硬脆材料加工中超硬刀具的應(yīng)用

陳泉

摘要：在硬脆材料的加工中，對(duì)刀具材料的要求越來越高，硬度高、性能好的刀具已成為加工過程中理想的刀具。近年研制成功的超硬刀具，由于性能好，耐用度高、綜合成本低等特點(diǎn)，應(yīng)用越來越廣泛。文章主要針對(duì)超硬刀具在硬脆材料中的應(yīng)用進(jìn)行分析，使超硬刀具在今后能夠得到更好的發(fā)展以及更廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：硬脆材料；超硬刀具；應(yīng)用分析

中圖分類號(hào)：TG711文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-8937（2014）20-0084-02

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的制造精度、加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率都提出了更高的要求，高速切削、超精密加工、綠色制造均要求刀具具有高的硬度、耐磨性和紅硬性。然而，傳統(tǒng)的刀具材料由于各種原因已不能滿足硬脆材料的加工要求。因而超硬刀具在現(xiàn)代制造加工中逐漸被開發(fā)應(yīng)用。例如：用硬質(zhì)合金刀具加工花崗巖時(shí)，在幾秒鐘內(nèi)刀刃就被堅(jiān)硬的花崗巖摧毀；再用聚晶金剛石刀具加工時(shí)，刀刃就可以保持完好。用硬質(zhì)合金車刀加工冷硬鑄鐵時(shí)，即使采用很低的切削速度，刀具仍然磨損很快，也很容易崩刃；采用復(fù)合氮化硅陶瓷刀具切削時(shí)，不但可以使用較高的切削速度，而且大大地延長了刀具的使用壽命。退火工具鋼一般需要經(jīng)過磨削加工，因而生產(chǎn)效率很低，而采用立方氮化硼刀具就可實(shí)現(xiàn)高效率的車削或銑削。實(shí)踐證明，超硬刀具在硬脆材料的高速切削加工中，不但能夠保證加工質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率，還能夠提高刀具的耐用度。因此應(yīng)根據(jù)超硬刀具材料的性能、特點(diǎn)，以及在硬脆材料中的應(yīng)用進(jìn)行具體的分析，使超硬刀具在以后的發(fā)展中能夠得到更好的應(yīng)用，以促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

1超硬刀具材料的發(fā)展

超硬刀具材料主要是指金剛石、人造金剛石以及立方氮化硼，其中最常用的是人造金剛石、聚晶立方氮化硼以及二者的復(fù)合材料。

人造金剛石和立方氮化硼最早在20世紀(jì)50年代由美國人在材料中加入結(jié)合劑，利用高溫、高壓的作用燒結(jié)成聚晶塊作為刀具材料。20世紀(jì)70年代，我國開始對(duì)超硬刀具材料進(jìn)行應(yīng)用和研究，并于20世紀(jì)90年代從國外引進(jìn)成套的超硬材料合成設(shè)備及生產(chǎn)技術(shù)。從此，超硬材料在我國得到很好的應(yīng)用，我國也因此成為超硬材料的生產(chǎn)大國。

2超硬刀具的性能和特點(diǎn)

天然金剛石是超硬刀具的主要材料，具有良好的性能和特點(diǎn)，它具有很高的硬度和耐磨性，是刀具材料中最硬的材料。金剛石的摩擦系數(shù)小、熱導(dǎo)率高，在進(jìn)行切削時(shí)表面不容易積屑瘤，使加工的表面質(zhì)量好，適用于加工硬度較高的硬質(zhì)合金、陶瓷、玻璃等材料。然而，由于金剛石與鋼鐵材料具有化學(xué)親和作用，在高溫下鐵會(huì)使碳原子轉(zhuǎn)化成石墨結(jié)構(gòu)，從而使性能變得不穩(wěn)定，硬度大大下降，只適用于加工各種有色金屬和非金屬材料。此外，用金剛石切削鎳基合金時(shí)，同樣也會(huì)出現(xiàn)迅速磨損的情況。

人造金剛石是在高溫高壓下，通過結(jié)合劑將金剛石單晶粉制成多晶體的材料。人造金剛石的硬度小于天然金剛石，與天然金剛石比較，在不同的晶面上的強(qiáng)度、硬度以及耐磨性都有很大的區(qū)別。人造金剛石在切削時(shí)抗磨損能力較強(qiáng)，壽命要比一般的刀具長。另外，由于價(jià)格比天然金剛石低很多，又具有摩擦系數(shù)和膨脹系數(shù)較低的特點(diǎn)，因此，人造金剛石刀具已成為傳統(tǒng)的高性能硬質(zhì)合金刀具的替代品。

