超硬材料刀具在機械加工中的應用

楊海 劉濤

摘要：最理想的道具材料應該不僅有很高的硬度，還要有極高的韌性，而在應用高速加工技術、切削技術等，使道具材料在技術上有更高的要求，使超高道具材料獲得廣泛的應用。本文基于我國超硬材料道具在機械冷加工中的使用，在機械冷加工中使用此材料，用車削代替密削。因為超硬材料刀具的耐用性極高，成本相比較低，使機械冷加工中使用此刀具材料將更加廣泛。

關鍵詞：刀具材料;超硬材料;金剛石;刀具應用

引言：

我國超硬刀具應用材料的研究和使用開始在20世紀70到90年代后，有不少超硬材料生產廠從國外引進了成套的超硬材料合成設備技術，使產品生產量大大提高，我國躋身于超硬材料的大國中。刀具是機械加工中的必要工具，而好的刀具需要有很強的硬度和韌性。就當前來看，大部分超硬性刀具均是利用人造金剛石這類的復合材料制作而成，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，由于其摩擦系數小，和非鐵金屬沒有親和力，導熱率良好，切削時不會有積屑產生，加工的表面可保持良好的質量，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合材料。其缺點是韌性差，沒有很好的熱穩定性。在700～800攝氏度時極易發生碳化，所以不適用在加工鋼鐵材料中。主要由于當處于高溫中的碳原子很容易和鐵原子發生反應，進而轉化為石墨。

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。雖然硬度沒有單晶體金剛石高，但是由于是隨機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度和硬度以及耐磨性。在進行切削時對意外損壞情況不會很敏感，抗磨損粒也更強，能夠長時間有鋒利的切韌。在進行加工時能使用很快的切割速度以及很大的背馳力量，相比WC基硬質合金刀具有更高的使用時間。同時，PCD原材料的來源十分豐富、價格低廉，導熱性高切低膨脹系數低，已經代替了WC基硬質合金刀具，在加工鋁合金類的非鐵材料上有很高的生產率和可靠性。而聚品金剛石復合片PDC刀具的基體材料是在PCD的基礎上制造而成的。因此有很好的韌性和硬度，不但有金剛石的硬度與耐磨性，也有硬質合金的韌性與可焊接性等優點。

2.超硬材料刀具在機械加工中的使用

2.1車削加工

車削加工過程中，加工硬鋼原料時需要進行超硬材料刀具的使用。在具體的使用中此材料能夠實現用車代替磨的應用效果，使切削的深度比磨削的高度超幾十倍之高。同時也可以將加工效率提升4倍以上，而成本則降低到原來的20%。比如，在硬度高于45HRC 的粹硬鋼加工改造時需要使用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，保證加工的質量。如圖（1）是車削技術加工：

當前在汽車發動機缸孔中的鏜孔加工上PCBN刀具獲得十分多的應用。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，有穩定的尺寸、加工精度高且生產效率極高等優勢。另外，在塢硬質合金汽缸鏜削加工中使用CVD刀具，保持切割速度在0.5m/s，深度達到0.12mm，同時一次能獨立完成對八個零件的加工[2]。

2.3陶瓷材料的加工

作為一種先進的產品，新陶瓷材料作為金屬和WC的代替材料得到在工業上的應用，金屬墊陶瓷刀具材料的力學性能和材料的晶粒大小有密切關系。而工程的陶瓷產品必須在其表面有很好的粗糙度和精準的尺寸差，但是因為這些陶瓷產品有較高的強度、抗磨損性，用一般的加工方法很難達到要求，因此需要使用超硬的材料進行加工，也是一種很科學經濟的方法。

2.4鉆削加工

在對陶瓷、玻璃等材料進行鉆削加工時可用PDC鉆頭。從當前的狀況看，大部分玻璃店以及加工企業都是用PCD鉆頭對玻璃和鏡子進行加工。在我國市場中最常見的金剛石鉆頭是直徑為3mm到130mm之間[1]。從材質來看，玻璃鉆頭有樹脂金剛石等各種材料。使用此種刀具對石材進行加工可以確保工作的高效率和很好的加工效果。另外，對導電材料的圓柱孔和園錐孔加工上金剛石同樣有很高的應用。

2.5半導體材料的加工

半導體在遇到硬、脆這種價值極高，而計算機技術的規模化對硅片的精密度有更嚴格的要求。使用傳統的金屬工具已經不能滿足需要，必須改用有超硬材料的磨具。

3.結束語

機械加工的不斷發展使以往的金屬加工刀具已經不能滿足現代加工技術的需要。而使用超硬材料刀具有較高的質地，能對各種材料進行加工，對機械加工的加工質量和加工效率有關鍵作用，因此在機械技工使用方面取得廣泛的應用。對此需要有關人員充分考慮到超硬材料刀具在機械加工中的使用問題，對其有深入的了解，從而更好的掌握有關加工技能，進而讓機械加工有更高的質量。

參考文獻：

[1]孫慶志. 超硬材料刀具在機械加工中的應用[J]. 科技創新導報， 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械加工中的應用[J]. 山東工業技術， 2015（14）：17-17.