1 概述

　　超硬刀具主要包括金剛石刀具和立方氮化硼刀具，其中以人造金剛石復(fù)合片(PCD)刀具及立方氮化硼復(fù)合片(PCBN)刀具占主導(dǎo)地位熟呛。隨著現(xiàn)代制造業(yè)（尤其是汽車制造業(yè)）的快速發(fā)展士复，超硬刀具的生產(chǎn)及應(yīng)用也逐年快速增長(zhǎng)。至1997 年票渠，PCD刀具年銷售額已達(dá)2.3億美元逐哈，PCBN刀具年銷售額為1.7億美元。

　　超硬刀具大部分用于汽車零部件的切削加工裙闪。其中蒙玩，PCD刀具的60%用于汽車制造業(yè)，近30%用于木工刀具(至九十年代末期PCD木工刀具的份額已占到40%)俯够；PCBN 刀具的1/2用于汽車制造業(yè)绅刨，約20%用于重型設(shè)備(如軋輥等)的加工。

　　近年來(lái)峰适，隨著CNC加工技術(shù)的迅猛發(fā)展以及數(shù)控機(jī)床的普遍使用抗钻，可實(shí)現(xiàn)高效率、高穩(wěn)定性靶姻、長(zhǎng)壽命加工的超硬刀具的應(yīng)用也日漸普及褒述，同時(shí)引入了許多先進(jìn)的切削加工概念，如高速切削怀拨、硬態(tài)加工逃窜、高穩(wěn)定性加工狮屏、以車代磨、干式切削等仓陆。超硬刀具已成為現(xiàn)代切削加工中不可缺少的重要手段瞎嬉。

　　2 超硬刀具的主要品種及特點(diǎn)

　　(1) PCD金屬切削刀具

　　PCD金屬切削刀具可利用PCD材料的高硬度、高耐磨性厚柳、高導(dǎo)熱性及低摩擦系數(shù)實(shí)現(xiàn)有色金屬及耐磨非金屬材料的高精度氧枣、高效率、高穩(wěn)定性和高表面光潔度加工别垮。此類刀具從結(jié)構(gòu)上主要可分為焊接式PCD刀具和可轉(zhuǎn)位式PCD刀片便监。

　　近年來(lái)焊接式PCD刀具中發(fā)展較快的品種是帶標(biāo)準(zhǔn)刀柄的PCD刀具，如帶柄PCD銑刀碳想、PCD鏜刀烧董、PCD鉸刀等，刀柄型式主要為圓柱柄胧奔、錐柄和HSK柄逊移。這種刀具（尤其是多齒刀具）的特點(diǎn)是切削刃對(duì)刀柄的跳動(dòng)小（如刃長(zhǎng)為30mm的HSK柄PCD銑刀的切削刃跳動(dòng)僅為0.002mm）龙填，尤其適合于對(duì)各種有色金屬零件的成形面胳泉、孔、階梯孔等進(jìn)行大批量高速加工岩遗。例如扇商，采用鋁基體刀盤的PCD高速銑刀（六刃，直徑100mm）棠吨，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)20,000R/MIN, 以上桑趴，切削速度可達(dá)7,000M/MIN，適合于汽車零部件的成形面加工逻盅。

　　可轉(zhuǎn)位式PCD刀片是在硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片上鑲裝一塊PCD刀坯再經(jīng)刃磨而成盔连，可裝夾在各種數(shù)控機(jī)床的刀桿、刀夾或刀盤上哺挺，用于高可靠性的大批量加工华媳。隨著數(shù)控機(jī)床、加工中心及自動(dòng)生產(chǎn)線的日益普及暴姓，可轉(zhuǎn)位式PCD刀片的使用越來(lái)越多，其刀具耐用度較硬質(zhì)合金刀具可提高幾十倍勃提。

　　(2) PCD木工刀具

　　PCD木工刀具主要可分為PCD鋸片和PCD成形木工銑刀兩大類湿儡。 PCD鋸片是將PCD刀坯焊接在鋸片基體上再經(jīng)刃磨后形成，其結(jié)構(gòu)與硬質(zhì)合金鋸片類似凹尺，不同之處是PCD鋸片的前角較硬質(zhì)合金鋸片小处榔，一般為5°～10°希俩，楔角為65°～75°，鋸片規(guī)格一般為?100-450mm纲辽，鋸齒數(shù)可多達(dá)72齒颜武。