聚晶立方氮化硼刀具一共分為三種，整體聚晶立方氮化硼刀具、聚晶立方氮化硼復(fù)合片以及電鍍立方氮化硼刀具。聚晶立方氮化硼刀具具有很高的硬度和耐磨性，同時(shí)還具有良好的耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性。與天然金剛石和人造金剛石兩種刀具材料一樣，聚晶立方氮化硼的摩擦系數(shù)較小，耐磨性與人造聚晶金剛石相比雖然差一些，但具有良好的抗化學(xué)腐蝕性，在高溫下也具有良好的熱穩(wěn)定性。

3超硬刀具在硬脆材料加工中的應(yīng)用

3.1金剛石在硬脆材料切割技術(shù)加工中的應(yīng)用

硬脆性材料加工切割技術(shù)一共分為三種，即圓片鋸、帶鋸以和線鋸。金剛石在硬脆材料加工切割技術(shù)中，通常被用作金剛石帶鋸，而金剛石帶鋸常常被應(yīng)用在生產(chǎn)花崗巖和大理石板材機(jī)械設(shè)備中，特別是在生產(chǎn)大尺寸板材中應(yīng)用非常廣泛。但是，由于金剛石框架鋸工作時(shí)鋸條需要進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而金剛石燒結(jié)刀頭上的金剛石不能形成良好的支撐，保持力較小，容易在胎體上脫落。因此不能切割過硬的花崗巖石材。

在硬脆材料加工技術(shù)中，金剛石線鋸也有很好的應(yīng)用，帶來了許多的好處。金剛石線鋸適用于單晶硅、多晶硅等各種半導(dǎo)體材料以及磁性材料、磁帶、光盤、集成電路等的精密切割。也可以用于切割寶石、玉器等硬脆材料，優(yōu)點(diǎn)是切割縫隙小、原材料的利用率高。用金剛石線鋸切割硬質(zhì)合金，能使硬質(zhì)合金的邊緣部分不破損，和砂輪切割相比，對(duì)脆性晶體切片效果好，而且當(dāng)線鋸碰到工件時(shí)，會(huì)馬上停止工作。由于金剛石線鋸切割時(shí)溫度較低，用來切割容易炸裂的材料時(shí)也不會(huì)引起崩碎。

金剛石串珠鋸是近十幾年發(fā)展起來的一種切割工具，以其準(zhǔn)備時(shí)間短、切割靈活、噪聲低、粉塵少、低污染和節(jié)能等特點(diǎn)，在大型建筑的構(gòu)件拆遷工程中得到成功應(yīng)用。這種切割工具主要應(yīng)用在建筑物、橋梁和混凝土結(jié)構(gòu)中的拆除和改造，同時(shí)也可以用在切割玻璃材料。金剛石串珠鋸的使用壽命取決于它的物理和機(jī)械特性，和傳統(tǒng)的磨料相比，金剛石串珠鋸具有很多優(yōu)良特性，在切割硬脆材料時(shí)，不僅能切割直面，還能切割曲面，在切割板料時(shí)，可以利用多道串珠鋸進(jìn)行切割，因此切割的效率非常高。但是由于受串珠直徑的限制，切割時(shí)的切縫較寬，加工細(xì)微結(jié)構(gòu)和貴重材料不適宜使用這種技術(shù)。

3.2超硬刀具在硬脆材料切削加工技術(shù)中的應(yīng)用

硬脆材料的切削加工技術(shù)主要有干式切削、濕式切削、低溫冷風(fēng)切削、高速切削加工技術(shù)等。其中干式切削加工中立方氮化硼刀具的切削效果較好，而且使用壽命最長，而濕式切削加工中燒結(jié)金剛石刀具的切削性能非常好，除加工效率高以外，燒結(jié)后再磨削的成本也很低。

3.3超硬刀具在金屬材料加工中的應(yīng)用

超硬刀具在金屬材料加工中，可以進(jìn)行一次性粗、精磨削，特別適用于硬質(zhì)合金制品以及難磨材料的加工。利用超硬材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的碳化硅和剛玉磨料，可以避免加工過程中對(duì)金屬材料的表面造成燒傷或出現(xiàn)微裂紋，同時(shí)還可以解決工件邊緣缺口和變質(zhì)層過深的問題，達(dá)到節(jié)約磨削成本和提高質(zhì)量的目的。

