切削刀具的发展

(3) PCBN刀具的应用
轧棍 汽车工业 重型机械 泵业 轴承齿轮 航空航天 其他
车削
镗削
端铣
PCBN刀具应用领域分布
六、涂层刀具
单涂层 渡层) 厚度: (0.5～50 m) 10 m) 多涂层(纳米结构) 厚度: (～100nm) 超硬涂层 层 (CVD－DP/BN) 墨等)
多涂层(带中间过 厚度: (0.5～ 梯度涂层
(2) PCBN刀具的应用
PCBN刀具非常适合于干式切削、硬态和高速切削加工工艺 ，特别适合数控设备及自动化生产线的使用。 PCBN刀具适合加工的工件材料有：
(1) 硬度 在 HRC45 以上的 淬 硬钢和 耐 磨铸铁 ( 如 ：淬硬钢
HRC45-65、轴承钢 HRC60-62、高速钢 HRC＞62、工具 钢HRC57-60、冷硬铸铁等)； (2) HRC35以上的耐热合金(高温合金、热喷涂材料、硬质合 金等)；
切削刀具的发展
切削刀 具材料 切削刀具切削刀具 金刚 立方氮 涂层刀具陶瓷刀具
的发展简应具备的 石刀
的种类1 史 硬质合 金刀具
2
性能
3
具
4
化硼刀 具
5
6
7
高速钢 刀具
切削刀具 的发展展 望
8
9
1 0
一、切削刀具的种类
1. 按刀具材料的成分可分为： 金刚石刀具（Diamond） 立方氮化硼刀具 (Cubic Born Nitride ) 陶瓷刀具 (Ceramic Tools) 硬质合金刀具（Cemented Carbide Tools） 高速钢刀具 (High Speed Steel) 碳素和合金工具钢 (Alloy Steel)
一、切削刀具的种类
2. 按加工方式可分为： 车刀 (Turning Tools) 孔加工刀具 (Drilling Tools) 铣刀 (Milling Tools) 齿轮刀具（Gear Cutting Tools） 成型刀具 (Formed Tools）
其它刀具 (Other Tools)
(1) 金刚石刀具的性能特点
4. 刀刃非常锋利：金刚石刀具的切削刃可以磨得非常锋利， 天然单晶金刚石刀具刀刃钝园半径可达纳米，能进行超薄 切削和超精密加工。 5. 具有很高的导热性能：金刚石的导热系数为硬质合金的 1.5-9倍，为铜的2-6倍。由于导热系数高，切削热容易散 出，切削温度低。 6. 热胀系数低：金刚石的热胀系数比硬质合金小几倍，约为 高速钢的1/10。因此，金刚石刀具不会产生很大的热变形 ，这对尺寸精度要求很高的精密加工刀具来说尤为重要。
一、切削刀具的种类
3. 按刀具结构可分为： 整体刀具 焊接刀具 可转位刀具 其他刀具
二、切削刀具的发展简史
18 世纪后期，碳素工具钢刀具，耐热温度为 200 ℃，切削
速度 6-10m/min，加工瓦特蒸汽机气缸孔和端面， 需要
大约1个月时间。
1861年英国人首先制备出合金工具钢刀具，耐热温度达到
PCD 原料来源丰富，价格只有天然金刚石的十几分之一， PCD应用远比天然金刚石刀具广泛。
大多数 PCD刀片都是与硬质合金基体烧结而成的复合刀片， 即在硬质合金的基体上烧结一层约0.7mm厚的PCD，这种刀 片的强度和硬质合金基本一致，硬度接近整体 PCD，可焊性 好，重磨容易，成本低 。
聚晶金刚石复合刀片（硬质合金基体）
三、刀具材料必备的性能
1．高的硬度和耐磨性
刀具材料的硬度一般大于60HRC（一般应大于工件材料的硬 度）。 刀具材料的耐磨性指抵抗磨损的能力，刀具的硬度越高、耐磨性 一般越高。除硬度外，耐磨性还与材料的化学成分、强度、韧性 及显微组织等有关。 2．足够的强度和韧性 切削过程中，刀具的切削部分承受很大的切削负荷，尤其在断续 切削过程中更要承受循环的热及机械冲击，刀具的常见损坏形式 为破损如崩刃、断裂等。刀具材料必须具备足够的强度和韧性。



在加工硅含量较高的铝合金时，除PCD刀具外，其它所有的刀具都在很 短的时间内产生严重的磨损而不能继续切削 。
