超硬材料刀具 机械加工中应用

在机械加工中使用的超硬材料刀具

超硬材料刀具目前主要有单晶金刚石刀具，聚晶金刚石（PCD)刀具,化学气相沉积（CVD)的金刚石刀具,聚晶立方氮化硼(PCＢＮ)刀具等[１]。它不仅是加工高硬度材料的理想刀具,而且用超硬材料刀具替代普通刀具进行切削,可以实现铸、锻毛坯件的高速、高效加工和/或一次性完成粗、精加工。超硬材料刀具是完全适用于高速、精密和自动化加工的。尤其是在以车代磨、以铣代磨方面，它适用于成形、仿形及定尺寸的精密磨削,并使磨削质量显著提高、磨削效率得到数倍乃至数十倍的提高。它不但能防止工件表面烧伤、微裂纹、缺口、变质层过深等缺陷，而且能提高工效、降低消耗和磨削成本。它具有高效、低耗、适应性强、制造周期短等优点。目前已在汽车、摩托车、航空、矿山、电子、玻璃等行业机械加工中得到广泛应用。

ﻫ 1.在机械加工中的的应用

1.1.1车削钢件ﻫ加工淬硬钢时,超硬

１.1在车削加工中的的应用ﻫ

材料刀具能以车代磨。由于切削的深度比磨削高十几倍，可提高效率4倍以上,加工成本下降到原来的1/5。ﻫ

用PCBN刀具精车硬度高于４5HＲC的淬硬钢效果最好，切削速度一般为8０～12０m/miｎ。高硬度工件切削速度宜取低值,如硬度为7 0HRC的工件，切削速度宜选60~80ｍ／mｉn。精车的切削深度在0. 1~0.3mm，进给量在0．0５～0．025mm/r，加工表面粗糙度为Ra 0.3～0．6μm,尺寸精度可达0．01３mm。若采用刚性好的标准数控

车床，且PCBＮ刀具的刚性好、刃口锋利，则精车表面粗糙度可达Ra 0.３μm，尺寸精度0．01mm，可达到数控磨床加工的水平。ﻫﻫ某厂原采用磨削工艺加工小齿轮,一班仅能加工100个;现采用PCBＮ刀具车削，切削参数采用：v=60~１20ｍm／min,f≤0.12ｍｍ/r，ap≤０.1m m，一班能加工400个小齿轮。此外，分摊到每个齿轮的加工成本也有所下降。

如用ＰCＢN刀具加工渗碳淬火的20CrＭnTｉ汽车变速箱同步器套拨叉（HRC５８~6２),切削速度V=１５0mm/min，进给量ƒ＝0.1mm /r,aｐ=0．2～0.3mｍ,刀具切削行程达到9.58km[2]。以车代磨后,效率提高4倍以上，加工成本降低为原来磨削工艺的1/３～1／2。ﻫﻫ荷兰Ｈemｂrug公司在MｉkroturnCNC系列超精车床上采用PＣBＮ刀具精车淬硬EN２1轴承钢（HRC62）、美国国家标准工艺研究院Y.ＫｅvinChｏｕ和ChrisJ．Ｅvaｎs采用SumiｔｏmｏBＮ系列ＰCBＮ刀具加工AIＳＩM50钢(HRC62~64)、英国DeBeeｒs工业金刚石公司M.Ａ.Ｆleminｇ在ＤelｔaTurn40车床上采用AＭBORIＴEDBN４５刀具车削ＥＮ31轴承钢等,都实现了纳米切削。

ﻫ超硬材料刀具加工钢件的例子还有使用长城机床厂的CK7820数控车床加工重型汽车变速器中的二轴的20CｒMnTiHA3多档花键沉割槽(HＲc5８~63）、使用１A61６机床加工矿山机械的4５号钢Φ４8ｈ6传动轴(HRc42~４5）［3]、在可无级变速的ＣA614０车床上使用PＣ

