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（PC

D）刀具,化学气相沉积（CVD）的金刚石刀具,聚晶立方氮化硼（PCB N）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。 1.在机械加工中的的应用 1.1在车削加工中的的应用 1.1.1车削钢件加工淬硬钢时，超硬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。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Ra0.3～0.6μm,尺寸精度可达0.013mm。若采用刚性好的标准数控车床,且PC BN刀具的刚性好、刃口锋利，则精车表面粗糙度可达Ra0.3μm，尺寸精度0.01mm，可达到数控磨床加工的水平。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≤0.1mm，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。荷兰He mbrug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(H RC62～64)、英国DeBeers工业金刚石公司M.A.Fleming在DeltaTur n40车床上采用AMBORITEDBN45刀具车削EN31轴承钢等，都实现了纳M切削。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4 5号钢Φ48h6传动轴（HRc42～45）[3]、在可无级变速的CA6140车床上使用PCBN刀具精密车削GCr15淬硬轴承钢工件（分别为30HR c、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

下,切削加工表面光洁度可达Rmax=0.0254µm。在一般精密数控车

床上切削不锈钢，可获得Rmax=0.2µm以内的表面粗糙度。

1.1.2车削铸铁件

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。

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。

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Ra≤ 1.6µm，刀具寿命>1,000件。

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IT6，两次刃磨之间，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]。

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。

1.1.3车削合金工件

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。

PCBN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。

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]。

车削粉末高温合金FGH95也使用PCBN刀片。

1.1.4车削其它材料

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=300m/min，ƒ=0.08mm/r，ap≤0.15mm；加工表面粗糙度Ra0.1～0.2µm，刀具寿命>5,000件。而采用硬质合金刀具只能加工几件。

1.2在铣削加工中的的应用

用PCBN刀具铣削灰铸铁，切削速度达1,000～000m/min；用PCD刀具铣削铝合金，速度可达3，000～4，000m/min[5]。

加工铝合金缸盖的PCD面铣刀，铣削速度已达4，021m/min，进给速度5，670mm/min，效率是我国20世纪90年代初引进生产线的两倍。