淺談我國機械制造業中超硬刀具的應用狀況

【摘要】我國的機械制造業中，除沖壓、鍛壓、鑄造等冷熱模具成形方法外，金屬的切削加工是最主要的加工方法。刀具作為金屬切削加工的基礎工藝裝備正隨著金屬切削機床的快速發展發生著變革。超硬刀具由于其卓越的性能在現代加工技術中的地位和作用越來越顯現。

【關鍵詞】金屬切削加工 刀具 超硬刀具

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2013）11-0232-01

我國的機械制造業中，除沖壓、鍛壓、鑄造等冷熱模具成形方法外，金屬的切削加工是最主要的加工方法。刀具和機床是金屬切削加工的兩個基礎工藝裝備。當前，金屬切削機床不斷發展，為我國現代機械制造業的發展提供了前提和保障，而金屬切削刀具也正隨著這種快速發展發生著變革。

一、我國機械制造業的現狀與刀具的發展

近年來，隨著國家經濟發展及產業結構調整，制造業獲得快速持續發展，總規模、總產量僅次于美國；出口已超過德國，達到世界第一位。但是我國的機械制造業仍然沒有擺脫“大而不強，大而不精”的狀況。除軍工產業外，民用產業仍處于低中端的生產行列，高精刀具和機床很大程度上還依靠從歐、美、日進口，對采用先進的加工技術、使用高效刀具提高生產效率降低成本的認識還存在誤區，從而制約了高效先進刀具的發展。

二、高效刀具的應用

現代切削技術和高效刀具是制造業提高生產力的重要保障，高效先進刀具是提高生產效率的最重要因素。以數控車床加工簡單軸類件統計：刀體價格在400-600元，刀片價格在50元/片，對于批量在10000件以上的產品生產為計，刀具成本大約為0.2元/件，班產為300件；而采用普通車床，使用普通車刀，刀具成本大約為0.1元/件，班產為200件。從批量、精度要求、加工技能要求等各方面綜合分析，最后使用刀體刀片將使成本降低15%。可見，使用高效先進的刀具加工效率遠高于使用普通刀具加工。

刀具材料是刀具開發與應用的基礎，對提高切削性能、切削效率起決定性作用。廣泛應用的刀具材料一般有：高速鋼（銑刀、鉆頭等）、硬質合金（合金鉆、鉸刀等）、超硬刀具材料（包括陶瓷、立方氮化硼、聚晶金剛石等，主要用于油氣鉆頭）。按照現代制造業刀具材料的發展趨勢，硬質合金材料正取代高速鋼材料成為主要的刀具材料，而超硬刀具材料的應用也是日益大幅增加。

三、常用超硬刀具

隨著機械制造業的發展，對刀具材料提出了更高的要求，如硬度高、耐磨性好、熱穩定性好、防蝕能力強、低線性熱脹率等，并開發出了新一代超硬材料的金屬切削刀具。

具有代表性的超硬刀具主要有金剛石刀具和立方氮化硼刀具。人造金剛石復合片（PCD）刀具及立方氮化硼復合（PCBN）刀具是兩種應用最廣泛的超硬刀具。一般可以實現鑄、鍛毛坯件的高速、高效加工和一次性完成粗、精加工；適用于高速、精密和自動化加工；適用于精密磨削，并可顯著提高磨削質量、磨削效率。目前，該類刀具被廣泛的應用在了冶金、石油鉆探、建筑工程、機械加工、儀器儀表、電子工業、航空航天以及現代尖端科學領域。

1.PCD金屬切削刀具

適用于有色金屬及耐磨非金屬材料的加工。刀具結構主要有焊接式和可轉位式兩種。

近年來，采用焊接式莫氏標準刀柄的PCD銑刀、鏜刀和鉸刀發展較快，其它也可采用圓柱刀柄和HSK刀柄。這種刀具的特點是切削刃對刀柄的跳動小，一般刃長為30mm的HSK柄PCD銑刀的切削刃跳動僅為0.002mm，適合于對各種有色金屬零件的面、孔、階梯孔等大批量高速加工。

可轉位式PCD刀片，通常裝夾在各種數控機床的刀體、刀桿、刀夾或刀盤上，適用于大批量加工。隨著數控機床的普及，可轉位式PCD刀片日益增多。一般只需做刀具的轉位緊固或刀片的更換就可重復加工，可大幅提升加工效率。