PCD刀具还非常适合对难加工非金属材料(如：木材、人造板材、强化 复合地板、碳纤维增强塑料、石墨、陶瓷、石材等)进行加工 。 采用单晶金刚石刀具，在超精密车床上可实现镜面加工，目前，金刚石 刀具可以实现切削厚度为纳米级的连续稳定切削。 金刚石的热稳定性比较差，切削温度达到800℃时，就会失去其硬度， 金刚石刀具不适合于加工钢铁类材料，因为，金刚石与铁有很强的化学 亲合力，在高温下铁原子容易与碳原子相互作用使其转化为石墨结构。
（7）金刚石刀具的应用
金刚石刀具主要用于加工有色金属及其合金。其中80％以上的PCD刀 具用于加工汽车和摩托车行业的硅铝合金零部件，如：铝合金活塞的裙 部、销孔、汽缸体、变速箱等。 由于这些零件材料含硅量较高(12%以上)，且为大批量生产，对刀具的 寿命要求较高，硬质合金刀具难以胜任，而PCD刀具的寿命远高于硬质 合金刀具，是硬质合金刀具寿命的几十甚至几百倍。
硬度
• 硬度是材料抵抗外物刺入的一种能力。 • 用硬度试验器来试验极为准确，是现代试验硬度常用的方法。 最 常用的试验法有洛氏硬度试验。洛氏硬度试验机利用钻石冲入金 属的深度来测定金属的硬度，冲入深度愈大，硬度愈小。 • 洛氏硬度，这是由洛克威尔在1921年提出来的，是使用洛氏硬度 计所测定的金属材料的硬度值。该值没有单位，只用代号“HR” 表示。 • 洛氏硬度中HRA、HRB、HRC中的A、B、C为三种不同的标 准。称为标尺A、标尺B、标尺C。 • HRA 是采用60Kg载荷和钻石锥压入器求的硬度，用于硬度 极高的材料。例如：硬质合金。 • HRB 是采用100Kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球求得的硬 度，用于硬度较低的材料。例如：退火钢、 铸铁等。 • HRC 是采用150Kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度 很高的材料。例如：淬火钢等
断续切削时，刀具受到循环的热冲击，容易产生热裂纹而断裂，
所以刀具材料应具备优良的抗热冲击性能； 热膨胀系数越小，则热变形越小，有利于降低热应力。
三、刀具材料必备的性能
5．良好的工艺性
指良好的锻造性能、机加工性能和热处理性能，便于刀具的制 造。
6．经济性
刀具材料的发展一定要将生产的实际需要与本国的自然资源的
(3) HRC30以下而其它刀片很难加工的珠光体灰口铸铁。
被加工材料的硬度越高越能体现PCBN刀具的优越性。
(2) PCBN刀具的应用
PCBN刀具进行硬态切削时，可以车、镗、铣等替代磨削加 工工艺，是实现“以车代磨”的最佳刀具 。据报道日本 PCBN刀具的应用有55%是替代原来的磨削。 PCBN还是实现高速或干式切削的最佳刀具之一。尤其在加 工灰铸铁高速干切削领域。 目前，PCBN刀具已用于车刀、镗刀、铣刀等，在汽车制造 业、自动化生产线等方面PCBN刀具的使用量已达到了相当 的比例据。如：加工汽车发动机箱体、刹车盘、传动轴、气 缸孔、发动机进出气阀座等；
300℃左右，切削速度20m/min。
1898年美国人研制成功高速钢刀具，耐热温度达到500℃ 左右，切削速度30-40m/min。 高速钢刀具的出现，引起了金属切削加工的第一次革命， 新型高速机床随之出现。
1925 年德国人首先发明了硬质合金刀具，耐热温度达到
二、切削刀具的发展简史
600-800℃左右，切削速度40-200m/min。硬质合金刀 具的出现，引起了金属切削加工的又一次革命。
20 世纪 30 年代，出现陶瓷刀具，但并未得到广泛应用，
50 年代以后 ， 逐步发展 ，目前 ，耐热温度达到 1100 1400℃，切削速度500-1000m/min。
20世纪50年代美国GE公司首先合成人造金刚石和CBN，
CBN硬度接近金刚石，耐热温度达到1400-1500℃。 自 2 0 世 纪 7 0 年 代 初 美 国 GE 公 司 研 制 成 功 聚 晶 金 刚 石
2. 具有很高的热稳定性：PCBN的耐热性可达1400～1500℃ ，比金刚石的耐热性(700-800℃)几乎高一倍，因此PCBN 刀具可用比硬质合金刀具高3～5倍的速度高速切削淬硬钢 。
