我國(guó)機(jī)械制造業(yè)中超硬材料刀具的實(shí)際應(yīng)用狀況分析

摘要：

機(jī)械制造業(yè)是—個(gè)國(guó)家工業(yè)立足的根本，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱，超硬材料在機(jī)械加工中更是起著重要作用。好的刀具要有極高的硬度和柔韌性，尤其是隨著高速加工技術(shù)、干式切削等技術(shù)的運(yùn)用，對(duì)刀具的要求越來越高。本文通過對(duì)我國(guó)機(jī)械制造業(yè)的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，簡(jiǎn)述超硬刀具在現(xiàn)代化工業(yè)加工中的性能和種類，以及在車削、銑削、鏜削、鉆削等機(jī)械加工中的實(shí)際應(yīng)用，綜合分析超硬材料刀具在機(jī)械制造中的重要性。

我國(guó)現(xiàn)代化機(jī)械行業(yè)加工技術(shù)中，超硬材料刀具的應(yīng)用越來越廣泛，在工業(yè)加工中所占重要性也越來越高，金屬切削機(jī)床給機(jī)械制造提供了很大的平臺(tái)和保障。

1.我國(guó)機(jī)械制造業(yè)的現(xiàn)狀

近年來，我國(guó)機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展較為迅速，在規(guī)模和產(chǎn)量方面僅次于美國(guó)，出口量已經(jīng)達(dá)到世界首位。而在質(zhì)量上，還有所欠缺，民用產(chǎn)業(yè)還位于中低端階段，高精刀具多數(shù)從外國(guó)進(jìn)口而來，在加工技術(shù)上限制了刀具的發(fā)展。

超硬刀具材料指的是天然金剛石、人造金剛石和立方氮化硼（CBN）幾種材料，然而受到價(jià)格方面的限制，當(dāng)前人們所采用的超硬刀具多數(shù)為聚晶立方氮化硼（PCBN）和人造聚晶金剛石（PCD）等材料。

2.超硬材料刀具的種類和性能分析

當(dāng)前我國(guó)機(jī)械制造工業(yè)中所用超硬刀具材料中的人造金剛石多數(shù)在低壓狀態(tài)中制造而成，相比較大單晶金剛石，其在硬度和耐磨性上都有所提高，其顯微硬度可以達(dá)到10000 HV，在刀具材料中最硬。同時(shí)因其摩擦系數(shù)小，和其他金屬?zèng)]有親和力，故而，切屑很容易流出，熱導(dǎo)率高，切面質(zhì)量好，切削時(shí)不易形成屑瘤，可以對(duì)陶瓷、銅、鋁等金屬和非金屬材料進(jìn)行加工。金剛石的缺點(diǎn)在于熱穩(wěn)定性低和韌性差，溫度達(dá)到700～800℃時(shí)易被碳化，在加工鋼鐵材料時(shí)易受到限制，同時(shí)高溫下鐵原子會(huì)和碳原子結(jié)合從而轉(zhuǎn)化成石墨，改變了物理性質(zhì)。在硬度上切削鎳基合金材料時(shí)，也會(huì)迅速磨損。

聚晶立方氮化硼刀具從制造方法上可分為聚晶立方氮化硼復(fù)合片、電鍍立方氮化硼和整體聚晶立方氮化硼三個(gè)類型，其耐磨性和硬度上都有所保證，導(dǎo)熱性能和耐熱性能上均比PCD強(qiáng)，表現(xiàn)出良好的抗腐蝕性，同時(shí)其摩擦系數(shù)也比較低，在1200℃下依然能表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性，此材料更適合用在加工淬硬鋼、噴焊用材和冷硬鑄件等方面。

人造聚晶金剛石PCD的硬度比天然單晶體金剛石低，但其金剛石晶體聚合各向同性，不會(huì)出現(xiàn)不同晶面的強(qiáng)度、耐磨度及硬度上有太大區(qū)別的現(xiàn)象。在切削中，切削刃的耐磨能力較強(qiáng)，可長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行加工，在使用高速切削和大力度切削狀態(tài)下，其使用壽命較wC基硬質(zhì)合金刀具而言，高出10～50倍，PCD刀具有高硬度、長(zhǎng)壽命、低摩擦、良好的熱導(dǎo)性和低膨脹性等特點(diǎn)，已逐漸形成WC基硬質(zhì)合金刀具的替代材料。聚晶金剛石復(fù)合片PCD的材料來源范圍廣、價(jià)格較低，且該材料的韌性較好，同時(shí)和PCD之間還有某種兼容性和可焊性。

