超硬材料刀具在機(jī)械加工中的應(yīng)用研究

王建

（保定京鐵軌道裝備有限公司，河北 保定 071023）

超硬刀具材料，為天然金剛石、人造金剛石、立方碳化硼。天然金剛石價(jià)格昂貴，工廠加工制造以人造聚晶金剛石為主。立方碳化硼，是經(jīng)過化學(xué)加工的復(fù)合型材料。以超硬刀具材料研究可知，各項(xiàng)材料生產(chǎn)原料為國外進(jìn)口，國外金鉤成套材料合成設(shè)備、技術(shù)引進(jìn)，能夠促進(jìn)超硬刀具向材料機(jī)械化加工方向發(fā)展。

1 人造刀具材料種類與性能

在超硬刀具材料中，人造金剛石屬于應(yīng)用廣泛材料。金剛石加工制造，應(yīng)當(dāng)在低壓條件下，與單晶體金剛石不同。金剛石的硬度、耐磨度較高，屬于加工制造刀具的最佳材料。金剛石摩擦系數(shù)較低，并且與非鐵元素的親和力較差，傳導(dǎo)熱量能力大，切削操作會(huì)產(chǎn)生堆積屑沫。針對(duì)表面加工制作操作，表面加工質(zhì)量佳，能夠融合非鐵金屬材料。

金剛石物質(zhì)的韌性差，熱能穩(wěn)定性不足。在高溫狀態(tài)下，金剛石極易碳化，因此無法制作鐵制品。高溫狀態(tài)下，鐵原子、碳原子產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，極易產(chǎn)生石墨，使用此種材料加工鎳基合金切削時(shí)，會(huì)加劇金剛石磨損。

人造聚晶金剛石，被稱為金剛石燒結(jié)體，注重高溫、高壓加工處理，使用鈷金屬結(jié)合劑，將金剛石單晶體聚集為多晶體。人造金剛石硬度，明顯不及單體金剛石硬度，然而人造聚晶金剛石為隨機(jī)取向，和金剛石晶體聚合顆粒的屬性不同。因此，人造聚晶金剛石、單晶體金剛石，在晶體表面強(qiáng)度、硬度、耐磨損度差別大。加工切削處理中，切削刃對(duì)衣物外損壞不敏感，抗磨損能力強(qiáng)，可以確保切削刃耐磨度與鋒利度。機(jī)器加工處理中，承受高速運(yùn)轉(zhuǎn)、大作用力，使用壽命為普通硬質(zhì)刀具50倍。人造聚晶金剛石原料豐富，市場(chǎng)價(jià)格低廉，生產(chǎn)刀具硬度非常高，會(huì)延長(zhǎng)使用壽命，增加耐磨損系數(shù)，具備良好導(dǎo)熱性，且膨脹系數(shù)低。

聚晶立方碳化硼刀具，按照含有成分不同，可以將材料劃分為以下幾類：第一，聚晶立方碳化硼刀具，刀具硬度高，且耐磨性、耐熱性強(qiáng)，加工制造的化學(xué)穩(wěn)定性高，且導(dǎo)熱能力強(qiáng)，明顯降低摩擦系數(shù)數(shù)值。聚晶立方碳化硼刀具，和人造晶體金剛石刀具材料性質(zhì)、結(jié)構(gòu)相似，然而耐磨性不足，因此多應(yīng)用到冷硬鑄造零部件、加工制造淬硬鋼、噴焊材料。

2 超硬材料刀具在機(jī)械加工中的應(yīng)用

2.1 車削加工

鋼件車削加工處理中，加工淬硬鋼材料，必須合理應(yīng)用超硬材料刀具。在應(yīng)用期間，超硬材料刀具能夠以車代磨，同時(shí)確保切削深度大于磨損高度。車削加工，可以提升加工效率，降低成本費(fèi)用。比如，45HRC淬硬鋼加工處理時(shí)，通過PCBN刀具車削加工，確保切割速度在80-120m/min。工建硬度持續(xù)增加，能夠降低加工速度。

2.2 銑削加工

銑削加工鋁合金時(shí)，通過PCD材料制造硬質(zhì)材料刀具。應(yīng)用期間，加工速度高達(dá)每分鐘4000m，縮短加工制造時(shí)間。國內(nèi)工藝加工鋁合金時(shí)，應(yīng)用PCD刀具，能夠使加工速度達(dá)到每分鐘4012m。玻璃深加工處理時(shí)，廣泛應(yīng)用PCD螺旋內(nèi)排液面銑刀。