　　PCD成形木工銑刀的主要品種有用于加工強(qiáng)化木地板Al2O3層的修邊刀、PCD槽形刀拖吼、PCD家具成形刀等鳞上，其加工方式是將PCD刀具的形狀一次性復(fù)印（或組合）到被加工木材上吊档。PCD成形木工銑刀的切削速度可達(dá)3,000m/min, 篙议，走刀量可達(dá)每分鐘數(shù)米，刀具耐用度是硬質(zhì)合金刀具的幾十倍甚至幾百倍怠硼，由于具有高效率鬼贱、高耐用度等特點(diǎn)，尤其適合于大批量加工香璃。

　　(3) PCBN金屬切削刀具

　　PCBN金屬切削刀具也可分為焊接式PCBN刀具和可轉(zhuǎn)位式PCBN刀片兩類这难。

　　焊接式PCBN刀具是將PCBN刀坯焊接在鋼基體上經(jīng)刃磨而成，主要有車刀葡秒、鏜刀慎瓮、鉸刀等。PCBN刀具大多用于耐磨黑色金屬的加工伊丘，因此其刀尖角不能太小捧法，刀具前角一般為-5°～5°，后角一般為3°～10°异瞭，斷續(xù)切削時(shí)一般采用負(fù)倒棱裹五。
轉(zhuǎn)位結(jié)構(gòu)的PCBN刀片（主要為車刀片和銑刀片）一般是在可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀片的一個(gè)角上鑲焊一塊PCBN刀坯，經(jīng)刃磨而成睛宝⊥毕兀考慮到刀坯較貴及重磨等原因，一般只做成一個(gè)刀尖酬楚。隨著焊接工藝質(zhì)量的提高猪晰，其剪切強(qiáng)度可達(dá)0.78kg/m2。隨著PCBN刀坯尺寸越做越小谜珠，不重磨PCBN刀片的價(jià)格也隨之降低状寨。

　　3 超硬刀坯的發(fā)展特點(diǎn)

　　超硬刀坯材料的開發(fā)是發(fā)展超硬刀具的基礎(chǔ)。超硬刀坯材料的發(fā)展特點(diǎn)之一是產(chǎn)品系列化士修，適用于不同加工對(duì)象的規(guī)格品種不斷增加枷遂。例如，英國(guó)DeBeers公司新推出的 CTH025牌號(hào)(由Syndite 025發(fā)展而來(lái))PCD刀坯是為加工高耐磨材料而增加的牌號(hào)棋嘲，其耐磨性進(jìn)一步提高酒唉；美國(guó)通用電氣公司(GE)的Compax1700也屬同類產(chǎn)品矩桂，是一種粒度更粗的PCD復(fù)合片；PCBN刀坯中的BZN6100是BZN6000的換代產(chǎn)品痪伦， BZN8200是BZN8100的換代產(chǎn)品侄榴，而新推出的 BZN7000則是一種純CBN燒結(jié)體，具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性和抗沖擊性网沾，特別適合高硬度材料粗加工及鑄鐵的高速切削加工癞蚕；類似產(chǎn)品還有瑞典Seco公司的 CBN300、美國(guó)Kenametal公司的KD420绅这、日本京瓷公司的KBN30S等涣达；日本三菱公司MB835牌號(hào)的PCBN刀坯適用于淬硬鋼的斷續(xù)切削，它通過(guò)細(xì)化CBN粒度(≤1μm)使切削力分散并增強(qiáng)了CBN粒子間的粘結(jié)力证薇；日本住友電工的BNX25及英國(guó)DeBeers公司的DBC45等牌號(hào)同屬這一品種度苔。

　　超硬刀坯的另一發(fā)展特點(diǎn)是刀坯尺寸不斷增大。目前國(guó)外超硬刀坯的供貨規(guī)格一般為?50mm以上猬肖，?74mm的復(fù)合片也能批量供貨余窖，PCBN刀坯的最大規(guī)格可達(dá) ?101mm，小尺寸刀坯則是從大刀坯上切割下來(lái)的函以。大規(guī)格超硬刀坯成本更低森片，更適合于大批量使用。目前國(guó)內(nèi)只有?20mm以下的刀坯供貨(國(guó)外七十年代即有此種規(guī)格刀坯)轨畏，這是因?yàn)閮擅骓斉c六面頂兩種超高壓高溫設(shè)備腔體尺寸差異所致毯炊。