用復(fù)合式漸開線跳齒內(nèi)孔超硬材料拉刀加工工件孔，有兩大優(yōu)點(diǎn)：

①由于能夠可靠保證工件內(nèi)孔各形面間的同軸度，因而可以后續(xù)加工工序中統(tǒng)一用小徑圓面作為定位基準(zhǔn)，大大方便了后序定位心軸和檢驗(yàn)心軸的制作，并可靠保證所有加工表面的位置精度。

②由于采用了合理的跳齒排布方式和花鍵刃開側(cè)隙的刀齒結(jié)構(gòu)，保證了拉刀的制造質(zhì)量，且制造方便，成本幾乎和普通復(fù)合式漸開線拉刀相同。

超硬刀具在金屬材料磨削加工中起著很重要的作用，各種加工目的可以通過超硬材料來實(shí)現(xiàn)。

4實(shí)例分析

采用金剛石復(fù)合刀片以及立方氮化硼復(fù)合刀片，車削淬硬工具鋼，刀具參數(shù)如下：

γ01=-20 ?；γ0=0 ?；Kr=45 ?；bγ=0.2 mm；rE=0.5 mm（CBN），4 mm（PCD）。

切削用量如下：

f=0.05 mm；ap=0.1 mm；V=84 m/min。刀具磨損曲線如圖1所示。

采用Si3N4基復(fù)合陶瓷刀片以及硬質(zhì)合金YM053刀片切削T10A，刀具參數(shù)如下：γ01=-20 ?；γ0=-8 ?；Kr=45 ?；bγ=0.2 mm；rE=0.5 mm（CBN），4 mm（PCD）。

切削用量如下：f=0.05 mm；ap=0.1 mm；V=44 m/min。刀具磨損曲線如圖2所示。

由圖1、圖2可見，用立方氮化硼（CBN）復(fù)合刀片加工淬硬鋼效果很好，相比之下，用金剛石復(fù)合刀片（PCD）切削淬硬鋼效果甚差。硬質(zhì)合金和陶瓷刀片在較低的切削速度（V=44 m/min）下切削T10A，刀具耐用度顯著低于CBN刀具。

5結(jié)語

超硬刀具在硬脆性材料加工中起著很重要的作用，因此，多了解超硬刀具的性能特點(diǎn)以及在硬脆性材料加工中的應(yīng)用，對(duì)超硬刀具在以后的發(fā)展中的有著重要作用，應(yīng)對(duì)超硬刀具應(yīng)用范圍和技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的推廣。

在超硬刀具的材料當(dāng)中，人造金剛石和聚晶立方氮化硼這兩種材料越來越受到重視，應(yīng)進(jìn)行深入的研究。發(fā)揮超硬刀具材料在制造刀具方面的潛力，促進(jìn)超硬刀具在以后的加工中得到更好的應(yīng)用和發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王繼明.淺談超硬材料刀具在機(jī)械加工中的應(yīng)用[J].黑龍江科技信息,2011,(18).

[2] 張寶國.超硬刀具在鋁合金活塞加工中的應(yīng)用與發(fā)展[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2011,(9).

[3] 鹿昌劍.電解電火花復(fù)合加工在微細(xì)加工中的應(yīng)用研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2012.

endprint

摘要：在硬脆材料的加工中，對(duì)刀具材料的要求越來越高，硬度高、性能好的刀具已成為加工過程中理想的刀具。近年研制成功的超硬刀具，由于性能好，耐用度高、綜合成本低等特點(diǎn)，應(yīng)用越來越廣泛。文章主要針對(duì)超硬刀具在硬脆材料中的應(yīng)用進(jìn)行分析，使超硬刀具在今后能夠得到更好的發(fā)展以及更廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：硬脆材料；超硬刀具；應(yīng)用分析

中圖分類號(hào)：TG711文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-8937（2014）20-0084-02

