超硬材料刀具在機(jī)械加工中的應(yīng)用

楊海 劉濤

摘要：最理想的道具材料應(yīng)該不僅有很高的硬度，還要有極高的韌性，而在應(yīng)用高速加工技術(shù)、切削技術(shù)等，使道具材料在技術(shù)上有更高的要求，使超高道具材料獲得廣泛的應(yīng)用。本文基于我國(guó)超硬材料道具在機(jī)械冷加工中的使用，在機(jī)械冷加工中使用此材料，用車削代替密削。因?yàn)槌膊牧系毒叩哪陀眯詷O高，成本相比較低，使機(jī)械冷加工中使用此刀具材料將更加廣泛。

關(guān)鍵詞：刀具材料;超硬材料;金剛石;刀具應(yīng)用

引言：

我國(guó)超硬刀具應(yīng)用材料的研究和使用開(kāi)始在20世紀(jì)70到90年代后，有不少超硬材料生產(chǎn)廠從國(guó)外引進(jìn)了成套的超硬材料合成設(shè)備技術(shù)，使產(chǎn)品生產(chǎn)量大大提高，我國(guó)躋身于超硬材料的大國(guó)中。刀具是機(jī)械加工中的必要工具，而好的刀具需要有很強(qiáng)的硬度和韌性。就當(dāng)前來(lái)看，大部分超硬性刀具均是利用人造金剛石這類的復(fù)合材料制作而成，可以將刀具的制造成本大大減少。本文討論車削加工金屬原料加工、硬質(zhì)合金制品以及難磨材料的加工等方面的使用情況。

1.超硬材料刀具的種類和性能

1.1金剛石CVD

在低壓條件下制備而成的CVD不同于大單品的金剛石，金剛石有更高的硬度和耐磨性，有10000HV的顯微硬度，是刀具材料中最硬的材料。同時(shí)，由于其摩擦系數(shù)小，和非鐵金屬?zèng)]有親和力，導(dǎo)熱率良好，切削時(shí)不會(huì)有積屑產(chǎn)生，加工的表面可保持良好的質(zhì)量，可以加工非金屬和非鐵金屬材料，比如鋼、鋁、銅等金屬和合金、陶瓷等有色金屬以及陶瓷、合金等各種硬合金和各類纖維與顆粒復(fù)合材料。其缺點(diǎn)是韌性差，沒(méi)有很好的熱穩(wěn)定性。在700～800攝氏度時(shí)極易發(fā)生碳化，所以不適用在加工鋼鐵材料中。主要由于當(dāng)處于高溫中的碳原子很容易和鐵原子發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為石墨。

1.2人工聚晶金剛石PCD

PCD是在高溫和高壓中通過(guò)金屬將各種金剛石單品粉聚晶而成的多晶體材料。雖然硬度沒(méi)有單晶體金剛石高，但是由于是隨機(jī)的金剛石晶粒聚合而成，有一定各向性。所以，在不同晶面上都有不同的強(qiáng)度和硬度以及耐磨性。在進(jìn)行切削時(shí)對(duì)意外損壞情況不會(huì)很敏感，抗磨損粒也更強(qiáng)，能夠長(zhǎng)時(shí)間有鋒利的切韌。在進(jìn)行加工時(shí)能使用很快的切割速度以及很大的背馳力量，相比WC基硬質(zhì)合金刀具有更高的使用時(shí)間。同時(shí)，PCD原材料的來(lái)源十分豐富、價(jià)格低廉，導(dǎo)熱性高切低膨脹系數(shù)低，已經(jīng)代替了WC基硬質(zhì)合金刀具，在加工鋁合金類的非鐵材料上有很高的生產(chǎn)率和可靠性。而聚品金剛石復(fù)合片PDC刀具的基體材料是在PCD的基礎(chǔ)上制造而成的。因此有很好的韌性和硬度，不但有金剛石的硬度與耐磨性，也有硬質(zhì)合金的韌性與可焊接性等優(yōu)點(diǎn)。

