一喂惜、 概述

   超硬刀具材料是指比陶瓷材料更硬的刀具材料劳较。包括：?jiǎn)尉Ы饎偸矸妗⒕劬Ы饎偸?PCD)后众、聚晶立方氮化硼(PCBN)和CVD金剛石等醇份。超硬刀具主要是以金剛石和立方氮化硼為材料制作的刀具，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)地位吼具。許多切削加工概念僚纷，如綠色加工矩距、以車代磨、以銑代磨怖竭、硬態(tài)加工锥债、高速切削、干式切削等都因超硬刀具的應(yīng)用而起茁螺，故超硬刀具已成為切削加工中不可缺少的重要手段钧鸥。隨著科技的進(jìn)步，制造業(yè)的高速發(fā)展烦猾，CNC加工技術(shù)的迅猛發(fā)展以及數(shù)控機(jī)床的普遍使用膏莽，超硬刀具的生產(chǎn)及應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。PCD和PCBN刀具已廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工的各個(gè)行業(yè)卤舆，如汽車零部件的切削加工体六，強(qiáng)化木地板的 加工等，極大地促進(jìn)了切削加工及先進(jìn)制造技術(shù)的飛速發(fā)展挥肤。

二挥桑、切削材料及超硬材料發(fā)展史

三理秃、金剛石达玉、超硬材料的特性與作用

    眾所周知，金剛石材料的成分是碳柴伪，金剛石與鐵系有親和力蹲居，切削過(guò)程中，金剛石的導(dǎo)熱性優(yōu)越睦授，散熱快两芳，但是要注意切削熱不宜高于700度，否則會(huì)發(fā)生石墨化現(xiàn)象睹逃，工具會(huì)很快磨損盗扇。因?yàn)榻饎偸诟邷叵潞蚖、Ta沉填、Ti疗隶、Zr、Fe翼闹、Ni斑鼻、Co、Mn猎荠、Cr坚弱、Pt等會(huì)發(fā)生反應(yīng)，與黑色金屬(鐵碳合金)在加工中會(huì)發(fā)生化學(xué)磨損关摇，所以荒叶，金剛石不能用于加工黑色金屬只能用在有色金屬和非金屬材料上晾晕，而CBN即使在1000oC的高溫下，切削黑色金屬也完全能勝任钻字。已成為未來(lái)難加工材料的主要切削工具材料窃等。一般超硬材料指的是人造金剛石、人造CBN哈痘。這兩種材料的同時(shí)存在淀准，起到了互補(bǔ)的作用、可以覆蓋當(dāng)前與今后發(fā)展的各種新型材料的加工鼎派，對(duì)整個(gè)切削加工領(lǐng)域極為有利烁讨。

1．PCD

    金剛石燒結(jié)體（PCD）的出現(xiàn)，在許多方面代替了天然單晶金剛石径候。PCD與天然金剛石比較么养，價(jià)格便宜，且刃磨遠(yuǎn)比天然金剛石方便伦秀，所以其應(yīng)用月锅、推廣特別迅速癌炒。在大量涌現(xiàn)的新材料中泞当，大部分都是難加工材料，如高硅鋁合金民珍，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞大量采用這種材料襟士。一般，含硅量低于10%的鋁合金嚷量，用硬質(zhì)合金切削工具即可陋桂，但含硅量超過(guò)10%,就只能借助PCD。當(dāng)前采用的高硅鋁合金含硅量均在12%以上蝶溶，有的已達(dá)18%以上嗜历，所以非PCD莫屬。
  但是抖所，由于PCD的種類很多梨州，有合理選擇的必要。其粒度田轧、濃度等都會(huì)影響到硬度暴匠、耐磨性等性能。因此傻粘，在應(yīng)用中也必須根據(jù)被加工材料的種類每窖。硬度等特性來(lái)考慮合理的各種參數(shù)。PCD在國(guó)內(nèi)外的生產(chǎn)已十分普及迹遏，但是質(zhì)量有較大的差異菊蹬，因此在價(jià)格上出入很大龄冀。