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的制造精度、加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率都提出了更高的要求，高速切削、超精密加工、綠色制造均要求刀具具有高的硬度、耐磨性和紅硬性。然而，傳統(tǒng)的刀具材料由于各種原因已不能滿足硬脆材料的加工要求。因而超硬刀具在現(xiàn)代制造加工中逐漸被開發(fā)應(yīng)用。例如：用硬質(zhì)合金刀具加工花崗巖時(shí)，在幾秒鐘內(nèi)刀刃就被堅(jiān)硬的花崗巖摧毀；再用聚晶金剛石刀具加工時(shí)，刀刃就可以保持完好。用硬質(zhì)合金車刀加工冷硬鑄鐵時(shí)，即使采用很低的切削速度，刀具仍然磨損很快，也很容易崩刃；采用復(fù)合氮化硅陶瓷刀具切削時(shí)，不但可以使用較高的切削速度，而且大大地延長了刀具的使用壽命。退火工具鋼一般需要經(jīng)過磨削加工，因而生產(chǎn)效率很低，而采用立方氮化硼刀具就可實(shí)現(xiàn)高效率的車削或銑削。實(shí)踐證明，超硬刀具在硬脆材料的高速切削加工中，不但能夠保證加工質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率，還能夠提高刀具的耐用度。因此應(yīng)根據(jù)超硬刀具材料的性能、特點(diǎn)，以及在硬脆材料中的應(yīng)用進(jìn)行具體的分析，使超硬刀具在以后的發(fā)展中能夠得到更好的應(yīng)用，以促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

1超硬刀具材料的發(fā)展

超硬刀具材料主要是指金剛石、人造金剛石以及立方氮化硼，其中最常用的是人造金剛石、聚晶立方氮化硼以及二者的復(fù)合材料。

人造金剛石和立方氮化硼最早在20世紀(jì)50年代由美國人在材料中加入結(jié)合劑，利用高溫、高壓的作用燒結(jié)成聚晶塊作為刀具材料。20世紀(jì)70年代，我國開始對(duì)超硬刀具材料進(jìn)行應(yīng)用和研究，并于20世紀(jì)90年代從國外引進(jìn)成套的超硬材料合成設(shè)備及生產(chǎn)技術(shù)。從此，超硬材料在我國得到很好的應(yīng)用，我國也因此成為超硬材料的生產(chǎn)大國。

2超硬刀具的性能和特點(diǎn)

天然金剛石是超硬刀具的主要材料，具有良好的性能和特點(diǎn)，它具有很高的硬度和耐磨性，是刀具材料中最硬的材料。金剛石的摩擦系數(shù)小、熱導(dǎo)率高，在進(jìn)行切削時(shí)表面不容易積屑瘤，使加工的表面質(zhì)量好，適用于加工硬度較高的硬質(zhì)合金、陶瓷、玻璃等材料。然而，由于金剛石與鋼鐵材料具有化學(xué)親和作用，在高溫下鐵會(huì)使碳原子轉(zhuǎn)化成石墨結(jié)構(gòu)，從而使性能變得不穩(wěn)定，硬度大大下降，只適用于加工各種有色金屬和非金屬材料。此外，用金剛石切削鎳基合金時(shí)，同樣也會(huì)出現(xiàn)迅速磨損的情況。

人造金剛石是在高溫高壓下，通過結(jié)合劑將金剛石單晶粉制成多晶體的材料。人造金剛石的硬度小于天然金剛石，與天然金剛石比較，在不同的晶面上的強(qiáng)度、硬度以及耐磨性都有很大的區(qū)別。人造金剛石在切削時(shí)抗磨損能力較強(qiáng)，壽命要比一般的刀具長。另外，由于價(jià)格比天然金剛石低很多，又具有摩擦系數(shù)和膨脹系數(shù)較低的特點(diǎn)，因此，人造金剛石刀具已成為傳統(tǒng)的高性能硬質(zhì)合金刀具的替代品。

聚晶立方氮化硼刀具一共分為三種，整體聚晶立方氮化硼刀具、聚晶立方氮化硼復(fù)合片以及電鍍立方氮化硼刀具。聚晶立方氮化硼刀具具有很高的硬度和耐磨性，同時(shí)還具有良好的耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性。與天然金剛石和人造金剛石兩種刀具材料一樣，聚晶立方氮化硼的摩擦系數(shù)較小，耐磨性與人造聚晶金剛石相比雖然差一些，但具有良好的抗化學(xué)腐蝕性，在高溫下也具有良好的熱穩(wěn)定性。

3超硬刀具在硬脆材料加工中的應(yīng)用

3.1金剛石在硬脆材料切割技術(shù)加工中的應(yīng)用

硬脆性材料加工切割技術(shù)一共分為三種，即圓片鋸、帶鋸以和線鋸。金剛石在硬脆材料加工切割技術(shù)中，通常被用作金剛石帶鋸，而金剛石帶鋸常常被應(yīng)用在生產(chǎn)花崗巖和大理石板材機(jī)械設(shè)備中，特別是在生產(chǎn)大尺寸板材中應(yīng)用非常廣泛。但是，由于金剛石框架鋸工作時(shí)鋸條需要進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而金剛石燒結(jié)刀頭上的金剛石不能形成良好的支撐，保持力較小，容易在胎體上脫落。因此不能切割過硬的花崗巖石材。

