超硬材料刀具机械加工中应用

1、在机械加工中使用的超硬材料刀具固更 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。

2、 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80120m/min。高硬度工件切削速度宜取低值，如硬度为70HRC的工件，切削速度宜选 6080m/min。精车的切削深度在 0.10.3mm，进给量在0.050.025mm/r，加工表面粗糙度为 Ra0.3 0.6

3、眄 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Ra0.3呵，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?）.12mm/r , ap O.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（HRC5862），切削速度 V=150mm/min，进给量？=0.1mm/r , ap

4、=0.20.3mm，刀具切削行程达到9.58km2。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 1/31/2。 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.FIeming 在 DeltaTur n40 车床上采用 AMBORITEDBN45 刀具车削 EN31 轴

5、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（HRc5863）、使用1A616机床加工矿山机械的4 5号钢48h6传动轴（HRc4245） 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 禾口 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 20呵、 进给 量 为 0.608 pm/r 转 的 条 件下，切削加工表面光洁

6、度可达Rmax=0.0254 pm。在一般精密数控车床上切削不锈钢，可获得Rmax=0.2呵 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 ， ?=26.5mm/min ， ap=1.0mm ， 采 用 PCBN 整体刀片加工，平均耐用

7、度为 1,200 个阀座，加工表面粗糙度 Ra0.4 呵,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药OOm/min），刀具寿命长（加工孔数1OOO），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 1.6 pm , 刀具寿命1,000 件。采用

8、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 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

9、 毂 , 切 削 速 度 可 为 V=500 1000m/min ， ?推荐 0.050.5mm/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 1 0%,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

10、铝陶瓷密度3.9g/cm3 ,硬度HV21002300,抗弯强度 300MPa，抗压强度 300MPa，用PCD刀具采用湿式切削，V=2070m/min, ?=0.0250.10mm/r , ap=0.2mm ；加工效率明显提高,是 金刚石砂轮磨削的 35倍,刀具寿命可达 1 0 30min6 。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 , ?=0.08mm/r , ap 切.15mm ；加工表面粗糙度 Ra0.1 0.2呵，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

11、,切削速度达 1,000000m/min ；用 PCD 刀具铣削铝合金, 速度可达 3, 000 4, 000m/min5 。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精加工灰铸铁缸体的CBN 面铣刀，铣削速度达2 ， 000m/min ，是硬质合金面铣刀的10倍7 。铣削玻璃的PCD螺旋内排液面铣刀，直径有10mm 、12mm 、16mm 、20mm 多 种规格，在玻璃深加工中得 到广泛应用在X53K立式铣床上，用 PCBN 立铣刀铣削 Cr12MoV ( HRc5961

12、)和45钢(HRc5053)材料的研究，为该类刀具的实际应用提 供 了 有 益 的 参 考 数 据 8，9。PCD 刀具在铣削石墨时有很高的耐磨性，很多专家已将 PCD 铣刀 用在瑞士 MikronNidau 高速切削铣床上。一次装夹刀具加工 20 件牙刷 电极，仍可达到形位公差小于 0.01mm 的要求。 PCBN 刀具硬铣淋浴 器喷嘴柄钢模， 精度高， 铣削后只需略作手工抛光即可。1.3 在 镗 削 加 工 中 的 的 应 用目前国内已有较多发动机制造厂用 PCBN 刀具对气缸缸 V 套精加 工，如上海大众和一汽集团的发动机厂，缸孔精镗均采用PCBN 刀片，且可自动补偿 (V=500m/m

13、in ， ?=0.2mm/r ， ap=0.1mm) 。刀具寿 命 长 ， 加 工 精 度 高 、 尺 寸 稳 定 ， 生 产 效 率 高 。一汽公司用 PCD刀具精镗硅铝合金活塞销孔 （V = 160m/min , ?=0.08 0.10mm/r , ap = 0.05mm。），耐用度达 42 , 500 件，是硬质合 金刀具的 90 倍；加工表面粗糙度 Ra 值由原来的 1.12 降为 0.15；每 班可减少装调刀具等辅助时间30min ，成本比硬质合金刀具下降约85。PCBN 刀具耐磨性比硬质合金刀具高 50 倍，比涂层的硬质合金刀具高数倍，比陶瓷刀具高 25 倍，是加工非金属材料唯一的