BＮ刀具精密车削GCr15淬硬轴承钢工件(分别为30HＲc、４０HRc、50ＨRｃ、６0HRc和64HRc）等。

将经过特殊磨削的PCＢN刀具用于超精密车床上,在切削深度为15～20µｍ、进给量为0.6０8µm/r转的条件ﻫ

下,切削加工表面光洁度可达Rｍaｘ＝0.02５4µm。在一般精密数控

1.车床上切削不锈钢，可获得Rmａx=0.2µm以内的表面粗糙度。ﻫﻫ１．２车削铸铁件

ﻫ加工硬铸铁时,只要硬度达到中等硬度水平(HRc4５），采用超硬材料刀具刀具就会取得良好的加工效果,非常适合于大批量生产线上高速加工，在汽车行业得到广泛应用。ﻫ

发动机缸盖上的排气阀座，采用铜、钼高铬合金铸铁(HRC44）材料,其加工方法一般有铣、车两种工艺，大多在自动线上，与拉铰导管孔一道加工,v=７1.6m/min,ƒ＝２6.5mm/min，ap=1.0mｍ,采用PCBN整体刀片加工,平均耐用度为１,200个阀座,加工表面粗糙度Ｒa0．４μm，锥面摆差≤0.05mm，刀具寿命高，质量稳定。ﻫﻫ在汽车发动机生产线上，灰铸铁缸体的缸孔精加工要求缸孔加工尺寸精度高、表面粗糙度小、稳定性好;由于生产线加工节拍快，要求切削速度高（通常V≥500m ／mｉｎ),刀具寿命长(加工孔数≥１000)，且倒角、止口、粗精镗等多个工位的刀片寿命均应满足耐用度要求。采用ＰＣBＮ刀具即可实现发动机缸孔的高速切削及高稳定性加工;其典型切削参数为:V=５0０m/mｉn,f=０．2~０.４mm/r，ap=0.2～0.7mｍ;加工表面粗糙度R ａ≤1.6µｍ，刀具寿命>１,000件。ﻫ

采用PＣBN刀具加工含硼铸铁缸套,切削参数:V=200m/min,f=０．1mm／r,ap=0.2～１ｍm，加工表面粗糙度Rａ≤1．6µm,精度IT ６,两次刃磨之间，刀具寿命>100件，可实现“以车代磨”。由于采用干式切削，避免了切削液及砂轮灰尘对环境的污染,切屑也可回收再利用,符合清洁化生产要求[4］。ﻫﻫ用ＰCＢN刀具车削灰铸铁刹车盘,切削速度一般7０0～2,00０m/miｎ,如上海通用汽车公司采用Sｅｃｏ刀具公司PＣＢN3０0型刀片,切削速度可以达到2,000ｍ/miｎ。

ﻫ 1.1.3车削合金工件ﻫﻫ采用PＣD刀具车削铝合金轮毂,切削速度可为Ｖ＝500~1000m/min，ƒ推荐0.05～0．5mm/ｒ,ａp一般为0.5ｍｍ～3mm。ﻫﻫＰCBN刀具车削高钴铬钼耐蚀耐热合金，切削速度达16０m/mｉn，是硬质合金刀具的８倍。

ﻫ一般含硅量低于1０％的铝合金,用硬质合金切削工具即可。但含硅量超过10%，就只能借助PCD。当前采用的高硅铝合金含硅量均在１2%以上,有些已超过18%,因此车削高硅铝合金汽车发动机活塞等非ＰＣD莫属［5］。

ﻫ车削粉末高温合金FGH9５也使用PＣBN刀片。

ﻫ１.1.４车削其它材料ﻫ

氧化铝陶瓷密度3.9g/cm3，硬度HV2100~２30０，抗弯强度３0０ＭPa，抗压强度３00MPa，用PCD刀具采用湿式切削，V=20～70m/mｉn,ƒ=0.025~0.10mm/r,ａｐ=0．2mｍ;加工效率明显提高,是金刚石砂轮磨削的３~５倍,刀具寿命可达１0~3０miｎ[6]。

用PCＤ刀具车削电动机整流子的紫铜换向器，典型切削参数为：V=3