我國機械制造業中超硬材料刀具的實際應用狀況分析

摘要：

機械制造業是—個國家工業立足的根本，是經濟發展的重要支柱，超硬材料在機械加工中更是起著重要作用。好的刀具要有極高的硬度和柔韌性，尤其是隨著高速加工技術、干式切削等技術的運用，對刀具的要求越來越高。本文通過對我國機械制造業的現狀進行分析，簡述超硬刀具在現代化工業加工中的性能和種類，以及在車削、銑削、鏜削、鉆削等機械加工中的實際應用，綜合分析超硬材料刀具在機械制造中的重要性。

我國現代化機械行業加工技術中，超硬材料刀具的應用越來越廣泛，在工業加工中所占重要性也越來越高，金屬切削機床給機械制造提供了很大的平臺和保障。

1.我國機械制造業的現狀

近年來，我國機械制造業的發展較為迅速，在規模和產量方面僅次于美國，出口量已經達到世界首位。而在質量上，還有所欠缺，民用產業還位于中低端階段，高精刀具多數從外國進口而來，在加工技術上限制了刀具的發展。

超硬刀具材料指的是天然金剛石、人造金剛石和立方氮化硼（CBN）幾種材料，然而受到價格方面的限制，當前人們所采用的超硬刀具多數為聚晶立方氮化硼（PCBN）和人造聚晶金剛石（PCD）等材料。

2.超硬材料刀具的種類和性能分析

當前我國機械制造工業中所用超硬刀具材料中的人造金剛石多數在低壓狀態中制造而成，相比較大單晶金剛石，其在硬度和耐磨性上都有所提高，其顯微硬度可以達到10000 HV，在刀具材料中最硬。同時因其摩擦系數小，和其他金屬沒有親和力，故而，切屑很容易流出，熱導率高，切面質量好，切削時不易形成屑瘤，可以對陶瓷、銅、鋁等金屬和非金屬材料進行加工。金剛石的缺點在于熱穩定性低和韌性差，溫度達到700～800℃時易被碳化，在加工鋼鐵材料時易受到限制，同時高溫下鐵原子會和碳原子結合從而轉化成石墨，改變了物理性質。在硬度上切削鎳基合金材料時，也會迅速磨損。

聚晶立方氮化硼刀具從制造方法上可分為聚晶立方氮化硼復合片、電鍍立方氮化硼和整體聚晶立方氮化硼三個類型，其耐磨性和硬度上都有所保證，導熱性能和耐熱性能上均比PCD強，表現出良好的抗腐蝕性，同時其摩擦系數也比較低，在1200℃下依然能表現出良好的熱穩定性，此材料更適合用在加工淬硬鋼、噴焊用材和冷硬鑄件等方面。

人造聚晶金剛石PCD的硬度比天然單晶體金剛石低，但其金剛石晶體聚合各向同性，不會出現不同晶面的強度、耐磨度及硬度上有太大區別的現象。在切削中，切削刃的耐磨能力較強，可長時間進行加工，在使用高速切削和大力度切削狀態下，其使用壽命較wC基硬質合金刀具而言，高出10～50倍，PCD刀具有高硬度、長壽命、低摩擦、良好的熱導性和低膨脹性等特點，已逐漸形成WC基硬質合金刀具的替代材料。聚晶金剛石復合片PCD的材料來源范圍廣、價格較低，且該材料的韌性較好，同時和PCD之間還有某種兼容性和可焊性。

3.超硬材料在機械制造業中的應用

在現代切削技術加工中，主要應用刀具材料為PCD和PCBN，這類材料可以完成鑄鍛毛坯的高速加工、粗精加工等，運用在精密磨削中可以提高磨削的質量和效率。其應用范圍廣泛，可用于冶金、建筑工程、機械加工、石油勘探、工業加工、儀器儀表、電子工業、軍事加工、航空航天等領域。

3.1PCD金屬切削刀具

PCD刀具結構主要分為焊接式和可轉位式。近年來，我國工業刀具在焊接式方面發展較快的有莫氏標準刀柄的PCD銑刀、鏜刀和鉸刀，還有圓柱刀柄HSK刀柄，此類刀具的特點是切削刀刃對所用刀柄的跳動影響小，其長度為30ram的HSK柄PCD銑刀跳動為0.002mm，在切削有色金屬的面、孔和階梯孔上可以高速加工。

對于可轉位式PCD的刀片，常用在數控機床的刀體、刀桿、刀盤或者刀夾上。在平常的應用中，只需對刀具轉位緊固、或更換刀片等便可進行反復加工，提高加工效率。

受到硬度限制，對于含硅量低于10%的鋁合金，硬質合金刀便可加工，當超出10%時，只能采用PCD刀具進行加工。目前我國汽車發動機活塞采用的材料是高硅鋁合金，其含硅量范圍在12%-18%。一汽發動機精鏜硅鋁合金采用PCD刀具進行削孔，相關數據顯示，當使用V=160m/min、f=0.08～0.10mm/r、ap=0.05mm加工時，可加工42500件，比硬質合金刀具高出90倍，零件表面粗糙度也有所下降，從原來的1.6降為0.2，同時節省了調刀時間，成本相較于硬質合金刀具下降85%。

3.2PCBN金屬切削刀具

轉位結構PCBV刀具有車刀和銑刀，其剪切強度可達到0.8kg/m2。焊接式刀具有車刀、鏜刀、鉸刀等，在黑色金屬加工中多有體現。其刀尖角度常為前角-5°～5°，后角3°～7°。

用PCBN刀具精車高于45HEC的淬硬鋼效果十分明顯。將其參數設置為：切削速度80～120m/min、進給量0.05～0.025mm/r、切削深度0.1～0.3mm，材料加工表面粗糙度能達到Ra0.3～0.6um，尺寸精度達0.013mm。將其用在標準數控車床上，精度可達到0.01mm，粗糙度可達到Ra0.3um。

當超精密車床上使用PCBN刀具，切削深度設為15～20um，進給量設為0.608um/r，其表面光潔度能達到Rmax=0.0254um，切削不銹鋼（，）其表面粗糙度也可達到Rmax≤0.2um。

4.結語

本文只從刀具方面討論其應用，在刀具加工方面，超硬材料可用于金屬材料的加工、鐵氧體材料加工、半導體材料加工、電氣材料加工等，超硬材料刀具的發展對機械制造行業的加工質量和效率均有著重要的影響。在今后的發展中將奔著高效、高速、高質量、低成本的方向研究，以便更好地滿足市場發展的需求。