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合片(PCD)刀具及立方氮化硼復合片(PCBN)刀具占主導地位钧鸳。隨著現(xiàn)代制造業(yè)(尤其是汽車制造業(yè))的快速發(fā)展牛斥，超硬刀具的生產(chǎn)及應用也逐年快速增長。圖1搓睦、圖2分別為PCD刀具和PCBN
刀具近十幾年來全球銷售額的增長情況卡载。至1997
年，PCD刀具年銷售額已達2.3億美元傍念，PCBN刀具年銷售額為1.7億美元矫夷。
超硬刀具大部分用于汽車零部件的切削加工。圖3憋槐、圖4分別為1995年全球PCD刀具和PCBN刀具在各應用領域的銷量份額口四。其中，PCD刀具的60%用于汽車制造業(yè)秦陋，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%)蔓彩；PCBN 刀具的1/2用于汽車制造業(yè)，約20%用于重型設備(如軋輥等)的加工驳概。
近年來赤嚼，隨著CNC加工技術的迅猛發(fā)展以及數(shù)控機床的普遍使用，可實現(xiàn)高效率顺又、高穩(wěn)定性更卒、長壽命加工的超硬刀具的應用也日漸普及，同時引入了許多先進的切削加工概念稚照，如高速切削蹂空、硬態(tài)加工、高穩(wěn)定性加工果录、以車代磨羹授、干式切削等。超硬刀具已成為現(xiàn)代切削加工中不可缺少的重要手段咖雀。
2 超硬刀具的主要品種及特點
(1) PCD金屬切削刀具
PCD金屬切削刀具可利用PCD材料的高硬度擎势、高耐磨性、高導熱性及低摩擦系數(shù)實現(xiàn)有色金屬及耐磨非金屬材料的高精度亮购、高效率楚携、高穩(wěn)定性和高表面光潔度加工。此類刀具從結構上主要可分為焊接式PCD刀具和可轉位式PCD刀片岔爹。
近年來焊接式PCD刀具中發(fā)展較快的品種是帶標準刀柄的PCD刀具茅囱，如帶柄PCD銑刀哑逾、PCD鏜刀、PCD鉸刀等浆英，刀柄型式主要為圓柱柄吹复、錐柄和HSK柄。這種刀具(尤其是多齒刀具)的特點是切削刃對刀柄的跳動小(如刃長為30mm的HSK柄PCD銑刀的切削刃跳動僅為0.002mm)避掩，尤其適合于對各種有色金屬零件的成形面紊徊、孔、階梯孔等進行大批量高速加工鬼雀。例如顷窒，采用鋁基體刀盤的PCD高速銑刀(六刃，直徑100mm)源哩，最高轉速可達20,000R/MIN, 以上鞋吉，切削速度可達7,000M/MIN，適合于汽車零部件的成形面加工励烦。
可轉位式PCD刀片是在硬質合金可轉位刀片上鑲裝一塊PCD刀坯再經(jīng)刃磨而成谓着，可裝夾在各種數(shù)控機床的刀桿、刀夾或刀盤上坛掠，用于高可靠性的大批量加工赊锚。隨著數(shù)控機床、加工中心及自動生產(chǎn)線的日益普及屉栓，可轉位式PCD刀片的使用越來越多舷蒲，其刀具耐用度較硬質合金刀具可提高幾十倍。
(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友多。
PCD鋸片是將PCD刀坯焊接在鋸片基體上再經(jīng)
刃磨后形成牲平，其結構與硬質合金鋸片類似，不同之處是PCD鋸片的前角較硬質合金鋸片小锥约，一般為5°～10°帖奠，楔角為65°～75°，鋸片規(guī)格一般為?100-450mm侮搭，鋸齒數(shù)可多達72齒创邦。
PCD成形木工銑刀的主要品種有用于加工強化木地板Al2O3層的修邊刀、PCD槽形刀拳沙、PCD家具成形刀等爽附，其加工方式是將PCD刀具的形狀一次性復印(或組合)到被加工木材上。PCD成形木工銑刀的切削速度可達3,000m/min, 怔惯，走刀量可達每分鐘數(shù)米，刀具耐用度是硬質合金刀具的幾十倍甚至幾百倍易震，由于具有高效率庞取、高耐用度等特點避顶，尤其適合于大批量加工。
(3) PCBN金屬切削刀具
PCBN金屬切削刀具也可分為焊接式PCBN刀具和可轉位式PCBN刀片兩類鞍靴。
焊接式PCBN刀具是將PCBN刀坯焊接在鋼基體上經(jīng)刃磨而成蟋软，主要有車刀、鏜刀岳守、鉸刀等。PCBN刀具大多用于耐磨黑色金屬的加工碌冶，因此其刀尖角不能太小湿痢，刀具前角一般為-5°～5°，后角一般為3°～10°扑庞，斷續(xù)切削時一般采用負倒棱譬重。
