超硬材料刀具在機械冷加工中的應用

李欽慶 匙江濤 張春明 彭樂云 孫志杰

（濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊261000）

0 引言

在機械冷加工的過程中，刀具的質量直接決定了加工效果。隨著科學技術的不斷發展，材料的質量與性能正在逐漸提升，使得其加工難度不斷提高。在這種復雜的加工生產制造情況下，超硬材料刀具的應用愈發廣泛，也顯得愈發重要。此外，超硬材料刀具的應用不但可以提高機械加工的效率，還能為產品的質量提供保障，并降低加工生產制造的成本。由此，相關人員需加強對這一內容的研究，為機械行業的穩定發展奠定基礎。

1 超硬材料刀具的概念及發展概述

在當前的機械加工過程中，為提高刀具的質量與使用性能，許多生產廠家會使用金剛石、氮化硼等材料來制作刀具。但在實際的制作過程中，由于天然金剛石數量稀少、人造金剛石造價昂貴，使得其無法快速滿足市場的大規模需求。在這種情況下，氮化硼成為當前制作超硬刀具的主要應用材料[1]。其不僅具備成本低廉的特點，且加工流程較簡便易操作。在機械加工領域很早就有通過立方氮化硼來進行刀具加工的實戰案例，雖然當時的實驗結果并不能完全滿足今天的應用需求，但隨著人們研究的不斷深入，科學家們在分析立方氮化硼性能的過程中又發現了其復合片，并將其與金剛石微粉在高溫高壓的環境下進行結合，從而制作，性能良好的刀具，緩解了超硬刀具原材料緊張的問題。我國針對超硬材料的研究起步較早，但在各方面因素的影響下，使得其研究進展較緩慢。

2 超硬材料刀具的種類與性能分析

2.1 金剛石CVD材料

CVD材料主要通過低壓等條件經由生產人員制備而成。金剛石作為目前已知硬度最高的材料，不僅具備極高的耐磨性，顯微硬度也達到了10 000 HV。同時，該材料的摩擦系數較低，且具有較高的熱導率，可以利用其對金屬及非金屬材料進行高效加工[2]。然而，這種材料也存在著缺陷，如與非金屬材料的親和力較差，在切屑時很容易出現流出現象。而且多數金剛石的韌性較差，熱穩定性較低，在使用過程中容易出現碳化的現象。這使得該材料不宜被用于對純鋼鐵材料的加工處理。

2.2 人造聚晶金剛石

人造聚晶金剛石又被稱為PCD，這種材料主要是將金剛石放置于高溫高壓的條件下制備而成，并采用金屬結合劑將其與其他多種金剛石的單晶粉相結合，從而完成聚晶過程。與天然金剛石相比，PCD硬度較差，但具有更高的聚合度，使得其在切削過程中不會受到過于嚴重的損壞[3]。工作人員通過利用這種材料制作成的刀具可以對材料的形式進行控制，具有較高的耐磨性。此外，這種材料具有較為廣闊的材料來源渠道，且造價較低，得到了各企業及生產人員的推崇和青睞。由此，利用PCD制作而成的刀具在我國機械加工領域具有非常廣泛的應用范圍[4]。

2.3 聚晶立方氮化硼

目前針對碳化硼的應用主要有刀具、復合片及電鍍等三種方向。與其他材料相比，氮化硼的制備較為簡單，且具有較強的硬度及耐熱性[5]。同時，根據其實際的應用表現來看，該材料的穩定性及導熱性的效果較為突出，摩擦系數也相對較低。此外，雖然這種材料的耐磨性不高，無法與PCD等材料相媲美，但其卻具有較好的抗腐蝕性，這使得經由氮化硼制作的刀具常被應用于萃取加工過程中。

3 超硬材料刀具在機械冷加工中的應用

3.1 車削與銑削加工

首先，車削加工的對象主要為淬硬鋼等硬度較高的材料，工作人員通過刀具對其進行加工處理，使其滿足加工生產制造需求。而超硬材料的使用可以進一步提高鋼件的打磨效果，并對切削的深度進行適當的擴大。同時，超硬材料的應用還可以促進加工效率的提高，最高可以提升至4倍，而所需的成本僅為之前應用的80%左右，大規模的降低了生產制造過程中的成本。如在處理淬硬鋼的過程中，由于淬硬鋼的強度超過45HRC，使得工作人員需利用PCBN對其進行深度處理，在保障加工效率的基礎上提升對該材料的處理效果。

其次，在開展銑削加工的過程中，工作人員普遍使用PCD材料制作而成的刀具進行加工。在加工生產制造過程中刀具的運轉速度最高可達到4 000 m/min，使施工效率得到了廣泛提升，達到了快速提高生產能力的效果。同時，該類材料也能被用于玻璃等材料的加工生產制造過程中，有助于加工效率的快速提升，滿足其產能要求。

3.2 陶瓷材料加工

現如今，陶瓷材料在工業生產過程中的應用十分廣泛，其能夠對金屬等材料進行替代，不但可以促進加工效率的快速提升，還能使生產制造過程中的安全性得到充分保障。在實際應用過程中，工作人員需要在其表面對粗糙度等參數進行標識，以便后續生產過程的進一步開展。然而，由于陶瓷材料的硬度較高，使得工作人員需利用超硬材料來進行加工，只有這樣，產品質量才能得到充分的保障。

3.3 鐵氧體材料加工

鐵氧體材料是我國工業生產行業中重要的電子元件，在對該材料進行加工的過程中，超硬材料刀具的應用較為廣泛。這種部件的應用不僅可以有效提高加工效率，還能實現節能節材的工作目標，有助于降低廢品的出現概率，達到全面提升產品質量的生產目的。此外，人工合成的寶石、水晶等材料的加工也均應用超硬材料刀具來完成，能夠有效減少加工生產制造流程中對環境的影響，并減輕工人的勞動強度，進而促進工作效率的快速提升。

3.4 鉸削與鉆削加工

鉸削加工主要用于對硬鑄件或淬硬鋼等材料的加工。通常使用PCBN的電鍍鉸刀來完成。這類刀具的制作材料以鋼材為主，并設置了前后導向，因此在機械加工領域廣泛應用。同時，在制作刀具的生產過程中，相關人員需保證刀具中每一部位的制作效果都能滿足相關標準要求，且保證精度，以此來確保刀具的質量。以淬火鋼工件為案例，由于該類材料的硬度為45HRC，且對工件精度的要求較高。因此，工作人員在加工生產制造過程中可以利用電鍍鉸刀來代替原有的研磨加工。

鉆削加工的對象主要為陶器、玻璃等非金屬材料常用工具為PCD鉆頭。現如今，大部分玻璃生產企業均會在玻璃制作完成后利用金剛鉆對其進行打磨。而其在玻璃加工過程中使用的金剛鉆直徑不一，需根據實際的加工需求來進行實時選擇。且鉆頭材料常為樹脂金剛石。

4 結語

在當前的機械加工生產制造過程中，超硬工具材料刀具的應用可以為加工效率及產品質量提供保障，有助于促進企業的經濟發展，大幅度降低生產制造成本，增加企業利潤。因此，操作、工藝、管理等人員需加強對這一材料應用的深度研究，積極對刀具的性能進行優化，以滿足企業的生產加工需要。本文對超硬材料刀具在機械冷加工中的應用進行研究，通過對超硬材料的種類與性能進行分析，提出了其在車削與銑削加工、陶瓷材料加工等方面的應用，對我國機械行業的發展有著重要的促進作用。