2.3 鏜削加工

分析當(dāng)前發(fā)展可知，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔的鏜削加工，開始廣泛應(yīng)用PCBN刀具。應(yīng)用PCBN刀具，主要應(yīng)用聚晶立方氮化硼材料，延長(zhǎng)使用壽命，尺寸穩(wěn)定性強(qiáng)，且加工精度、生產(chǎn)效率高。鎢硬質(zhì)合金汽缸鏜削加工，應(yīng)用CVD刀具。切削速度為每秒0.5m，深度達(dá)到0.12mm，可以同時(shí)加工多個(gè)零部件。

2.4 拉削加工

在應(yīng)用拉削加工技術(shù)時(shí)，以復(fù)合式漸開線跳齒內(nèi)孔材料刀具，應(yīng)當(dāng)接受工件孔加工處理。使用該類硬質(zhì)材料刀具時(shí)，具備以下特點(diǎn)：第一，應(yīng)用該刀具，利用合理刀齒結(jié)構(gòu)、跳齒排布方式加工。采用此種方式，能夠保證加工質(zhì)量，簡(jiǎn)化加工制造工藝。與普通加工方式相比，使用該類刀具加工時(shí)，無需耗費(fèi)大量成本。第二，應(yīng)用該類刀具拉削加工時(shí)，能夠保證工件內(nèi)孔形面同軸度。此種加工效果，可以為后續(xù)加工提供便利性。

2.5 鉸削加工

針對(duì)硬鑄件小孔、淬硬鋼鉸削加工時(shí)，應(yīng)用PCBN電鍍較刀。分析當(dāng)前應(yīng)用可知，此類刀具被廣泛應(yīng)用到機(jī)械加工中。針對(duì)加工材料，PCBN電鍍較刀以45#鋼材料為主，刀具具備前后、切削導(dǎo)向。分析設(shè)計(jì)可知，刀具制造精度高，前后導(dǎo)向切削小于0.04mm。同時(shí)，刀具工件孔深不足切削區(qū)長(zhǎng)度，比如淬火鋼工件加工處理時(shí)，由于其加工精度要求高，能夠可以通過PCBN電鍍鉸刀加工，代替珩磨加工處理，便于提升加工效率與質(zhì)量。

2.6 鉆削加工

石材、玻璃、陶瓷鉆削加工時(shí)，應(yīng)用PCD鉆頭。分析目前應(yīng)用可知，大部分玻璃店、玻璃加工廠企業(yè)，都采用PCD鉆頭進(jìn)行鏡子孔、玻璃加工。市場(chǎng)常見金剛石鉆頭直徑，在3～130mm之間。分析材質(zhì)可知，玻璃鉆頭不僅具備樹脂金剛石材料，提升鑲嵌金剛石材料。應(yīng)用此種刀具，注重陶瓷與石材加工，不僅可以提升應(yīng)用效率，還可以獲得良好加工效果。同時(shí)，導(dǎo)電材料圓柱孔、特型孔、圓錐孔加工中，也可以應(yīng)用金剛石刀具。

3 超硬材料刀具在機(jī)械加工中的應(yīng)用實(shí)踐

3.1 技術(shù)要求

活塞環(huán)槽，在活塞加工中屬于重要工序，加工質(zhì)量?jī)?yōu)劣，對(duì)活塞、活塞環(huán)選配質(zhì)量的影響大。在加工處理中，活塞環(huán)槽寬度較大，就會(huì)加大活塞環(huán)邊間隙應(yīng)用，不滿足刮油需求，還會(huì)造成泵機(jī)油問題，引發(fā)燒機(jī)油現(xiàn)象。當(dāng)活塞環(huán)槽寬度窄小，則會(huì)導(dǎo)致活塞環(huán)無法置入環(huán)槽內(nèi)，活塞環(huán)放置到槽內(nèi)，活塞環(huán)邊間隙小，致使活塞環(huán)卡死。活塞工作期間，不會(huì)產(chǎn)生彈性膨脹，不能保障密封效果，對(duì)活塞運(yùn)行造成影響。在內(nèi)燃機(jī)鋁活塞技術(shù)中，活塞環(huán)加工工藝要求如下：第一，活塞環(huán)槽上下兩平面，素線對(duì)裙部軸線垂直度為25:0.07。第二，活塞環(huán)上下平面度，必須滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。第三，活塞環(huán)上下兩平面，對(duì)裙部軸線斷面圓跳動(dòng)為0.005m。