(1) PCBN的性能特点 3. 优良的化学稳定性：PCBN的化学惰性大，与铁系材料到 1200-1300℃时也不起化学作用，与碳只是在2000℃时才 起反应。PCBN具有很高的抗氧化能力，在1000℃时也不 会产生氧化现象。因此，PCBN刀具广泛应用于高速或超高 速的切削 。 4. 具有较好的导热性：PCBN的导热性虽然赶不上金刚石，但 是在各类刀具材料中PCBN的导热性仅次于金刚石，大大高 于高速钢和硬质合金。PCBN的导热系数是紫铜的3.2倍， 是硬质合金的20倍。 5. 具有较低的摩擦系数：PCBN与不同材料间的摩擦系数约为 0.1～0.3，比硬质合金的摩擦系数(0.4-0.6)小得多。低的 摩擦系数可导致切削时切削力减小，切削温度降低，加工表 面质量提高 。
相结合，因地制宜。
四、金刚石刀具
天然单晶金刚石刀具 单晶金刚石刀具 金刚石 刀具 多晶金刚石 刀具 人造单晶金刚石刀具
PCD刀具 CVD 金 刚 石刀具
CVD金刚石 薄膜涂层刀具 金刚石 厚度膜焊接刀具
(1) 金刚石刀具的性能特点
1. 极高的硬度和耐磨性：金刚石的显微硬度达HV10000，是 自然界最硬的物质。具有极高的耐磨性，天然金刚石的耐磨 性为硬质合金的80-120倍，人造金刚石的耐磨性为硬质合 金的60-80倍。 2. 各向异性能：单晶金刚石晶体不同晶面及晶向的硬度、耐磨 性能、微观强度、研磨加工的难易程度以及与工件材料之间 的摩擦系数等相差很大，因此，设计和制造单晶金刚石刀具 时，必须正确选择晶体方向。 3. 具有很低的摩擦系数：金刚石与一些有色金属之间的摩擦系 数比其它刀具都低，约为硬质合金刀具的一半，通常在0.10.3之间。摩擦系数低可减小切削温度和切削力。
三、刀具材料必备的性能
3．高的热稳定性 也称高的耐热性，是衡量刀具材料切削性能的重要标志，它指 刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的能力。除 了高的热稳定性，刀具材料还应具备良好的高温抗氧化能力、 抗扩散性能。 4．良好的热物理特性及抗热冲击性能 良好的导热性，大的热容量有利于切削热的传出、降低切削温 度；
（2）人造金刚石的制备工艺
石墨+触媒剂 高温高压 金刚石单晶粉
(a) 人造单晶金刚石的制备
金刚石单晶粉+结合剂高温高压PCD聚晶
(b) 聚晶金刚石的制备
（3）聚晶金刚石(PCD)刀具
PCD是通过金属结合剂(如Co、Ni等)将金刚石微粉聚合而成 的多晶体材料。金刚石广泛应用于切削加工还是 PCD研制成 功以后。 PCD的硬度低于单晶金刚石，但PCD属各向同性材料；PCD 具有导电性，便于切割成型，成本远低于天然金刚石。
一个面 可转位 刀片
(1) PCBN的性能特点
1. 高的硬度和耐磨性：PCBN晶体结构与金刚石相似，晶格常
数相近，因此具有与金刚石相近的硬度。PCBN微粉的显微 硬度为HV8000～9000，其PCBN烧结体的硬度达到 HV3000～5000。在切削耐磨材料时其耐磨性为硬质合金 刀具的50倍，为涂层硬质合金刀具的30倍。PCBN特别适 合于加工从前只能磨削的高硬度材料，实现“以车代磨” 。
(PCD) 刀片，目前，在很多场合下已经替代了天然金刚石 。
实例：加工直径为100mm，长度500mm的碳钢棒。

1890年，用碳素工具钢刀具，需要100min。 1910年，用高速钢刀具，需要26min。 现在，用硬质合金刀具，需要1.5min。

现在，用陶瓷或PCBN刀具，小于1.0min。
（7）金刚石刀具的应用
车削
镗削
面铣
饺削
钻削
实木地板 纤维板
强化复合板 胶合板
刨花板 其它板材
PCD刀具应用领域分布
PCD木工刀具主要加工对象分布
五、立方氮化硼刀具 PCBN刀具
PCBN焊接 刀具
PCBN可转位 刀具
机夹焊接式 PCBN刀具
整体焊接式 PCBN刀具
整体 可转位 刀片
单刃 可转位 刀片