　　超硬刀坯材料發(fā)展的第三個(gè)特點(diǎn)是CVD金剛石膜已由研制階段進(jìn)入商業(yè)化供貨階段。較典型的CVD金剛石薄膜刀具產(chǎn)品有美國(guó) Kenametal公司的KD100涂層刀片瞄隶、KDF300牌號(hào)CVD金剛石薄膜硬質(zhì)合金立銑刀等态素。北京天地金剛石公司的CVD金剛石厚膜刀具也可批量供貨。據(jù)報(bào)道第讯，英國(guó)Debeers公司已成功推出了?250mm的CVD金剛石厚膜躲含，而且有刀坯厚膜、光學(xué)厚膜褒碌、可線切割厚膜别肄、曲面厚膜、透明厚膜等系列產(chǎn)品交惯。

　　4 超硬刀具專用機(jī)床的類型及特點(diǎn)

　　用于加工超硬刀具的專用機(jī)床主要有以下三類：

　　(1) PCD刀具刃磨機(jī)床此類機(jī)床以瑞士Ewag公司的RS系列磨刀機(jī)為代表次泽，該刃磨機(jī)床可利用陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪的鋒利性和一定的磨削壓力實(shí)現(xiàn)對(duì)PCD、PCBN及天然金剛石刀具的刃磨商玫，其特點(diǎn)是機(jī)床剛性好箕憾，帶有投影測(cè)量裝置，是目前國(guó)外應(yīng)用最廣泛的超硬刀具專用刃磨設(shè)備拳昌。與此類似的產(chǎn)品還有日本大阪金剛石公司袭异、 英國(guó)CoBom公司等制造的PCD刀具刃磨機(jī)。目前炬藤，PCD刀具刃磨技術(shù)不斷改進(jìn)御铃，如將以彈簧產(chǎn)生的恒壓力改為氣動(dòng)壓力，并可在0～300N范圍內(nèi)調(diào)整沈矿，以適應(yīng)不同的磨削對(duì)象上真。為便于控制磨削尺寸，刃磨機(jī)上的刻度均帶有數(shù)顯裝置羹膳。臺(tái)灣遠(yuǎn)山公司將原刃磨機(jī)上的投影屏等光學(xué)裝置改為高精密攝像系統(tǒng)睡互，配以精密的測(cè)量刻度，可在監(jiān)視器上顯示缰寻、控制磨削尺寸甩澳，可實(shí)現(xiàn)不停機(jī)在線測(cè)量，攝像機(jī)放大倍數(shù)從15～120倍可調(diào)艰耿，可研磨出R0.05mm的刃尖圓弧岗师。

　　(2) 數(shù)控電火花PCB刀具成形機(jī)床此類設(shè)備以德國(guó)Vollmer公司的QWD系列機(jī)床為代表。該機(jī)床采用電火花線切割加工PCD苔盆、PCBN刀具瘩邀，由于采用了先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)，加工出的多刃刀具的跳動(dòng)可控制在 0.001mm茵窃，刀具表面粗糙度可達(dá)Ra0.4μm依矿。該機(jī)床有六個(gè)數(shù)控軸、兩個(gè)手動(dòng)軸漏北，特別適合帶柄階梯鉆范蛉、銑刀、鋸片等多刃刀具的加工旦良，一次輸入程序即可切割出階梯刀具猪攀、曲線刀具的刃、背侵俗、內(nèi)折線等幾何形狀锨用，自動(dòng)化程度及加工精度均很高。不足之處是切割表面粗糙度稍遜于磨削表面隘谣，此外機(jī)床價(jià)格較為昂貴增拥。

　　(3) 超精金剛石刀具研磨機(jī)該設(shè)備可對(duì)航空航天、軍工等行業(yè)用的超精加工直線刃金剛石刀具進(jìn)行研磨寻歧，刀具表面粗糙度Ra≤0.01μm, 刀具刃口半徑r≤0.1μm掌栅。該設(shè)備采用空氣靜壓主軸，精度0.1～0.2μm，研磨盤端面跳動(dòng)0.1～0.2μm/?300mm猾封。