轉位結構的PCBN刀片(主要為車刀片和銑刀片)一般是在可轉位硬質合金刀片的一個角上鑲焊一塊PCBN刀坯，經(jīng)刃磨而成罐氨⊥喂妫考慮到刀坯較貴及重磨等原因，一般只做成一個刀尖栅隐。隨著焊接工藝質量的提高塔嬉，其剪切強度可達0.78kg/m2。隨著PCBN刀坯尺寸越做越小租悄，不重磨PCBN刀片的價格也隨之降低谨究。
3 超硬刀坯的發(fā)展特點
超硬刀坯材料的開發(fā)是發(fā)展超硬刀具的基礎。超硬刀坯材料的發(fā)展特點之一是產(chǎn)品系列化瘫笋，適用于不同加工對象的規(guī)格品種不斷增加路旬。例如，英國DeBeers公司新推出的 CTH025牌號(由Syndite 025發(fā)展而來)PCD刀坯是為加工高耐磨材料而增加的牌號锨堵，其耐磨性進一步提高哑回；美國通用電氣公司(GE)的Compax1700也屬同類產(chǎn)品，是一種粒度更粗的PCD復合片粟墩；PCBN刀坯中的BZN6100是BZN6000的換代產(chǎn)品伊哮， BZN8200是BZN8100的換代產(chǎn)品，而新推出的 BZN7000則是一種純CBN燒結體惨槐，具有優(yōu)良的導熱性和抗沖擊性问嬉，特別適合高硬度材料粗加工及鑄鐵的高速切削加工；類似產(chǎn)品還有瑞典Seco公司的 CBN300瘤褒、美國Kenametal公司的KD420炮姑、日本京瓷公司的KBN30S等；日本三菱公司MB835牌號的PCBN刀坯適用于淬硬鋼的斷續(xù)切削悲组，它通過細化CBN粒度(≤1μm)使切削力分散并增強了CBN粒子間的粘結力检痰；日本住友電工的BNX25及英國DeBeers公司的DBC45等牌號同屬這一品種包归。
超硬刀坯的另一發(fā)展特點是刀坯尺寸不斷增大。目前國外超硬刀坯的供貨規(guī)格一般為?50mm以上铅歼，?74mm的復合片也能批量供貨公壤，PCBN刀坯的最大規(guī)格可達 ?101mm，小尺寸刀坯則是從大刀坯上切割下來的椎椰。大規(guī)格超硬刀坯成本更低厦幅，更適合于大批量使用。目前國內(nèi)只有?20mm以下的刀坯供貨(國外七十年代即有此種規(guī)格刀坯)慨飘，這是因為兩面頂與六面頂兩種超高壓高溫設備腔體尺寸差異所致确憨。
超硬刀坯材料發(fā)展的第三個特點是CVD金剛石膜已由研制階段進入商業(yè)化供貨階段。較典型的CVD金剛石薄膜刀具產(chǎn)品有美國 Kenametal公司的KD100涂層刀片套媚、KDF300牌號CVD金剛石薄膜硬質合金立銑刀等缚态。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)報道堤瘤，英國Debeers公司已成功推出了?250mm的CVD金剛石厚膜玫芦，而且有刀坯厚膜、光學厚膜本辐、可線切割厚膜守涤、曲面厚膜、透明厚膜等系列產(chǎn)品懂崭。
4 超硬刀具專用機床的類型及特點
用于加工超硬刀具的專用機床主要有以下三類：
(1) PCD刀具刃磨機床
此類機床以瑞士Ewag公司的RS系列磨刀機為代表溃艺，該刃磨機床可利用陶瓷結合劑金剛石砂輪的鋒利性和一定的磨削壓力實現(xiàn)對PCD、PCBN及天然金剛石刀具的刃磨处淘，其特點是機床剛性好睡硫，帶有投影測量裝置，是目前國外應用最廣泛的超硬刀具專用刃磨設備栈眉。與此類似的產(chǎn)品還有日本大阪金剛石公司趣闹、 英國CoBom公司等制造的PCD刀具刃磨機。目前榛架，PCD刀具刃磨技術不斷改進箍负，如將以彈簧產(chǎn)生的恒壓力改為氣動壓力，并可在0～300N范圍內(nèi)調整唤鳍，以適應不同的磨削對象麦回。為便于控制磨削尺寸，刃磨機上的刻度均帶有數(shù)顯裝置恕刘。臺灣遠山公司將原刃磨機上的投影屏等光學裝置改為高精密攝像系統(tǒng)缤谎，配以精密的測量刻度，可在監(jiān)視器上顯示、控制磨削尺寸弓千，可實現(xiàn)不停機在線測量衡便，攝像機放大倍數(shù)從15～120倍可調献起，可研磨出R0.05mm的刃尖圓弧洋访。
(2) 數(shù)控電火花PCB刀具成形機床
此類設備以德國Vollmer公司的QWD系列機床
