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（PCBN）刀具等。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。
　　1.在机械加工中的的应用
　　1.1 在车削加工中的的应用
　　1.1.1 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70HRC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PCBN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。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Hemb rug公司在M i k r o t u rn CNC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.Kevin Ch ou和Ch r is J.Ev ans采用Su m itomo BN系列PCBN刀具加工AISI M50钢(HRC62～64)、英国DeBeers工业金刚石公司M.A.Fle ming在Delta Turn40 车床上采用AMBORITE DBN45刀具车削EN31轴承钢等，都实现了纳米切削。
　　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45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30HRc、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。
　　1.1.2车削铸铁件
　　加工硬铸铁时，只要硬度达到中等硬度水平(HRc 45)，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 (加工孔数≥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 。
　　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PCBN 300型刀片，切削速度可以达到2，000m/min 。
　　1.1.3 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。
　　车削粉末高温合金FGH95也使用 PCBN刀片。
　　1.1.4 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。
　　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。
　　1.2 在铣削加工中的的应用
　　用PCBN刀具铣削灰铸铁，切削速度达1,000～000m/min；用PCD刀具铣削铝合金，速度可达3，000～4，000m/min。
　　加工铝合金缸盖的PCD面铣刀，铣削速度已达4，021m/min，进给速度5，670mm/min，效率是我国20世纪90年代初引进生产线的两倍。
　　精加工灰铸铁缸体的CBN面铣刀，铣削速度达2，000m/min，是硬质合金面铣刀的10倍。
　　铣削玻璃的PCD螺旋内排液面铣刀，直径有10mm、12mm、16mm、20mm多种规格，在玻璃深加工中得到广泛应用。
　　在X53K立式铣床上，用PCBN立铣刀铣削Cr12MoV（HRc59～61）和45钢（HRc50～53）材料的研究，为该类刀具的实际应用提供了有益的参考数据。
　　PCD刀具在铣削石墨时有很高的耐磨性，很多专家已将 PCD铣刀用在瑞士 Mikron Nidau 高速切削铣床上。一次装夹刀具加工20件牙刷电极，仍可达到形 位公差小于0.01mm的要求。PCBN刀具硬铣淋浴器喷嘴柄钢模，精度高，铣削后只需略作手工抛光即可。
　　1.3在镗削加工中的的应用
　　目前国内已有较多发动机制造厂用PCBN刀具对气缸缸V套精加工，如上海大众和一汽集团的发动机厂，缸孔精镗均采用PCBN刀片，且可自动补偿(V=500m/min，? =0.2mm/r，ap=0.1mm )。刀具寿命长，加工精度高、尺寸稳定， 生产效率高。
　　一汽公司用PCD刀具精镗硅铝合金活塞销孔(V＝160m/min，?＝0.08～0.10mm/r，ap＝0.05mm。)，耐用度达 42，500件，是硬质合金刀具的90倍；加工表面粗糙度Ra值由原来的1.12降为0.15；每班可减少装调刀具等辅助时间30min，成本比硬质合金刀具下降约85％。
　　PCBN刀具耐磨性比硬质合金刀具高50倍，比涂层的硬质合金刀具高数倍，比陶瓷刀具高25倍，是加工非金属材料唯一的高效刀具。最高切削速度达7，000m/min；效率显著提高。
　　CVD刀具用于镗削钨硬质合金(含25%Co)的汽缸（内径20mm、长40mm），加冷却液,切削速度0.5m/s、切削深度0.12mm，一次装夹刀具可加工8个零件。
　　用PCD刀具对铸造硅铝合金SAE327(Si7～8.6%，Cu1～2%，Mg0.25%～0.6%，Mn0.5%～0.8%；抗拉强度>230MPa，硬度110～130HB，延伸率>1%)制冷压缩机连杆进行高速干式镗削孔, 切削速度140～180m/min , Ra0.02～0.32μm，精度可达5～7级。
　　1.4在拉削加工中的的应用
　　用复合式渐开线跳齿内孔超硬材料拉刀加工工件孔，优点为：(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。
　　1.5在铰削加工中的的应用
　　PCBN电镀铰刀在淬硬钢或硬铸件小孔的铰削加工中已发挥作用。此类铰刀以硬度为42HRc的45钢或9CrSi钢作基体，具有前后导向和切削部分。其基体制造精度要高，设计要合理，前导向部分直径要比切削刃部分直径小0.04mm，切削区长度要大于工件孔深；后导向长度要大于切削区长度，直径应比切削刃部直径小0.02mm。为了在铰削中用切削液冲洗切屑、冷却润滑加工表面，基体上开有两条较深的螺旋槽。
　　如某厂加工淬火钢工件孔φ12.06±0.05mm，硬度45HRc，底孔尺寸φ12±0.01mm，要求孔圆柱度0.005mm，表面粗糙度Ra0.2μm。采用一组五把电镀CBN铰刀加工，取得较好经济效果。
　　有的发动机制造厂用PCD或PCBN电镀铰刀对气缸体的主轴承孔进行珩铰，代替珩磨，加工效率提高了数倍，且质量稳定。
　　现代汽车变速箱因减轻重量和多功能化的要求，越来越多地采用压铸铝合金来制造，其上设置有许多阶梯状的成型孔，这些孔对表面粗糙度、圆度、圆柱度、同心度、无毛刺等质量要求非常严格。为满足高效、高精度加工成型孔的需要，日本公司开发了一种PCD成型阶梯铰刀。选用优质PCD刀片材料，用高精度成形磨削技术来保证切削刃形状，获得优良一致的尺寸精度和表面粗糙度，使所有切削刃在不同加工负荷下具有优良的切削性能。该刀具可获得满意的加工质量，消除了粘刀弊病，延长了刀具寿命，加工成本可降低一半。
　　1.6在钻削加工中的的应用
　　用PCD钻头来加工玻璃、工程陶瓷和石材，已屡见不鲜。许多玻璃深加工企业和玻璃店大都使用PCD钻头来钻削玻璃和镜子的孔。市场上金刚石钻头的直径从3～130mm。玻璃钻头有镶嵌金刚石的，也有树脂金刚石的。用PCD钻头来加工工程陶瓷和石材，效率高，加工质量好。
　　金刚石电解钻削可用来成形各种难加工导电材料(大多为烧结硬质合金)上的圆柱孔(通孔和盲孔)、圆锥孔和特形孔。可在一台机床上用同一工具进行加工,无需重调工具和毛坯。
　　最值得一提的是在Z5125立式钻床上用钎焊金刚石套料钻钻削“凯芙拉复合材料-特种陶瓷-铝合金”复合层板通孔。该材料是近几年出现的一种新型轻质复合材料,既具有凯芙拉复合材料的高强度、高断裂韧性、高吸能缓冲防护能力,又具有陶瓷的高硬度、高模量、高抗压、耐磨损、耐腐蚀、耐高温等优良性能,同时兼具铝板的防锈、防渗透、高韧性等优点。用钎焊金刚石套料钻，连续钻削10个孔,切削部位无明显变化。
　　
　　来源：中国磨料磨具工艺装备