　　5 超硬刀具的典型應(yīng)用

　　(1) 硬態(tài)加工澄耍，以車代磨

　　由于PCBN刀具具有極高的硬度及紅硬性，可使被加工的高硬度零件獲得良好的表面粗糙度晌缘，所以采用PCBN刀具車削淬硬鋼可實(shí)現(xiàn)“以車代磨”齐莲。應(yīng)用實(shí)例如汽車、摩托車齒輪孔的加工磷箕，此類零件材料一般為20CrMnTi鳖直，滲碳淬火，表面硬度為60～62HRC侍肯，齒輪孔精度為IT6姥咖，表面粗糙度Ra≤0.8μm。傳統(tǒng)加工工藝為：機(jī)加工->熱處理->磨削身犯。采用超硬刀具“以車代磨”的加工工藝為：粗加工->熱處理->精加工碟灾。新工藝可大幅度提高加工效率，降低加工成本综姜，原采用磨削工藝一班僅能加工100個(gè)小齒輪箭堆， 現(xiàn)采用PCBN刀具車削(切削參數(shù)V=60～120m/min，f≤0.12mm/r挽钧，ap≤0.1mm猿异，一班能加工400個(gè)小齒輪，此外熊朵，分?jǐn)偟矫總€(gè)齒輪的加工成本也有所下降兢涡。

　　(2) 高速切削，高穩(wěn)定性加工

　　在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線上殖熟，灰鑄鐵缸體的缸孔精加工是關(guān)鍵工序之一局待，要求缸孔加工尺寸精度高、表面粗糙度值小菱属、穩(wěn)定性好钳榨；由于生產(chǎn)線加工節(jié)拍快，要求切削速度高(通常V≥500m/min)纽门，刀具壽命長(zhǎng) (加工孔數(shù)≥1000)薛耻，且倒角、止口赏陵、粗精鏜等多個(gè)工位的刀片壽命均應(yīng)滿足耐用度要求饼齿。采用PCBN刀具即可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔的高速切削及高穩(wěn)定性加工，其典型切削參數(shù)為： V=500m/min蝙搔，f=0.2～0.4mm/r缕溉，ap=0.2～0.7mm考传；加工表面粗糙度Ra≤1.6μm ，刀具壽命>1,000件证鸥。

　　(3) 有色金屬的高速僚楞、高穩(wěn)定性、低粗糙度加工及鏡面加工

　　采用PCD刀具加工有色金屬時(shí)祭静，由于金剛石硬度高纷沽，表面與金屬親合力小爵路，且刀具一般拋光成鏡面姻粱，不易產(chǎn)生積屑瘤，因此加工尺寸穩(wěn)定性及表面質(zhì)量都很好你浸，刀具壽命也較長(zhǎng)研镀。

　　例如，采用PCD刀具加工電機(jī)整流子的紫銅換向器节暇，典型切削參數(shù)為：V=300m/min焙檀，f=0.08mm/r，ap≤0.15mm忿奈，加工表面粗糙度Ra0.1～0.2μm辟瞄，刀具壽命>5,000件，而采用硬質(zhì)合金刀具則只能加工幾件饰址。

　　采用PCD刀具加工各種硅鋁合金零件坝给，表面粗糙度Ra≤0.1μm，刀具壽命可達(dá)幾千～幾萬(wàn)件产舞，尤其適合汽車魂奥、摩托車零件的大規(guī)模生產(chǎn)。

　　采用單晶金剛石刀具易猫，在超精密車床上可實(shí)現(xiàn)鏡面球形加工耻煤。機(jī)床采用超精密氣體靜壓主軸及回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，跳動(dòng)量≤0.3μm准颓，工件采用高精度氣動(dòng)卡盤哈蝇，可實(shí)現(xiàn)快速高精度定位。加工無(wú)氧銅材料時(shí)攘已，表面粗糙度Ra≤0.025μm炮赦，圓度≤0.3μm；加工鋁件時(shí)贯被，表面粗糙度Ra≤0.025μm眼五。

　　(4) 干式切削，清潔化加工

　　采用PCBN刀具加工含硼鑄鐵缸套彤灶，切削參數(shù)：V=200m/min看幼，f=0.1mm/r批旺，ap=0.2～1mm，加工表面粗糙度Ra≤1.6μm缠染，精度IT6猪玛，兩次刃磨間刀具壽命>100件，可實(shí)現(xiàn)“以車代磨”骡梨。由于采用干式切削衩斋，避免了切(磨)削液及砂輪灰對(duì)環(huán)境的污染，切屑也可回收再利用日胖，符合清潔化生產(chǎn)要求瞎介。

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