2．PCBN

    立方氮化硼燒結(jié)體（PCBN）是CBN顆粒與結(jié)合劑一起燒結(jié)而成，硬度僅次于金剛石掏谎，與黑色金屬無(wú)親和力队装。但是，PCBN不適于切削一般的鋼件翻粘。PCBN刀具材料性能如下：
  （1） 具有較高的硬度和耐磨性烟焊。
  CBN晶體結(jié)構(gòu)與金剛石相似，化學(xué)鍵類型相同潘羡，晶格常數(shù)相近隔造，因此具有與金剛石相近的硬度和強(qiáng)度。CBN微粉的顯微影度為HV8000-9000坎隶，其燒結(jié)體PCBN的硬度為HV3000-5000刃勤。
   （2） 具有很高的熱穩(wěn)定性。
   CBN的耐熱性可達(dá)1400-1500℃刮吧，PCBN在800℃時(shí)的硬度還高于陶瓷和硬質(zhì)合金的常溫硬度湖饱。
   （3） 具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性。
   由于PCBN耐高溫杀捻，在大氣和水蒸氣中井厌，在900℃以下無(wú)任何變化 且穩(wěn)定，甚至在1300℃時(shí)致讥，和Fe仅仆、Ni、Co等也幾乎沒有反應(yīng)垢袱，更不會(huì)像金剛石那樣急劇磨損墓拜，這時(shí)它仍能保持硬質(zhì)合金的硬度，因此请契，它不僅能切削淬火過(guò)的鋼零件或冷硬鑄鐵咳榜，而且能被廣泛應(yīng)用于高速或超高速的切削工作上。
   （4） 具有較好的導(dǎo)熱性爽锥。
   在各類刀具材料中涌韩，CBN的導(dǎo)熱性僅次于金剛石，大大高于硬質(zhì)合金婆跋，而且隨著溫度的升高冈哮，PCBN的導(dǎo)熱系數(shù)是增加的。
   （5） 具有較好的摩擦系數(shù)簇精。
   與不同材料間的摩擦系數(shù)CBN為0.1-0.3,硬質(zhì)合金為0.4-0.6,隨著切削速度的提高, 摩擦系數(shù)是減小的啃嫂。
　　
3．超硬材料涂層切削工具

    CVD、PVD等技術(shù)的出現(xiàn)载秀，是切削工具領(lǐng)域中的一次重大的革命吻唐。它的出現(xiàn)立即引起了機(jī)械制造領(lǐng)域的巨大反響乳的，理想的切削工具應(yīng)當(dāng)是既有硬的表面，又有高的韌性武瘟，涂層技術(shù)便達(dá)到了這個(gè)目標(biāo)硼环。
  最早的涂層材料都是陶瓷性質(zhì)的物質(zhì)，如TiN茴典、TiC狰宗、Al2O3等，近年來(lái)消院，涂層技術(shù)又有了很大的發(fā)展甘沾。超硬材料涂層正在得到全面應(yīng)用，許多產(chǎn)品相繼出現(xiàn)在市場(chǎng)上穴店。超硬材料涂層的發(fā)展撕捍，使整個(gè)現(xiàn)有的切削工具的性能都明顯得到了提高，面對(duì)當(dāng)前大量涌現(xiàn)的難加工材料泣洞，這些新發(fā)展的涂層技術(shù)將有巨大的適應(yīng)能力忧风，前景相當(dāng)喜人?br>  超硬材料涂層的種類共有三大類，即類金剛石球凰、金剛石和CBN狮腿。這些涂層材料均為純金剛石或純CBN,所以硬度與沉積的材料是相同的，和PCD與PCBN相比弟蚀，因不含結(jié)合劑蚤霞，所以硬度酗失、耐磨性等均有較大的提高义钉。
  金剛石涂層和CBN涂層的性能與原材料是相同的，只是薄膜而已规肴，使用時(shí)與陶瓷涂層類同捶闸。

4.厚膜金剛石

    金剛石薄膜的合成技術(shù)和應(yīng)用研究在全球范圍發(fā)展極為迅速，形成了"金剛石薄膜熱"塞姻。在這十多年內(nèi)蚌长，氣相合成的方法發(fā)展到二十多種，一般沉積的速度每小時(shí)只1～2um,如何加快沉積速度一直是人們研究的課題尺澜。在近期沉積速度發(fā)展到了100um/h以上绵顷，最高達(dá)到930um/h。我們稱之為厚膜金剛石厅肩。厚膜金剛石是純金剛石螺蜻，其硬度接近天然金剛石，而PCD禽制、PCDN是金剛石粉與結(jié)合劑混合在一起燒結(jié)而成剪酵，因此硬度受到結(jié)合劑的影響陨否，其硬度不如前者。我國(guó)已成功地掌握了這門技術(shù)药呜，最大的沉積厚度達(dá)到了2.3mm⊙晖ǎ現(xiàn)在已商品化，進(jìn)入了國(guó)際先進(jìn)行列访僚。
  厚膜金剛石不同于PCD之處是沒有結(jié)合劑昔搂，是純金剛石，所以它的硬度高得多输拇，與天然金剛石不同巩趁，它具有各向同性，成本低淳附，因此在許多方面將取代PCD议慰。用作拔絲模將是均勻磨損，因此拔絲的線材質(zhì)量明顯優(yōu)于天然金剛石模具奴曙。如果沉積質(zhì)量進(jìn)一步提高别凹，在超精密加工中也有取代天然金剛石的可能，因此頗受超精密領(lǐng)域的重視洽糟。
   總之炉菲，金剛石和超硬材料由于性能優(yōu)越，應(yīng)用不斷地在擴(kuò)大坤溃，已從金屬加工發(fā)展到了光學(xué)玻璃加工拍霜、石材加工、陶瓷加工薪介、硬脆材料加工等傳統(tǒng)加工難進(jìn)行的領(lǐng)域祠饺，對(duì)各種工業(yè)的發(fā)展將起到巨大的推動(dòng)作用，前景十分廣闊草教。