14、高效刀具。最高 切 削 速 度 达 7 ， 000m/min ； 效 率 显 著 提 高 。CVD 刀具用于镗削钨硬质合金 （含 25%Co） 的汽缸（内径 20mm 、长 40mm ），加冷却液，切削速度0.5m/s、切削深度0.12mm，次装夹 刀 具 可 加 工 8 个 零 件 10。用 PCD 刀具对铸造硅铝合金 SAE327（Si7 8.6%， Cu1 2%，Mg0.25% 0.6% , Mn0.5% 0.8% ;抗拉强度 230MPa，硬度 110 130HB ，延伸率 1%）制冷压缩机连杆进行高速干式镗削孔 ,切削速度 140 180m/min,Ra0.02 0.32 呵，精度可

15、达 5 7 级11。1.4 在 拉 削 加 工 中 的 的 应 用用复合式渐开线跳齿内孔超硬材料拉刀加工工件孔，优点为： （1）由 于能够可靠保证工件内孔各形面间的同轴度，因而可以后续加工工序中统一用小径圆面作为定位基准，大大方便了后序定位心轴和检验心 轴的制作，并可靠保证所有加工表面的位置精度； (2) 由于采用了合理的跳齿排布方式和花键刃开侧隙的刀齿结构，保证了拉刀的制造质量，且制造方便，成本几乎和普通复合式渐开线拉刀相同。1.5 在 铰 削 加 工 中 的 的 应 用PCBN 电镀铰刀在淬硬钢或硬铸件小孔的铰削加工中已发挥作用。 此类铰刀以硬度为 42HRc 的 45 钢或 9CrSi

16、钢作基体，具有前后导向 和切削部分。其基体制造精度要高，设计要合理，前导向部分直径要 比切削刃部分直径小 0.04mm ，切削区长度要大于工件孔深；后导向 长度要大于切削区长度，直径应比切削刃部直径小 0.02mm 。为了在 铰削中用切削液冲洗切屑、冷却润滑加工表面，基体上开有两条较深 的螺旋槽。如某厂加工淬火钢工件孔 12.06 0.05mm，硬度45HRc，底孔尺 寸12 ).01mm，要求孔圆柱度 0.005mm，表面粗糙度 Ra0.2呵。采 用一组五把电镀 CBN 铰刀加工， 取得较好经济效果12。有的发动机制造厂用 PCD 或 PCBN 电镀铰刀对气缸体的主轴承孔 进行珩铰， 代替珩

17、磨， 加工效率提高了数倍， 且质量稳定。现代汽车变速箱因减轻重量和多功能化的要求，越来越多地采用压 铸铝合金来制造，其上设置有许多阶梯状的成型孔，这些孔对表面粗 糙度、圆度、圆柱度、同心度、无毛刺等质量要求非常严格。为满足 高效、高精度加工成型孔的需要，日本公司开发了一种 PCD 成型阶梯 铰刀。选用优质 PCD 刀片材料，用高精度成形磨削技术来保证切削刃 形状，获得优良一致的尺寸精度和表面粗糙度，使所有切削刃在不同 加工负荷下具有优良的切削性能。该刀具可获得满意的加工质量，消 除了粘刀弊病，延长了刀具寿命，加工成本可降低一半。1.6 在 钻 削 加 工 中 的 的 应 用用 PCD 钻头来加

18、工玻璃、工程陶瓷和石材，已屡见不鲜。许多玻璃 深加工企业和玻璃店大都使用 PCD 钻头来钻削玻璃和镜子的孔。市场 上金刚石钻头的直径从 3130mm。玻璃钻头有镶嵌金刚石的，也有 树脂金刚石的。用 PCD 钻头来加工工程陶瓷和石材，效率高，加工质 量好金刚石电解钻削可用来成形各种难加工导电材料（大多为烧结硬质合金）上的圆柱孔 （通孔和盲孔 ）、圆锥孔和特形孔。可在一台机床上用同 一 工 具 进 行 加 工 , 无 需 重 调 工 具 和 毛 坯 13 。最值得一提的是在 Z5125 立式钻床上用钎焊金刚石套料钻钻削“凯芙拉复合材料 -特种陶瓷 -铝合金”复合层板通孔。该材料是近几年出现的一种新型轻质复合材料 ,既具有凯芙拉复合材料的高强度、高断裂韧 性、高吸能缓冲防护能力 ,又具有陶瓷的高硬度、高模量、高抗压、耐 磨损、耐腐蚀、耐高温等优良性能 ,同时兼具铝板的防锈、防渗透、高 韧性等优点。用钎焊金刚石套料钻，连续钻削10 个孔 ,切削部位无明显变化。2. 结 束 语PCD刀具使用寿命一般高于硬质合金刀具10500倍。PCBN刀具耐用度为硬质合金刀具的10100倍9。传统的金属刀