在硬脆材料加工技術(shù)中，金剛石線鋸也有很好的應(yīng)用，帶來了許多的好處。金剛石線鋸適用于單晶硅、多晶硅等各種半導(dǎo)體材料以及磁性材料、磁帶、光盤、集成電路等的精密切割。也可以用于切割寶石、玉器等硬脆材料，優(yōu)點(diǎn)是切割縫隙小、原材料的利用率高。用金剛石線鋸切割硬質(zhì)合金，能使硬質(zhì)合金的邊緣部分不破損，和砂輪切割相比，對(duì)脆性晶體切片效果好，而且當(dāng)線鋸碰到工件時(shí)，會(huì)馬上停止工作。由于金剛石線鋸切割時(shí)溫度較低，用來切割容易炸裂的材料時(shí)也不會(huì)引起崩碎。

金剛石串珠鋸是近十幾年發(fā)展起來的一種切割工具，以其準(zhǔn)備時(shí)間短、切割靈活、噪聲低、粉塵少、低污染和節(jié)能等特點(diǎn)，在大型建筑的構(gòu)件拆遷工程中得到成功應(yīng)用。這種切割工具主要應(yīng)用在建筑物、橋梁和混凝土結(jié)構(gòu)中的拆除和改造，同時(shí)也可以用在切割玻璃材料。金剛石串珠鋸的使用壽命取決于它的物理和機(jī)械特性，和傳統(tǒng)的磨料相比，金剛石串珠鋸具有很多優(yōu)良特性，在切割硬脆材料時(shí)，不僅能切割直面，還能切割曲面，在切割板料時(shí)，可以利用多道串珠鋸進(jìn)行切割，因此切割的效率非常高。但是由于受串珠直徑的限制，切割時(shí)的切縫較寬，加工細(xì)微結(jié)構(gòu)和貴重材料不適宜使用這種技術(shù)。

3.2超硬刀具在硬脆材料切削加工技術(shù)中的應(yīng)用

硬脆材料的切削加工技術(shù)主要有干式切削、濕式切削、低溫冷風(fēng)切削、高速切削加工技術(shù)等。其中干式切削加工中立方氮化硼刀具的切削效果較好，而且使用壽命最長，而濕式切削加工中燒結(jié)金剛石刀具的切削性能非常好，除加工效率高以外，燒結(jié)后再磨削的成本也很低。

3.3超硬刀具在金屬材料加工中的應(yīng)用

超硬刀具在金屬材料加工中，可以進(jìn)行一次性粗、精磨削，特別適用于硬質(zhì)合金制品以及難磨材料的加工。利用超硬材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的碳化硅和剛玉磨料，可以避免加工過程中對(duì)金屬材料的表面造成燒傷或出現(xiàn)微裂紋，同時(shí)還可以解決工件邊緣缺口和變質(zhì)層過深的問題，達(dá)到節(jié)約磨削成本和提高質(zhì)量的目的。

用復(fù)合式漸開線跳齒內(nèi)孔超硬材料拉刀加工工件孔，有兩大優(yōu)點(diǎn)：

①由于能夠可靠保證工件內(nèi)孔各形面間的同軸度，因而可以后續(xù)加工工序中統(tǒng)一用小徑圓面作為定位基準(zhǔn)，大大方便了后序定位心軸和檢驗(yàn)心軸的制作，并可靠保證所有加工表面的位置精度。

②由于采用了合理的跳齒排布方式和花鍵刃開側(cè)隙的刀齒結(jié)構(gòu)，保證了拉刀的制造質(zhì)量，且制造方便，成本幾乎和普通復(fù)合式漸開線拉刀相同。

超硬刀具在金屬材料磨削加工中起著很重要的作用，各種加工目的可以通過超硬材料來實(shí)現(xiàn)。

4實(shí)例分析

采用金剛石復(fù)合刀片以及立方氮化硼復(fù)合刀片，車削淬硬工具鋼，刀具參數(shù)如下：

γ01=-20 ?；γ0=0 ?；Kr=45 ?；bγ=0.2 mm；rE=0.5 mm（CBN），4 mm（PCD）。

切削用量如下：

f=0.05 mm；ap=0.1 mm；V=84 m/min。刀具磨損曲線如圖1所示。

采用Si3N4基復(fù)合陶瓷刀片以及硬質(zhì)合金YM053刀片切削T10A，刀具參數(shù)如下：γ01=-20 ?；γ0=-8 ?；Kr=45 ?；bγ=0.2 mm；rE=0.5 mm（CBN），4 mm（PCD）。