四络峦、超硬刀具的主要品種及特點(diǎn)

    (1) PCD金屬切削刀具

    ①．刀具種類：（以車刀為例，其它還有銑刀经禽，鉸刀蒋巡，鏜刀等。）

    ②．結(jié)構(gòu)形式
    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刀具可剪。
    焊接式PCD刀具同普通硬質(zhì)合金焊接刀具結(jié)構(gòu)形式是一樣的肚苇。見下圖。

圖一

    不同的是刃口材質(zhì)不一樣登翩，幾何參數(shù)不一樣蚣锌，加工對(duì)象不一樣。
    可轉(zhuǎn)位式PCD刀片是在硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片上焊接一小塊PCD刀坯再經(jīng)刃磨而成，可裝夾在與之對(duì)應(yīng)的高精度刀桿上俱挨，進(jìn)行高效函绊，大批量加工。隨著數(shù)控機(jī)床漓拾、自動(dòng)生產(chǎn)線的普及阁最，可轉(zhuǎn)位式PCD刀片的使用將越來(lái)越廣泛，在一定條件下骇两，其刀具耐用度較硬質(zhì)合金刀具可提高幾十倍至幾百倍速种。

圖二

    ③．刀具幾何參數(shù)：
    金剛石切削工具的幾何參數(shù)一般其前角為0°-5°，后角為5°～12°低千，其端部有兩種配阵，一是圓弧，另一為直線示血，后者有時(shí)稱為修光刃棋傍，其長(zhǎng)度根據(jù)被加工材料來(lái)選擇。圓弧車刀在切削過(guò)程中的調(diào)整比較簡(jiǎn)單难审，而平刃的調(diào)整相對(duì)而言是很費(fèi)時(shí)的瘫拣。如果應(yīng)用在高精度的曲面加工中，圓弧的刃磨要求就很嚴(yán)格告喊，它精度的優(yōu)劣會(huì)復(fù)印在曲面上麸拄。

   ④．切削用量

⑤．典型應(yīng)用
    有色金屬的高速、高穩(wěn)定性惯慎、低粗糙度加工及鏡面加工
    采用PCD刀具加工有色金屬時(shí)颤皆，由于金剛石硬度高，表面與金屬親合力小灯忙，因此加工尺寸穩(wěn)定性及表面質(zhì)量都很好给番，刀具壽命也較長(zhǎng)。
    例1：采用PCD刀具加工電機(jī)整流子的紫銅換向器恰日，典型切削參數(shù)為：V=300m/min或缘，f=0.08mm/r，ap≤0.15mm姐淫，加工表面粗糙度Ra0.1～0.2μm，刀具壽命>5,000件乳环，而采用硬質(zhì)合金刀具則只能加工幾件匠泵。
    例2：采用PCD刀具加工各種硅鋁合金零件，表面粗糙度Ra≤0.1μm倘回，刀具壽命可達(dá)幾千～幾萬(wàn)件了酌，尤其適合汽車、摩托車零件的大規(guī)模生產(chǎn)音瓷。

(2) PCD木工刀具

    PCD木工刀具目前最主要的用途就是加工強(qiáng)化木地板对嚼。在加工強(qiáng)化木地板Al2O3耐磨層時(shí)夹抗，切削速度可達(dá)3,000m/min, ，進(jìn)給量可達(dá)每分鐘20米纵竖，且加工時(shí)噪音小漠烧，PCD刀具耐用度是硬質(zhì)合金刀具的200倍以上，已完全取代硬質(zhì)合金刀具靡砌。
    其它PCD木工刀具主要有PCD鋸片和PCD家具成形銑刀等已脓。 由于價(jià)格較貴或家具更新較快，國(guó)內(nèi)應(yīng)用不是很多通殃。