3.超硬材料在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用

在現(xiàn)代切削技術(shù)加工中，主要應(yīng)用刀具材料為PCD和PCBN，這類材料可以完成鑄鍛毛坯的高速加工、粗精加工等，運(yùn)用在精密磨削中可以提高磨削的質(zhì)量和效率。其應(yīng)用范圍廣泛，可用于冶金、建筑工程、機(jī)械加工、石油勘探、工業(yè)加工、儀器儀表、電子工業(yè)、軍事加工、航空航天等領(lǐng)域。

3.1PCD金屬切削刀具

PCD刀具結(jié)構(gòu)主要分為焊接式和可轉(zhuǎn)位式。近年來，我國(guó)工業(yè)刀具在焊接式方面發(fā)展較快的有莫氏標(biāo)準(zhǔn)刀柄的PCD銑刀、鏜刀和鉸刀，還有圓柱刀柄HSK刀柄，此類刀具的特點(diǎn)是切削刀刃對(duì)所用刀柄的跳動(dòng)影響小，其長(zhǎng)度為30ram的HSK柄PCD銑刀跳動(dòng)為0.002mm，在切削有色金屬的面、孔和階梯孔上可以高速加工。

對(duì)于可轉(zhuǎn)位式PCD的刀片，常用在數(shù)控機(jī)床的刀體、刀桿、刀盤或者刀夾上。在平常的應(yīng)用中，只需對(duì)刀具轉(zhuǎn)位緊固、或更換刀片等便可進(jìn)行反復(fù)加工，提高加工效率。

受到硬度限制，對(duì)于含硅量低于10%的鋁合金，硬質(zhì)合金刀便可加工，當(dāng)超出10%時(shí)，只能采用PCD刀具進(jìn)行加工。目前我國(guó)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞采用的材料是高硅鋁合金，其含硅量范圍在12%-18%。一汽發(fā)動(dòng)機(jī)精鏜硅鋁合金采用PCD刀具進(jìn)行削孔，相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)使用V=160m/min、f=0.08～0.10mm/r、ap=0.05mm加工時(shí)，可加工42500件，比硬質(zhì)合金刀具高出90倍，零件表面粗糙度也有所下降，從原來的1.6降為0.2，同時(shí)節(jié)省了調(diào)刀時(shí)間，成本相較于硬質(zhì)合金刀具下降85%。

3.2PCBN金屬切削刀具

轉(zhuǎn)位結(jié)構(gòu)PCBV刀具有車刀和銑刀，其剪切強(qiáng)度可達(dá)到0.8kg/m2。焊接式刀具有車刀、鏜刀、鉸刀等，在黑色金屬加工中多有體現(xiàn)。其刀尖角度常為前角-5°～5°，后角3°～7°。

用PCBN刀具精車高于45HEC的淬硬鋼效果十分明顯。將其參數(shù)設(shè)置為：切削速度80～120m/min、進(jìn)給量0.05～0.025mm/r、切削深度0.1～0.3mm，材料加工表面粗糙度能達(dá)到Ra0.3～0.6um，尺寸精度達(dá)0.013mm。將其用在標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控車床上，精度可達(dá)到0.01mm，粗糙度可達(dá)到Ra0.3um。

當(dāng)超精密車床上使用PCBN刀具，切削深度設(shè)為15～20um，進(jìn)給量設(shè)為0.608um/r，其表面光潔度能達(dá)到Rmax=0.0254um，切削不銹鋼（，）其表面粗糙度也可達(dá)到Rmax≤0.2um。

4.結(jié)語(yǔ)

本文只從刀具方面討論其應(yīng)用，在刀具加工方面，超硬材料可用于金屬材料的加工、鐵氧體材料加工、半導(dǎo)體材料加工、電氣材料加工等，超硬材料刀具的發(fā)展對(duì)機(jī)械制造行業(yè)的加工質(zhì)量和效率均有著重要的影響。在今后的發(fā)展中將奔著高效、高速、高質(zhì)量、低成本的方向研究，以便更好地滿足市場(chǎng)發(fā)展的需求。