摘要：当前，我国的机械加工业迅速发展，一些切割难度比较大的材料在材料工业和精密机械工业中得到了广泛的应用。而要想满足现代机械加工业的发展需求，还需要科学使用一些强度高、韧性好的工具。因此，硬质材料刀具便逐渐应用到机械加工业中。本篇文章针对硬质材料刀具的发展历程，着重探讨了硬质材料刀具在机械加工中的应用，以供同行业朋友相互参考借鉴。
关键词：硬质材料；刀具；机械加工；应用
前言：
硬质材料主要是指硬度可与金刚石相比拟的材料，目前使用的硬质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硬质材料，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，硬质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硬质材料刀具的发展历程
硬质材料刀具材料是指天然金刚石、人造金刚石和立方氮化硼（CBN）。由于天然金刚石价格比较昂贵，所以生产上大多采用人造聚晶金刚石（PCD）、聚晶立方氮化硼（PCBN）以及它们的复合材料。早在20世纪50年代，美国就利用人造金刚石微粉和CBN微粉在高温、高压、结合剂的作用下烧结成尺寸较大的聚晶块作为刀具材料[1]。20世纪70年代初又推出了金刚石或CBN和硬质合金的复合片，它们是在硬质合金基体上烧结或压制一层0.5mm～1mm的PCD或PCBN而成，从而解决了硬质材料刀具材料抗弯强度低、镶焊困难等问题，使硬质材料刀具的应用进入实用阶段。我国硬质材料刀具材料的研究与应用开始20世纪70年代，20世纪90年代前后，不少硬质材料生产专业厂从国外引进成套的硬质材料合成设备及技术，使产量得以迅速提高，跃居世界硬质材料生产大国。
2硬质材料刀具种类
2.1单晶金刚石刀具
单晶金刚石通常又被分为人工合成金刚石与天然金刚石。通常情况下，如果使用单晶金刚石制作刀具，那么就需要选择那些颗粒较大、质量大于0.1克，直径长度大于3毫米的金刚石。天然金刚石是目前矿物中坚硬程度最高的材料，其不仅耐磨性好，而且使用其制作的刀具非常锋利，同时抗粘结性高，导热率低，加工出的刀具既光滑，质量又好。与此同时，使用天然金刚石制作的刀具耐久性非常好，使用寿命相对较长，而且在进行长时间的切割时，几乎不会影响到加工零件，相对较低的导热率能够对零件变形产生很好的防止效果。天然金刚石具有非常多的优点，这些优点尽管价格昂贵，但是能够使很多高精密度的切割操作的要求得到满足，广泛应用到了精密切割加工与超精密切割加工中[2]。诸如应用了原子反应堆和其他先进技术的反射镜，以及导弹或者火箭上使用的地航陀螺等，此外还有一些手表零件、金属饰品等都应用了该项技术。当然，天然金刚石也有明显的缺点，诸如该材料与铁族原素会在高温下产生化学反应。所以，天然金刚石作为材料的刀具不适用于钢铁材料的机械加工。
2.2聚晶金刚石刀具
聚晶金刚石通常又被叫做烧结体金刚石。聚晶金刚石对诸如钴等金属的利用，通过高温高压的条件将非常多的金刚石单晶粉聚晶为一体，进而形成的多晶体刀具的材料。聚晶金刚石在硬度上要比天然金刚石低。但是其是由多种金刚石粉形成的，不存在不同晶面有不同强度和硬度的情况。使用聚晶金刚石制作而成的刀具在切割时，切割刃抵抗意外损坏的能力非常高，而且耐磨损能力也不错，能够在相对较长的时间内保持一定的刀刃锋利，同时在进行机械加工的时候，可以采用相对较快的切割速度。聚晶金刚石与WC硬质合金刀具相比较，使用寿命更长，合成材料更加容易获得，价格也相对较低。聚晶金刚石刀具的硬度较强，而且使用时间长、刀刃锋利、摩擦系数低，凭借着这些优点在诸多领域中得到了广泛的应用，并且很大程度上代替了WC硬质合金刀具。与此同时，聚晶金刚石复合片的刀具技术是建立在聚晶金刚石技术的基础上逐渐发展起来的，其主要将硬质合金作为基体，然后在应用聚晶金刚石，主要体现出诸如韧性好、强度高，以及可焊接能力强等优点。
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2.3 CVD金刚石刀具
CVD金刚石的刀具材料是在低压状态下进行的，这是与传统的PSC技术、PDC技术最大的区别。CVD金刚石中没有包含任何催化剂的成份，尽管在一些性质上与天然金刚石有相似之处，但是在材料上还是与聚晶金刚石有相同点的，即组成晶粒无序排列，缺乏带有脆性的解理面，面与面之间都具有相同的性质。与传统技术制作的刀具相比，采用CVD金刚石技术制作的刀具更具优势，诸如刀具形状更加复杂、制作花费低，以及同一刀片多个刀刃等。与此同时，通过这种技术制作出来的刀具也存在着一定的缺点，即在加工的过程中非常容易出现金刚石涂层与硬质合金基体相互分离的现象。
3硬质材料刀具在机械加工中的应用
3.1在车削加工中的应用
在车削加工中，硬质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。用硬质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，利用硬质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硬质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。
3.2在铣削加工中的应用
在铣削加工中，硬质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。
3.3在镗削加工中的应用
在镗削加工中，利用硬质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。利用硬质材料刀具制作镗刀，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。
3.4在切削加工其他领域的应用
硬质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，利用硬质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，硬质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，硬质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[3]。
总结：
硬质材料刀具在机械加工中的应用，不仅提高了机械加工的质量与效率，而且对于机械加工业的发展也起到了至关重要的作用。因此，要想促进机械加工业的发展，就必须要不断加强对硬质材料刀具的研究，充分了解与硬质材料刀具相关的知识，加强应用实践，不仅要提高工作人员的素质，而且要加强科学技术在提高硬质材料刀具中的应用，进而实现我国机械加工业的跨越式发展。
参考文献：
[1]李添添.基于离散元法的涂层硬质合金刀具建模及其加工损伤预测研究[D].湘潭大学,2015.
[2]毛智星.基于硬质合金的刀具钝化工艺分析与研究[D].西华大学,2014.
[3]陈苏琳. CVD金刚石涂层水润滑摩擦学性能及工具应用研究[D].上海交通大学,2014.
论文作者:鲁必忠,王蓉
论文发表刊物:《基层建设》2017年第33期
论文发表时间:2018/2/26
标签：刀具论文; 金刚石论文; 材料论文; 加工论文; 聚晶论文; 硬度论文; 机械加工论文; 《基层建设》2017年第33期论文;