   (3) PCBN金屬切削刀具

    立方氮化硼(簡(jiǎn)稱CBN) 雖然它的硬度稍遜于金剛石度液，但卻是目前可用于加工硬化黑色金屬的最硬的刀具材料。
    ①． 刀具種類及結(jié)構(gòu)形式
    PCBN金屬切削刀具也可分為可轉(zhuǎn)位式PCBN刀具和焊接式PCBN刀具兩類画舌。

    可轉(zhuǎn)位結(jié)構(gòu)的PCBN刀片一般是在可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀片的一個(gè)角上焊接一塊PCBN刀坯堕担，經(jīng)刃磨而成∏簦考慮到刀坯較貴及重磨等原因照宝，一般只做成一個(gè)刀尖。隨著焊接工藝質(zhì)量的提高榛覆，PCBN刀坯尺寸越做越小巫顽，不重磨PCBN刀片的價(jià)格也隨之降低。
    焊接式PCBN刀具是將PCBN刀坯焊接在鋼基體上經(jīng)刃磨而成跃等，主要有車刀菲痹、鏜刀、鉸刀等喉投。
    ②． 幾何參數(shù)
    PCBN刀具的強(qiáng)度比硬質(zhì)合金刀具低编毒，因此在加工淬硬鋼時(shí)，因此其刀尖角不能太小种车，刀具前角一般為-5°～0°歹簸，后角一般為6°～12°，斷續(xù)切削時(shí)一般采用負(fù)倒棱匿贝，通常負(fù)倒棱尺寸取(0.1～0.5)×（10°～30°）為宜搬洪。這不僅有利于對(duì)切削刃進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，而且有很好的耐磨性丁傲。若切削刃進(jìn)行適當(dāng)?shù)拟g化處理燃拥，其效果更好。此外匈勋，在可能的情況下礼旅，盡量采用小主偏角和大的刀尖圓弧半徑，這有助于保護(hù)刀刃，延長(zhǎng)刀具的使用壽命痘系。
    ③．切削用量：為了充分發(fā)揮PCBN刀片的優(yōu)越性菲嘴，取得滿意的加工效果，在實(shí)際使用時(shí)汰翠，除參照下表所推薦的PCBN刀片選用的切削用量外龄坪，還應(yīng)根據(jù)機(jī)床、工件及其它有關(guān)條件的具體情況全面考慮奴璃，合理選擇悉默。

   ③． PCBN刀具的典型應(yīng)用及常見問(wèn)題
    由于PCBN刀具材料具有優(yōu)良的切削性能，所以特別適合加工其硬度在HRC45以上的淬硬鋼苟穆、耐磨鑄鐵抄课、HRC35以上的耐熱合金以及HRC30以下而其它刀片很難加工的珠光體灰口鑄鐵。
    在加工淬硬鋼時(shí)雳旅，徑向力很大跟磨，這就要求機(jī)床功率要大，機(jī)床系統(tǒng)剛性要好忱痴，這既可保護(hù)PCBN刀具潭灯，又可獲得滿意的加工效果。裝夾PCBN刀具時(shí)蚪应，刀具的懸伸長(zhǎng)度要盡量短话弹，以防止刀桿顫振和變形，使PCBN刀具保持良好的加工狀態(tài)伍戚。而對(duì)于硬度高和不規(guī)則的工件味专，由于PCBN刀片較脆、怕沖擊透汞。刀具從工件端面切入数荤、切出時(shí)，尤其表面有夾渣薄肉、砂眼阴戚、凹凸不平，最易發(fā)生沖擊某亩，刃口破裂笋熬，使耐用度降低。所以在使用PCBN刀具前鲜锚，最好先將冷硬層粗車一次突诬，并在工件切入切出端先倒角，以減小PCBN刀具沖擊力芜繁。
    例1：
    工件材料 16CrMo5，HRC60-65 Ra0.8μm　　φ30×30止口
    刀片型號(hào) CNMA120402, 負(fù)倒棱 250×0.1mm
    切削用量 V=140mm/min
             f=0.1-0.12mm/r
             aP=0.15-0.20mm
             干切,連續(xù)切削,1000個(gè)工件左右
    例2：汽車、摩托車齒輪孔的加工,齒輪孔精度為IT6骏令。傳統(tǒng)加工工藝為：機(jī)加工->熱處理->磨削蔬捷。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。新工藝可大幅度提高加工效率榔袋，降低加工成本周拐，原采用磨削工藝一班僅能加工100個(gè)小齒輪， 現(xiàn)采用PCBN刀具車削凰兑，一班能加工400個(gè)小齒輪妥粟。此外，分?jǐn)偟矫總€(gè)齒輪的加工成本也有所下降吏够。
    工件材料 20CrMnTi犀进，滲碳淬火，HRC60-62 Ra0.8μm　　
    刀片型號(hào) CNMA120402, 負(fù)倒棱 250×0.1mm
    切削用量 V=90mm/min
             f=0.1mm/r
             aP=0.1mm
    例3：
    工件材料 HT25-47, HB200, Ra1.6μm　　鏜孔
    刀片型號(hào) CCMW090304, 負(fù)倒棱 100×0.1mm
    切削用量 V=500mm/min
             f=0.2mm/r
             aP=0.08-0.20mm
             干切,連續(xù)切削,1000個(gè)工件左右
    硬材料的立方氮化硼有如下要求：
        CBN含量<60%;
        微顆粒結(jié)構(gòu);
        高的刃口強(qiáng)度;
        低的熱傳導(dǎo)
    這樣的CBN可用于加工50-65HRC的硬材料织扰，大致的切削規(guī)范是：
        切削速度Vc=300-800 m/min
        每齒進(jìn)給量fz=0.08-0.12mm/Z
        切削深度ap不超過(guò)0.5 mm 