含硅量低于10%的鋁合金，用硬質合金刀具就可加工。當含硅量超過10%時，只能使用PCD刀具加工。目前，汽車發動機活塞采用的高硅鋁合金含硅量均在12%以上，有些超過18%。一汽發動機制造廠用PCD刀具精鏜硅鋁合金活塞銷孔，當采用V=160m/min、f=0.08～0.10mm/r、ap=0.05mm時，耐用度達42，500件，是硬質合金刀具的90倍；加工表面粗糙度Ra值由原來的1.6降為0.2；每班可減少裝調刀具等輔助時間30min，成本比硬質合金刀具下降約85%；用PCD刀具對氣缸體的主軸承孔進行珩鉸，代替珩磨，加工效率提高了數倍，且質量穩定。

2.PCBN金屬切削刀具

刀具結構也可分為焊接式和可轉位式兩種。

焊接式刀具，是將PCBN刀坯焊接在刀具的鋼基體上，再刃磨而成，主要有車刀、鏜刀、鉸刀等，多用于對耐磨黑色金屬的加工。通常其刀尖角不能過小，一般前角為-5°～5°，后角為3°～7°。刀具排削槽容易刃磨，斷續切削時可采用負前角。

轉位結構的PCBN刀片，主要有車刀片和銑刀片。考慮到刀坯較貴重及重磨等因素，一般只做成一個刀尖。隨著焊接工藝發展，其剪切強度可達0.8kg/m2。近年來PCBN刀坯尺寸越做越小，不重磨PCBN刀片的價格也隨之降低。

用PCBN刀具精車硬度高于45HRC的淬硬鋼效果非常好。切削速度在80～120m/min，切削深度在0.1～0.3mm，進給量在0.05～0.025mm/r，加工表面粗糙度為Ra0.3～0.6μm，尺寸精度可達0.013mm。采用剛性好的標準數控車床，使用PCBN刀具，精車表面粗糙度可達Ra0.3μm，尺寸精度可達0.01mm，相當于數控磨床加工水平。

用PCBN刀具加工滲碳淬火的20CrMnTi汽車變速箱同步器套撥叉，HRC58～62，切削速度V=150mm/min，進給量f=0.1mm/r，ap=0.2～0.3mm，刀具切削行程達到9.58km，以車代磨后，效率提高達4倍以上，加工成本降低為原來磨削工藝的1/3～1/2。

將經過特殊磨削的PCBN刀具用于超精密車床上，在切削深度為15～20μm、進給量為0.608μm/r轉的條件下，切削加工表面光潔度可達Rmax=0.0254μm。在一般精度數控車床上切削不銹鋼，也可獲得Rmax=0.2μm以內的表面粗糙度。

四、刀具涂層技術

刀具涂層技術對改善刀具的性能和提高切削加工技術具有非常重要的作用。一般是在刀片的基體上采用氣相沉淀法涂覆涂層，對于高速鋼刀具有M2（W6Mo5Cr4V2）、M35（W6Mo5Cr

4V2Co5）涂層，PVD鍍膜、氮化鈦復合涂層、CrN、TiCN等。

近年來，PVD刀具正處于高速發展階段。不同的切削加工條件，對刀具涂層薄膜的成分、結構會有不同的要求。在鋁合金等有色金屬和非金屬材料的加工上，為了提高效率，金剛石涂層得到較普遍的應用，其可轉位刀具和整體硬質合金刀具上都有使用。

隨著國家綜合實力的增強，國家對飛機、神舟系列飛船等重大項目的投入，機械制造、加工技術的不斷完善，制造超硬材料刀具的技術水平也將大幅度提高。新品種將不斷涌現，超硬材料刀具生產企業將形成自己的產品特色和市場定位。超硬材料刀具的應用領域將在汽車制造、航空航天等產業獲得更多的拓展。

參考文獻：

[1]王寶友 崔麗華（濰坊高等專科學校） 黃傳真 艾興（山東大學機械工程學院） 《刀具的發展與應用》 2001年

[2]《金屬切削手冊》.上海：上海人民出版社，1975.1 金屬切削原理與刀具/洪慧良主編，—北京： 中國老動社會保障出版社，2006高等職業技術學院機械設計制造類專業教材