為代表。該機床采用電火花線切割加工PCD谴餐、PCBN刀具姻政，由于采用了先進的數(shù)控系統(tǒng)，加工出的多刃刀具的跳動可控制在 0.001mm岂嗓，刀具表面粗糙度可達Ra0.4μm汁展。該機床有六個數(shù)控軸、兩個手動軸厌殉，特別適合帶柄階梯鉆食绿、銑刀、鋸片等多刃刀具的加工选浅，一次輸入程序即可切割出階梯刀具屏酌、曲線刀具的刃、背尚技、內(nèi)折線等幾何形狀予问，自動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潭耙，此外機床價格較為昂貴涕笛。
(3) 超精金剛石刀具研磨機
該設備可對航空航天、軍工等行業(yè)用的超精加工直線刃金剛石刀具進行研磨都宅，刀具表面粗糙度Ra≤0.01μm, 刀具刃口半徑r≤0.1μm列汽。該設備采用空氣靜壓主軸，精度0.1～0.2μm愧橄，研磨盤端面跳動0.1～0.2μm/?300mm喳律。
5 超硬刀具的典型應用
(1) 硬態(tài)加工，以車代磨
由于PCBN刀具具有極高的硬度及紅硬性从肮，可使被加工的高硬度零件獲得良好的表面粗糙度筐子，所以采用PCBN刀具車削淬硬鋼可實現(xiàn)“以車代磨”。應用實例如汽車缓苛、摩托車齒輪孔的加工芳撒，此類零件材料一般為20CrMnTi，滲碳淬火未桥，表面硬度為60～62HRC笔刹，齒輪孔精度為IT6，表面粗糙度Ra≤0.8μm。
傳統(tǒng)加工工藝為：機加工->熱處理->磨削舌菜。采用超硬刀具“以車代磨”的加工工藝為：粗加工->熱處理->精加工萌壳。新工藝可大幅度提高加工效率，降低加工成本日月，原采用磨削工藝一班僅能加工100個小齒輪袱瓮， 現(xiàn)采用PCBN刀具車削(切削參數(shù)V=60～120m/min，f≤0.12mm/r爱咬，ap≤0.1mm尺借，一班能加工400個小齒輪，此外精拟，分攤到每個齒輪的加工成本也有所下降燎斩。
(2) 高速切削，高穩(wěn)定性加工
在汽車發(fā)動機生產(chǎn)線上甫蹄，灰鑄鐵缸體的缸孔精加工是關鍵工序之一树吏，要求缸孔加工尺寸精度高、表面粗糙度值小缚粮、穩(wěn)定性好漫介；由于生產(chǎn)線加工節(jié)拍快，要求切削速度高(通常V≥500m/min)创哩，刀具壽命長
(加工孔數(shù)≥1000)灶常，且倒角、止口波笆、粗精鏜等多個工位的刀片壽命均應滿足耐用度要求毯输。采用PCBN刀具即可實現(xiàn)發(fā)動機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褂苔，f=0.2～0.4mm/r霜甜，ap=0.2～0.7mm；加工表面粗糙度Ra≤1.6μm 贩贵，刀具壽命>1,000件箕昭。
(3) 有色金屬的高速、高穩(wěn)定性解阅、低粗糙度加工及鏡面加工
采用PCD刀具加工有色金屬時落竹，由于金剛石硬度高，表面與金屬親合力小货抄，且刀具一般拋光成鏡面述召，不易產(chǎn)生積屑瘤，因此加工尺寸穩(wěn)定性及表面質量都很好蟹地，刀具壽命也較長积暖。
例如藤为，采用PCD刀具加工電機整流子的紫銅換向器，典型切削參數(shù)為：V=300m/min夺刑，f=0.08mm/r缅疟，ap≤0.15mm，加工表面粗糙度Ra0.1～0.2μm遍愿，刀具壽命>5,000件存淫，而采用硬質合金刀具則只能加工幾件。
采用PCD刀具加工各種硅鋁合金零件曾搪，表面粗糙度Ra≤0.1μm瘫篮，刀具壽命可達幾千～幾萬件，尤其適合汽車权饥、摩托車零件的大規(guī)模生產(chǎn)。
采用單晶金剛石刀具梨浑，在超精密車床上可實現(xiàn)鏡面球形加工面族。機床采用超精密氣體靜壓主軸及回轉工作臺，跳動量≤0.3μm迂儡，工件采用高精度氣動卡盤芙捏，可實現(xiàn)快速高精度定位。加工無氧銅材料時杰打，表面粗糙度Ra≤0.025μm粤唤，圓度≤0.3μm；加工鋁件時搁鞭，表面粗糙度Ra≤0.025μm预锅。
(4) 干式切削，清潔化加工
采用PCBN刀具加工含硼鑄鐵缸套恢恼，切削參數(shù)：V=200m/min民傻，f=0.1mm/r，ap=0.2～1mm场斑，加工表面粗糙度Ra≤1.6μm漓踢，精度IT6，兩次刃磨間刀具壽命>100件漏隐，可實現(xiàn)“以車代磨”喧半。由于采用干式切削，避免了切(磨)削液及砂輪灰對環(huán)境的污染青责，切屑也可回收再利用挺据，符合清潔化生產(chǎn)要求。
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