硬脆材料加工中超硬刀具的應用

陳 泉

（肇慶市技師學院，廣東 肇慶 526060）

隨著科學技術的發展，對機械產品的制造精度、加工質量、生產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。因而超硬刀具在現代制造加工中逐漸地被開發應用。例如：用硬質合金刀具加工花崗巖時，在幾秒鐘內刀刃就被堅硬的花崗巖摧毀；再用聚晶金剛石刀具加工時，刀刃就可以保持完好。用硬質合金車刀加工冷硬鑄鐵時，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；采用復合氮化硅陶瓷刀具切削時，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過磨削加工，因而生產效率很低；而采用立方氮化硼刀具就可實現高效率的車削或銑削。實踐證明：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量、提高生產效率，還能夠提高刀具的耐用度。因此應根據超硬刀具材料的性能、特點，以及在硬脆材料中的應用進行具體的分析，使超硬刀具在以后的發展中能夠得到更好的應用，以促進經濟的發展。

一、超硬刀具材料的發展

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和聚晶立方氮化硼以及它們的復合材料。

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

二、超硬刀具的性能和特點

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，它具有很高的硬度和耐磨性，是刀具材料中的最硬的材料。金剛石的摩擦系數小、熱導率高，在進行切削時表面不容易積屑瘤，使加工的表面質量好，適用于加工硬度較高的硬質合金、陶瓷、玻璃等材料。然而，由于金剛石與鋼鐵材料具有化學親和作用，在高溫下鐵會使碳原子轉化成石墨結構，從而使性能變得不穩定，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，同樣也會出現迅速磨損的情況。

人造金剛石是在高溫高壓下，通過結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度、硬度以及耐磨性都有很大的區別。人造金剛石在切削時抗磨損能力較強，壽命要比一般的刀具長。另外，由于價格比天然金剛石低很多，又具有摩擦系數和膨脹系數較低的特點，因此，人造金剛石刀具已成為傳統的高性能硬質合金刀具的替代品。

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，同時還具有良好的耐熱性、化學穩定性和導熱性。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腐蝕性，在高溫下也具有良好的熱穩定性。

三、超硬刀具在硬脆材料加工中的應用

1 金剛石在硬脆材料切割技術加工中的應用

硬脆性材料加工切割技術一共分為三種，即圓片鋸、帶鋸以和線鋸。金剛石在硬脆材料加工切割技術中，通常被用作金剛石帶鋸，而金剛石帶鋸常常被應用在生產花崗巖和大理石板材機械設備中，特別是在生產大尺寸板材中應用非常廣泛。但是，由于金剛石框架鋸工作時鋸條需要進行往復運動，而金剛石燒結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中，金剛石線鋸也有很好的應用，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，優點是切割縫隙小、原材料的利用率高。用金剛石線鋸切割硬質合金，能使硬質合金的邊緣部分不破損，和砂輪切割相比，對脆性晶體切片效果好，而且當線鋸碰到工件時，會馬上停止工作。由于金剛石線鋸切割時溫度較低，用來切割容易炸裂的材料時也不會引起崩碎。

金剛石串珠鋸是近十幾年發展起來的一種切割工具，以其準備時間短、切割靈活、噪聲低、粉塵少、低污染和節能等特點，在大型建筑的構件拆遷工程中得到成功應用。這種切割工具主要應用在建筑物、橋梁和混凝土結構中的拆除和改造，同時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械特性，和傳統的磨料相比，金剛石串珠鋸具有很多優良特性，在切割硬脆材料時，不僅能切割直面，還能切割曲面，在切割板料時，可以利用多道串珠鋸進行切割，因此切割的效率非常高。但是，由于受串珠直徑的限制，切割時的切縫較寬，對細微結構和貴重材料的加工不適宜使用這種技術。

圖1 刀具磨損曲線1

圖2 刀具磨損曲線2

2 超硬刀具在硬脆材料切削加工技術中的應用

硬脆材料的切削加工技術主要有干式切削、濕式切削、低溫冷風切削、高速切削加工技術等。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金剛石刀具的切削性能非常好，除加工效率高以外，燒結后再磨削的成本也很低。

3 超硬刀具在金屬材料加工中的應用

超硬刀具在金屬材料加工中，可以進行一次性粗、精磨削，特別適用于硬質合金制品以及難磨材料的加工。利用超硬材料代替傳統的碳化硅和剛玉磨料，可以避免加工過程中對金屬材料的表面造成燒傷或出現微裂紋，同時還可以解決工件邊緣缺口和變質層過深的問題，達到節約磨削成本和提高質量的目的。

用復合式漸開線跳齒內孔超硬材料拉刀加工工件孔，有兩大優點：

（1）由于能夠可靠保證工件內孔各形面間的同軸度，因而可以后續加工工序中統一用小徑圓面作為定位基準，大大方便了后序定位心軸和檢驗心軸的制作，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隙的刀齒結構，保證了拉刀的制造質量，且制造方便，成本幾乎和普通復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，各種加工可以通過超硬材料來實現目的。

四、實例分析

采用金剛石復合刀片以及立方氮化硼復合刀片，車削淬硬工具鋼，刀具參數如下：

切削用量如下：

f=0.05mmap=0.1mmV=84m/min。刀具磨損曲線如圖1所示。

采用Si3N4基復合陶瓷刀片以及硬質合金YM053刀片切削T10A，刀具參數如下：

切削用量如下：

f=0.05mm ap=0.1mm V=44m/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）復合刀片加工淬硬鋼效果很好，相比之下，用金剛石復合刀片（PCD）切削淬硬鋼效果甚差。硬質合金和陶瓷刀片在較低的切削速度（V=44m/min）下切削T10A，刀具耐用度顯著低于CBN刀具。

結語

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以及在硬脆性材料加工中的應用，對超硬刀具在以后的發展中的有著重要作用，應對超硬刀具應用范圍和技術進行進一步的推廣。在超 硬刀具的材料當中，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，應進行深入的研究。發揮超硬刀具材料在制造刀具方面的潛力，促進超硬刀具在以后的加工中得到更好的應用和發展。

[1]王繼明.淺談超硬材料刀具在機械加工中的應用[J].黑龍江科技信息，2011（18）：31.

[2]張寶國. 超硬刀具在鋁合金活塞加工中的應用與發展[J].制造技術與機床，2011（09）：151-154.