2.超硬材料刀具在機(jī)械加工中的使用

2.1車削加工

車削加工過(guò)程中，加工硬鋼原料時(shí)需要進(jìn)行超硬材料刀具的使用。在具體的使用中此材料能夠?qū)崿F(xiàn)用車代替磨的應(yīng)用效果，使切削的深度比磨削的高度超幾十倍之高。同時(shí)也可以將加工效率提升4倍以上，而成本則降低到原來(lái)的20%。比如，在硬度高于45HRC 的粹硬鋼加工改造時(shí)需要使用PCBN刀具操作，且確保切割的速度在80m/min到120m/min中[2]。況且隨著工件不斷增多，可以適量的降低加工的速度，保證加工的質(zhì)量。如圖（1）是車削技術(shù)加工：

當(dāng)前在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔中的鏜孔加工上PCBN刀具獲得十分多的應(yīng)用。而PCBN刀具便是使用聚晶立方體氧化硼材料制作而成的，使用壽命較長(zhǎng)，有穩(wěn)定的尺寸、加工精度高且生產(chǎn)效率極高等優(yōu)勢(shì)。另外，在塢硬質(zhì)合金汽缸鏜削加工中使用CVD刀具，保持切割速度在0.5m/s，深度達(dá)到0.12mm，同時(shí)一次能獨(dú)立完成對(duì)八個(gè)零件的加工[2]。

2.3陶瓷材料的加工

作為一種先進(jìn)的產(chǎn)品，新陶瓷材料作為金屬和WC的代替材料得到在工業(yè)上的應(yīng)用，金屬墊陶瓷刀具材料的力學(xué)性能和材料的晶粒大小有密切關(guān)系。而工程的陶瓷產(chǎn)品必須在其表面有很好的粗糙度和精準(zhǔn)的尺寸差，但是因?yàn)檫@些陶瓷產(chǎn)品有較高的強(qiáng)度、抗磨損性，用一般的加工方法很難達(dá)到要求，因此需要使用超硬的材料進(jìn)行加工，也是一種很科學(xué)經(jīng)濟(jì)的方法。

2.4鉆削加工

在對(duì)陶瓷、玻璃等材料進(jìn)行鉆削加工時(shí)可用PDC鉆頭。從當(dāng)前的狀況看，大部分玻璃店以及加工企業(yè)都是用PCD鉆頭對(duì)玻璃和鏡子進(jìn)行加工。在我國(guó)市場(chǎng)中最常見(jiàn)的金剛石鉆頭是直徑為3mm到130mm之間[1]。從材質(zhì)來(lái)看，玻璃鉆頭有樹(shù)脂金剛石等各種材料。使用此種刀具對(duì)石材進(jìn)行加工可以確保工作的高效率和很好的加工效果。另外，對(duì)導(dǎo)電材料的圓柱孔和園錐孔加工上金剛石同樣有很高的應(yīng)用。

2.5半導(dǎo)體材料的加工

半導(dǎo)體在遇到硬、脆這種價(jià)值極高，而計(jì)算機(jī)技術(shù)的規(guī)模化對(duì)硅片的精密度有更嚴(yán)格的要求。使用傳統(tǒng)的金屬工具已經(jīng)不能滿足需要，必須改用有超硬材料的磨具。

3.結(jié)束語(yǔ)

機(jī)械加工的不斷發(fā)展使以往的金屬加工刀具已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代加工技術(shù)的需要。而使用超硬材料刀具有較高的質(zhì)地，能對(duì)各種材料進(jìn)行加工，對(duì)機(jī)械加工的加工質(zhì)量和加工效率有關(guān)鍵作用，因此在機(jī)械技工使用方面取得廣泛的應(yīng)用。對(duì)此需要有關(guān)人員充分考慮到超硬材料刀具在機(jī)械加工中的使用問(wèn)題，對(duì)其有深入的了解，從而更好的掌握有關(guān)加工技能，進(jìn)而讓機(jī)械加工有更高的質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫慶志. 超硬材料刀具在機(jī)械加工中的應(yīng)用[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)， 2018， v.15;No.440（08）：115-116.

[2]李文敏，張玉升，劉洪濤. 淺談超硬材料刀具在機(jī)械加工中的應(yīng)用[J]. 山東工業(yè)技術(shù)， 2015（14）：17-17.