切削用量如下：f=0.05 mm；ap=0.1 mm；V=44 m/min。刀具磨損曲線如圖2所示。

由圖1、圖2可見，用立方氮化硼（CBN）復(fù)合刀片加工淬硬鋼效果很好，相比之下，用金剛石復(fù)合刀片（PCD）切削淬硬鋼效果甚差。硬質(zhì)合金和陶瓷刀片在較低的切削速度（V=44 m/min）下切削T10A，刀具耐用度顯著低于CBN刀具。

5結(jié)語

超硬刀具在硬脆性材料加工中起著很重要的作用，因此，多了解超硬刀具的性能特點(diǎn)以及在硬脆性材料加工中的應(yīng)用，對(duì)超硬刀具在以后的發(fā)展中的有著重要作用，應(yīng)對(duì)超硬刀具應(yīng)用范圍和技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的推廣。

在超硬刀具的材料當(dāng)中，人造金剛石和聚晶立方氮化硼這兩種材料越來越受到重視，應(yīng)進(jìn)行深入的研究。發(fā)揮超硬刀具材料在制造刀具方面的潛力，促進(jìn)超硬刀具在以后的加工中得到更好的應(yīng)用和發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王繼明.淺談超硬材料刀具在機(jī)械加工中的應(yīng)用[J].黑龍江科技信息,2011,(18).

[2] 張寶國.超硬刀具在鋁合金活塞加工中的應(yīng)用與發(fā)展[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2011,(9).

[3] 鹿昌劍.電解電火花復(fù)合加工在微細(xì)加工中的應(yīng)用研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2012.

endprint

摘要：在硬脆材料的加工中，對(duì)刀具材料的要求越來越高，硬度高、性能好的刀具已成為加工過程中理想的刀具。近年研制成功的超硬刀具，由于性能好，耐用度高、綜合成本低等特點(diǎn)，應(yīng)用越來越廣泛。文章主要針對(duì)超硬刀具在硬脆材料中的應(yīng)用進(jìn)行分析，使超硬刀具在今后能夠得到更好的發(fā)展以及更廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：硬脆材料；超硬刀具；應(yīng)用分析

中圖分類號(hào)：TG711文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-8937（2014）20-0084-02

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的制造精度、加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率都提出了更高的要求，高速切削、超精密加工、綠色制造均要求刀具具有高的硬度、耐磨性和紅硬性。然而，傳統(tǒng)的刀具材料由于各種原因已不能滿足硬脆材料的加工要求。因而超硬刀具在現(xiàn)代制造加工中逐漸被開發(fā)應(yīng)用。例如：用硬質(zhì)合金刀具加工花崗巖時(shí)，在幾秒鐘內(nèi)刀刃就被堅(jiān)硬的花崗巖摧毀；再用聚晶金剛石刀具加工時(shí)，刀刃就可以保持完好。用硬質(zhì)合金車刀加工冷硬鑄鐵時(shí)，即使采用很低的切削速度，刀具仍然磨損很快，也很容易崩刃；采用復(fù)合氮化硅陶瓷刀具切削時(shí)，不但可以使用較高的切削速度，而且大大地延長了刀具的使用壽命。退火工具鋼一般需要經(jīng)過磨削加工，因而生產(chǎn)效率很低，而采用立方氮化硼刀具就可實(shí)現(xiàn)高效率的車削或銑削。實(shí)踐證明，超硬刀具在硬脆材料的高速切削加工中，不但能夠保證加工質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率，還能夠提高刀具的耐用度。因此應(yīng)根據(jù)超硬刀具材料的性能、特點(diǎn)，以及在硬脆材料中的應(yīng)用進(jìn)行具體的分析，使超硬刀具在以后的發(fā)展中能夠得到更好的應(yīng)用，以促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

1超硬刀具材料的發(fā)展

超硬刀具材料主要是指金剛石、人造金剛石以及立方氮化硼，其中最常用的是人造金剛石、聚晶立方氮化硼以及二者的復(fù)合材料。

人造金剛石和立方氮化硼最早在20世紀(jì)50年代由美國人在材料中加入結(jié)合劑，利用高溫、高壓的作用燒結(jié)成聚晶塊作為刀具材料。20世紀(jì)70年代，我國開始對(duì)超硬刀具材料進(jìn)行應(yīng)用和研究，并于20世紀(jì)90年代從國外引進(jìn)成套的超硬材料合成設(shè)備及生產(chǎn)技術(shù)。從此，超硬材料在我國得到很好的應(yīng)用，我國也因此成為超硬材料的生產(chǎn)大國。