3.2 加工工藝

在加工制造中，活塞環(huán)槽加工精度要求高。因環(huán)槽加工尺寸小，所以使用車刀加工處理時(shí)，無法一次性加工完工。首先開展粗加工，獲得粗車環(huán)槽。定位基準(zhǔn)面精加工，之后開展環(huán)槽精加工。活塞加工處理中，以流水作業(yè)方式為主，因此流水加工又被稱為粗加工、細(xì)加工。遵循加工目的，精車環(huán)槽工序被稱為半精車、精車工序。半精車工序作用，在于減少精車加工工序余量，保證精車加工操作時(shí)，兩側(cè)余量均勻性強(qiáng)。活塞環(huán)槽加工操作時(shí)，主要為2-4道氣環(huán)槽類型，同時(shí)包含油環(huán)槽。其中，氣環(huán)槽寬度為1.5～3mm，深度為3～5mm。油環(huán)槽寬度為3～5mm，深度為3～5mm。

加工處理期間，環(huán)槽質(zhì)量要求如下：第一，環(huán)槽寬度誤差小于0.002mm。第二，環(huán)槽側(cè)面粗糙度為Ra0.4-0.8，底部表面粗糙度為Ra1.63.2。第三，環(huán)槽兩側(cè)面、裙部軸線垂直度，必須滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。第四，環(huán)槽兩側(cè)面波紋度，應(yīng)當(dāng)滿足安裝需求。環(huán)槽加工處理時(shí)，由于加工精度要求高，環(huán)槽寬度尺寸小。所以加工處理期間，需要應(yīng)用環(huán)槽間隙尺寸一致成型車刀。

3.3 環(huán)槽切削過程特征

分析上文可知，環(huán)槽加工操作時(shí)，涉及到粗加工、精加工工序。粗加工處理時(shí)，保證環(huán)槽預(yù)留充足加工余量，單側(cè)預(yù)留0.4mm，槽底半徑預(yù)留0.35mm。精車加工時(shí)，按照半精車、精車工序，半精車單側(cè)預(yù)留0.1mm。

第一階段切削操作時(shí)，進(jìn)給量、吃刀量小，切削多為帶狀形，切削輕快，且排屑通暢。第二階段切削時(shí)，車刀應(yīng)當(dāng)切除后環(huán)槽預(yù)留側(cè)面、底部余量，車刀會(huì)受到環(huán)槽三面擠壓影響，因此車刀刀尖位置受力變形復(fù)雜，該階段的切削力比較大。同時(shí)，擠壓力增加，會(huì)提升切削溫度。在切屑操作中，切削層橫向膨脹變形，切屑堵塞在環(huán)槽兩側(cè)，影響排屑通暢性，從而出現(xiàn)振動(dòng)問題。盡管第二階段切削操作，產(chǎn)生帶狀切屑，排屑時(shí)會(huì)受到阻力影響，因此排屑為C型屑。

3.4 刀具設(shè)計(jì)

環(huán)槽刀具寬度精度，對(duì)環(huán)槽加工寬度與精度影響大。在加工處理中，刀具磨損度小，但是也會(huì)對(duì)環(huán)槽加工寬度精確度造成影響。槽刀磨損后，會(huì)減小寬度，刀具減少速度，與刀具幾何參數(shù)的關(guān)系密切。聯(lián)合實(shí)踐可知，刀具副偏角、副后角，和刀具寬度減少速度相關(guān)。在應(yīng)用期間，為了降低刀具幾何參數(shù)對(duì)速度的影響，需要減小副偏角、副后角值，且副偏角范圍為（15′±5′），副后角為2～3°。

4 結(jié)語

綜上所述，在加工工藝中，超硬材料可以通過車削代替磨削。超硬材料生產(chǎn)制作刀具，耐用度較高，且綜合成本低廉，因此超硬材料被廣泛應(yīng)用到機(jī)械冷加工制造中。