世纪90年代，从国外引进成套的超硬材料合成设备及生产技术。从此，超硬材料在我国得到很好的应用，我国也因此成为超硬材料的生产大国。

二、超硬刀具的性能和特点

天然金刚石是超硬刀具的主要材料，具有良好的性能和特点，它具有很高的硬度和耐磨性，是刀具材料中的最硬的材料。金刚石的摩擦系数小、热导率高，在进行切削时表面不容易积屑瘤，使加工的表面质量好，适用于加工硬度较高的硬质合金、陶瓷、玻璃等材料。然而，由于金刚石与钢铁材料具有化学亲和作用，在高温下铁会使碳原子转化成石墨结构，从而使性能变得不稳定，硬度大大下降，只适用于加工各种有色金属和非金属材料。此外，用金刚石切削镍基合金时，同样也会出现迅速磨损的情况。

人造金刚石是在高温高压下，通过结合剂将金刚石单晶粉制成多晶体的材料。人造金刚石的硬度小于天然金刚石，与天然金刚石比较，在不同的晶面上的强度、硬度以及耐磨性都有很大的区别。人造金刚石在切削时抗磨损能力较强，寿命要比一般的刀具长。另外，由于价格比天然金刚石低很多，又具有摩擦系数和膨胀系数较低的特点，因此，人造金刚石刀具已成为传统的高性能硬质合金刀具的替代品。

聚晶立方氮化硼刀具一共分为三种，整体聚晶立方氮化硼刀具、聚晶立方氮化硼复合片以及电镀立方氮化硼刀具。聚晶立方氮化硼刀具具有很高的硬度和耐磨性，同时还具有良好的耐热性、化学稳定性和导热性。与天然金刚石和人造金刚石两种刀具材料一样，聚晶立方氮化硼的摩擦系数较小，耐磨性与人造聚晶金刚石相比虽然差一些，但具有良好的抗化学腐蚀性，在高温下也具有良好的热稳定性。

三、超硬刀具在硬脆材料加工中的应用

1 金刚石在硬脆材料切割技术加工中的应用

硬脆性材料加工切割技术一共分为三种，即圆片锯、带锯以和线锯。金刚石在硬脆材料加工切割技术中，通常被用作金刚石带锯，而金刚石带锯常常被应用在生产花岗岩和大理石板材机械设备中，特别是在生产大尺寸板材中应用非常广泛。但是，由于金刚石框架锯工作时锯条需要进行往复运动，而金刚石烧结刀头上的金刚石不能形成良好的支撑，保持力较小，容易在胎体上脱落。因此不能切割过硬的花岗岩石材。

在硬脆材料加工技术中，金刚石线锯也有很好的应用，带来了许多的好处。金刚石线锯适用于单晶硅、多晶硅等各种半导体材料以及磁性材料、磁带、光盘、集成电路等的精密切割。也可以用于切割宝石、玉器等硬脆材料，优点是切割缝隙小、原材料的利用率高。用金刚石线锯切割硬质合金，能使硬质合金的边缘部分不破损，和砂轮切割相比，对脆性晶体切片效果好，而且当线锯碰到工件时，会马上停止工作。由于金刚石线锯切割时温度较低，用来切割容易炸裂的材料时也不会引起崩碎。

金刚石串珠锯是近十几年发展起来的一种切割工具，以其准备时间短、切割灵活、噪声低、粉尘少、低污染和节能等特点，在大型建筑的构件拆迁工程中得到成功应用。这种切割工具主要应用在建筑物、桥梁和混凝土结构中的拆除和改造，同时也可以用在切割玻璃材料。金刚石串珠锯的使用寿命取决于它的物理和机械特性，和传统的磨料相比，金刚石串珠锯具有很多优良特性，在切割硬脆材料时，不仅能切割直面，还能切割曲面，在切割板料时，可以利用多道串珠锯进行切割，因此切割的效率非常高。但是，由于受串珠直径的限制，切割时的切缝较宽，对细微结构和贵重材料的加工不适宜使用这种技术。

图1 刀具磨损曲线1

图2 刀具磨损曲线2

2 超硬刀具在硬脆材料切削加工技术中的应用

硬脆材料的切削加工技术主要有干式切削、湿式切削、低温冷风切削、高速切削加工技术等。其中干式切削加工中立方氮化硼刀具的切削效果较好，而且使用寿命最长，而湿式切削加工中烧结金刚石刀具的切削性能非常好，除加工效率高以外，烧结后再磨削的成本也很低。

3 超硬刀具在金属材料加工中的应用

超硬刀具在金属材料加工中，可以进行一次性粗、精磨削，特别适用于硬质合金制品以及难磨材料的加工。利用超硬材料代替传统的碳化硅和刚玉磨料，可以避免加工过程中对金属材料的表面造成烧伤或出现微裂纹，同时还可以解决工件边缘缺口和变质层过深的问题，达到节约磨削成本和提高质量的目的。

用复合式渐开线跳齿内孔超硬材料拉刀加工工件孔，有两大优点：

（1）由于能够可靠保证工件内孔各形面间的同轴度，因而可以后续加工工序中统一用小径圆面作为定位基准，大大方便了后序定位心轴和检验心轴的制作，并可靠保证所有加工表面的位置精度；

（2）由于采用了合理的跳齿排布方式和花键刃开侧隙的刀齿结构，保证了拉刀的制造质量，且制造方便，成本几乎和普通复合式渐开线拉刀相同。

超硬刀具在金属材料磨削加工中起着很重要的作用，各种加工可以通过超硬材料来实现目的。

四、实例分析

采用金刚石复合刀片以及立方氮化硼复合刀片，车削淬硬工具钢，刀具参数如下：

切削用量如下：

f=0.05mmap=0.1mmV=84m/min。刀具磨损曲线如图1所示。

采用Si3N4基复合陶瓷刀片以及硬质合金YM053刀片切削T10A，刀具参数如下：

切削用量如下：

f=0.05mm ap=0.1mm V=44m/min。刀具磨损曲线如图2所示。

由图1、图2可见，用立方氮化硼（CBN）复合刀片加工淬硬钢效果很好，相比之下，用金刚石复合刀片（PCD）切削淬硬钢效果甚差。硬质合金和陶瓷刀片在较低的切削速度（V=44m/min）下切削T10A，刀具耐用度显著低于CBN刀具。

结语

超硬刀具在硬脆性材料加工中起着很重要的作用，因此，多了解超硬刀具的性能特点以及在硬脆性材料加工中的应用，对超硬刀具在以后的发展中的有着重要作用，应对超硬刀具应用范围和技术进行进一步的推广。在超 硬刀具的材料当中，人造金刚石和聚晶立方氮化硼这两种材料越来越受到重视，应进行深入的研究。发挥超硬刀具材料在制造刀具方面的潜力，促进超硬刀具在以后的加工中得到更好的应用和发展。

[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]张宝国. 超硬刀具在铝合金活塞加工中的应用与发展[J].制造技术与机床，2011（09）：151-154.