總結(jié)：

    （1） 切削高硬度淬硬鋼刀具耐用度高膊节。

   （2） 切削正火鋼刀具耐用度低于硬質(zhì)合金刀具。

   （3） 切削耐磨黃銅時(shí)刀具耐用度高于金剛石刀具。

   （4） 高速下PCBN刀具耐用度高。

   （5） 干切下PCBN刀具耐用度高勇蝙。

    為很好地使用PCBN刀具锹安，穩(wěn)定地控制工件質(zhì)量，準(zhǔn)確判斷PCBN刀具的耐用度至關(guān)重要赴魁。如果一直使用磨損已很嚴(yán)重的刀具，那么切削力及切削溫度增加、切削不暢端皮，就難以控制工件尺寸及表面完整性，甚至使PCBN刀具無(wú)法繼續(xù)修磨而報(bào)廢昧甲。為保證刀具的正常使用近们，建議PCBN刀具后刀面磨損量達(dá)0.3～0.6mm(精車時(shí)取小值)時(shí)應(yīng)進(jìn)行重磨。但重磨需要一定的設(shè)備和技巧昼牛，多數(shù)工廠的機(jī)床不具備適合的條件术瓮，一般PCBN刀具的重磨都應(yīng)由專業(yè)廠來(lái)完成。
    PCBN刀具不適于加工較軟的黑色金屬材料贰健。
    確定切削速度胞四、進(jìn)給量及切削深度要綜合考慮生產(chǎn)效率和加工成本。一般來(lái)講伶椿，其切削速度可比硬質(zhì)合金刀具高2倍左右辜伟，高的切削速度產(chǎn)生大的切削熱量，使被加工材料的塑性增大脊另，有利于控制切屑和降低切削力导狡。
    使用PCBN刀具時(shí)约巷，可加冷卻液，也可不加旱捧，使用冷卻液時(shí)則一定要充分冷卻独郎。
    有關(guān)使用PCBN刀具常見的磨損形式，磨損原因及預(yù)防措施：
    1.月牙洼磨損
      工件硬度太軟枚赡；切速太快氓癌；產(chǎn)生化學(xué)和擴(kuò)散磨損
      改用硬質(zhì)合金刀具或陶瓷刀具；降低切速蛹拜；使用冷卻液
    2.后刀面磨損
      切削速度太快她蛉；進(jìn)給量太大；刀具后角太小
      減小切速和進(jìn)給量慰颊；增大后角
    3.邊界磨損
      主偏角太大赚兰；進(jìn)給量太大；切速太小
      減小主偏角思樟；減小進(jìn)給量镰钦；增大切速
    4.斷裂磨損
      系統(tǒng)剛性差；刀尖角太谢薏浮箫驻；進(jìn)給量與切速太大；刀具刃口脆
      提高系統(tǒng)剛性贩挨，增大刀尖角绍挤；降低進(jìn)給量和切速并采用負(fù)倒棱刀具
    5.PCBN層破裂
      系統(tǒng)剛性差；工件沖擊太大尤桃；PCBN層太薄籽榕，刀具刃口過(guò)脆
      提高工藝系統(tǒng)剛性；工件表面預(yù)加工和倒角甘桑；采用厚的PCBN層拍皮；采用負(fù)倒棱刀具