2超硬刀具的性能和特點(diǎn)

天然金剛石是超硬刀具的主要材料，具有良好的性能和特點(diǎn)，它具有很高的硬度和耐磨性，是刀具材料中最硬的材料。金剛石的摩擦系數(shù)小、熱導(dǎo)率高，在進(jìn)行切削時(shí)表面不容易積屑瘤，使加工的表面質(zhì)量好，適用于加工硬度較高的硬質(zhì)合金、陶瓷、玻璃等材料。然而，由于金剛石與鋼鐵材料具有化學(xué)親和作用，在高溫下鐵會(huì)使碳原子轉(zhuǎn)化成石墨結(jié)構(gòu)，從而使性能變得不穩(wěn)定，硬度大大下降，只適用于加工各種有色金屬和非金屬材料。此外，用金剛石切削鎳基合金時(shí)，同樣也會(huì)出現(xiàn)迅速磨損的情況。

人造金剛石是在高溫高壓下，通過結(jié)合劑將金剛石單晶粉制成多晶體的材料。人造金剛石的硬度小于天然金剛石，與天然金剛石比較，在不同的晶面上的強(qiáng)度、硬度以及耐磨性都有很大的區(qū)別。人造金剛石在切削時(shí)抗磨損能力較強(qiáng)，壽命要比一般的刀具長。另外，由于價(jià)格比天然金剛石低很多，又具有摩擦系數(shù)和膨脹系數(shù)較低的特點(diǎn)，因此，人造金剛石刀具已成為傳統(tǒng)的高性能硬質(zhì)合金刀具的替代品。

聚晶立方氮化硼刀具一共分為三種，整體聚晶立方氮化硼刀具、聚晶立方氮化硼復(fù)合片以及電鍍立方氮化硼刀具。聚晶立方氮化硼刀具具有很高的硬度和耐磨性，同時(shí)還具有良好的耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性。與天然金剛石和人造金剛石兩種刀具材料一樣，聚晶立方氮化硼的摩擦系數(shù)較小，耐磨性與人造聚晶金剛石相比雖然差一些，但具有良好的抗化學(xué)腐蝕性，在高溫下也具有良好的熱穩(wěn)定性。

3超硬刀具在硬脆材料加工中的應(yīng)用

3.1金剛石在硬脆材料切割技術(shù)加工中的應(yīng)用

硬脆性材料加工切割技術(shù)一共分為三種，即圓片鋸、帶鋸以和線鋸。金剛石在硬脆材料加工切割技術(shù)中，通常被用作金剛石帶鋸，而金剛石帶鋸常常被應(yīng)用在生產(chǎn)花崗巖和大理石板材機(jī)械設(shè)備中，特別是在生產(chǎn)大尺寸板材中應(yīng)用非常廣泛。但是，由于金剛石框架鋸工作時(shí)鋸條需要進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而金剛石燒結(jié)刀頭上的金剛石不能形成良好的支撐，保持力較小，容易在胎體上脫落。因此不能切割過硬的花崗巖石材。

在硬脆材料加工技術(shù)中，金剛石線鋸也有很好的應(yīng)用，帶來了許多的好處。金剛石線鋸適用于單晶硅、多晶硅等各種半導(dǎo)體材料以及磁性材料、磁帶、光盤、集成電路等的精密切割。也可以用于切割寶石、玉器等硬脆材料，優(yōu)點(diǎn)是切割縫隙小、原材料的利用率高。用金剛石線鋸切割硬質(zhì)合金，能使硬質(zhì)合金的邊緣部分不破損，和砂輪切割相比，對(duì)脆性晶體切片效果好，而且當(dāng)線鋸碰到工件時(shí)，會(huì)馬上停止工作。由于金剛石線鋸切割時(shí)溫度較低，用來切割容易炸裂的材料時(shí)也不會(huì)引起崩碎。

金剛石串珠鋸是近十幾年發(fā)展起來的一種切割工具，以其準(zhǔn)備時(shí)間短、切割靈活、噪聲低、粉塵少、低污染和節(jié)能等特點(diǎn)，在大型建筑的構(gòu)件拆遷工程中得到成功應(yīng)用。這種切割工具主要應(yīng)用在建筑物、橋梁和混凝土結(jié)構(gòu)中的拆除和改造，同時(shí)也可以用在切割玻璃材料。金剛石串珠鋸的使用壽命取決于它的物理和機(jī)械特性，和傳統(tǒng)的磨料相比，金剛石串珠鋸具有很多優(yōu)良特性，在切割硬脆材料時(shí)，不僅能切割直面，還能切割曲面，在切割板料時(shí)，可以利用多道串珠鋸進(jìn)行切割，因此切割的效率非常高。但是由于受串珠直徑的限制，切割時(shí)的切縫較寬，加工細(xì)微結(jié)構(gòu)和貴重材料不適宜使用這種技術(shù)。

3.2超硬刀具在硬脆材料切削加工技術(shù)中的應(yīng)用

硬脆材料的切削加工技術(shù)主要有干式切削、濕式切削、低溫冷風(fēng)切削、高速切削加工技術(shù)等。其中干式切削加工中立方氮化硼刀具的切削效果較好，而且使用壽命最長，而濕式切削加工中燒結(jié)金剛石刀具的切削性能非常好，除加工效率高以外，燒結(jié)后再磨削的成本也很低。

3.3超硬刀具在金屬材料加工中的應(yīng)用

超硬刀具在金屬材料加工中，可以進(jìn)行一次性粗、精磨削，特別適用于硬質(zhì)合金制品以及難磨材料的加工。利用超硬材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的碳化硅和剛玉磨料，可以避免加工過程中對(duì)金屬材料的表面造成燒傷或出現(xiàn)微裂紋，同時(shí)還可以解決工件邊緣缺口和變質(zhì)層過深的問題，達(dá)到節(jié)約磨削成本和提高質(zhì)量的目的。

用復(fù)合式漸開線跳齒內(nèi)孔超硬材料拉刀加工工件孔，有兩大優(yōu)點(diǎn)：

①由于能夠可靠保證工件內(nèi)孔各形面間的同軸度，因而可以后續(xù)加工工序中統(tǒng)一用小徑圓面作為定位基準(zhǔn)，大大方便了后序定位心軸和檢驗(yàn)心軸的制作，并可靠保證所有加工表面的位置精度。

②由于采用了合理的跳齒排布方式和花鍵刃開側(cè)隙的刀齒結(jié)構(gòu)，保證了拉刀的制造質(zhì)量，且制造方便，成本幾乎和普通復(fù)合式漸開線拉刀相同。

超硬刀具在金屬材料磨削加工中起著很重要的作用，各種加工目的可以通過超硬材料來實(shí)現(xiàn)。

4實(shí)例分析

采用金剛石復(fù)合刀片以及立方氮化硼復(fù)合刀片，車削淬硬工具鋼，刀具參數(shù)如下：

γ01=-20 ?；γ0=0 ?；Kr=45 ?；bγ=0.2 mm；rE=0.5 mm（CBN），4 mm（PCD）。

切削用量如下：

f=0.05 mm；ap=0.1 mm；V=84 m/min。刀具磨損曲線如圖1所示。

采用Si3N4基復(fù)合陶瓷刀片以及硬質(zhì)合金YM053刀片切削T10A，刀具參數(shù)如下：γ01=-20 ?；γ0=-8 ?；Kr=45 ?；bγ=0.2 mm；rE=0.5 mm（CBN），4 mm（PCD）。

切削用量如下：f=0.05 mm；ap=0.1 mm；V=44 m/min。刀具磨損曲線如圖2所示。

由圖1、圖2可見，用立方氮化硼（CBN）復(fù)合刀片加工淬硬鋼效果很好，相比之下，用金剛石復(fù)合刀片（PCD）切削淬硬鋼效果甚差。硬質(zhì)合金和陶瓷刀片在較低的切削速度（V=44 m/min）下切削T10A，刀具耐用度顯著低于CBN刀具。

5結(jié)語

超硬刀具在硬脆性材料加工中起著很重要的作用，因此，多了解超硬刀具的性能特點(diǎn)以及在硬脆性材料加工中的應(yīng)用，對(duì)超硬刀具在以后的發(fā)展中的有著重要作用，應(yīng)對(duì)超硬刀具應(yīng)用范圍和技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的推廣。

在超硬刀具的材料當(dāng)中，人造金剛石和聚晶立方氮化硼這兩種材料越來越受到重視，應(yīng)進(jìn)行深入的研究。發(fā)揮超硬刀具材料在制造刀具方面的潛力，促進(jìn)超硬刀具在以后的加工中得到更好的應(yīng)用和發(fā)展。

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