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超硬刀具的发展与应用

来源：信息中心　时间：2009-2-1 10:55:33

1 概述

超硬刀具主要包括金刚石刀具和立方氮化硼刀具，其中以人造金刚石复合片(PCD)刀具及立方氮化硼复合片(PCBN)刀具占主导地位。随着现代制造业(尤其是汽车制造业)的快速发展，超硬刀具的生产及应用也逐年快速增长。
(1) PCD刀具刃磨机床

此类机床以瑞士Ewag公司的RS系列磨刀机为代表，该刃磨机床可利用陶瓷结合剂金刚石砂轮的锋利性和一定的磨削压力实现对PCD、PCBN及天然金刚石刀具的刃磨，其特点是机床刚性好，带有投影测量装置，是目前国外应用最广泛的超硬刀具专用刃磨设备。与此类似的产品还有日本大阪金刚石公司、英国CoBom公司等制造的PCD刀具刃磨机。目前，PCD刀具刃磨技术不断改进，如将以弹簧产生的恒压力改为气动压力，并可在0～300N范围内调整，以适应不同的磨削对象。为便于控制磨削尺寸，刃磨机上的刻度均带有数显装置。台湾远山公司将原刃磨机上的投影屏等光学装置改为高精密摄像系统，配以精密的测量刻度，可在监视器上显示、控制磨削尺寸，可实现不停机在线测量，摄像机放大倍数从15～120倍可调，可研磨出R0.05mm的刃尖圆弧。
(2) 数控电火花PCB刀具成形机床

此类设备以德国Vollmer公司的QWD系列机床
为代表。该机床采用电火花线切割加工PCD、PCBN刀具，由于采用了先进的数控系统，加工出的多刃刀具的跳动可控制在 0.001mm，刀具表面粗糙度可达R_a0.4µm。该机床有六个数控轴、两个手动轴，特别适合带柄阶梯钻、铣刀、锯片等多刃刀具的加工，一次输入程序即可切割出阶梯刀具、曲线刀具的刃、背、内折线等几何形状，自动化程度及加工精度均很高。不足之处是切割表面粗糙度稍逊于磨削表面，此外机床价格较为昂贵。
(3) 超精金刚石刀具研磨机

该设备可对航空航天、军工等行业用的超精加工直线刃金刚石刀具进行研磨，刀具表面粗糙度R_a≤0.01µm, 刀具刃口半径r≤0.1µm。该设备采用空气静压主轴，精度0.1～0.2µm，研磨盘端面跳动0.1～0.2µm/ø300mm。

5 超硬刀具的典型应用

(1) 硬态加工，以车代磨

由于PCBN刀具具有极高的硬度及红硬性，可使被加工的高硬度零件获得良好的表面粗糙度，所以采用PCBN刀具车削淬硬钢可实现“以车代磨”。应用实例如汽车、摩托车齿轮孔的加工，此类零件材料一般为20CrMnTi，渗碳淬火，表面硬度为60～62HRC，齿轮孔精度为IT6，表面粗糙度R_a≤0.8µm。
传统加工工艺为：机加工->热处理->磨削。采用超硬刀具“以车代磨”的加工工艺为：粗加工->热处理->精加工。新工艺可大幅度提高加工效率，降低加工成本，原采用磨削工艺一班仅能加工100个小齿轮，现采用PCBN刀具车削(切削参数V=60～120m/min，f≤0.12mm/r，a_p≤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。

(2) 高速切削，高稳定性加工

在汽车发动机生产线上，灰铸铁缸体的缸孔精加工是关键工序之一，要求缸孔加工尺寸精度高、表面粗糙度值小、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，a_p=0.2～0.7mm；加工表面粗糙度R_a≤1.6µm ，刀具寿命>1,000件。

(3) 有色金属的高速、高稳定性、低粗糙度加工及镜面加工

采用PCD刀具加工有色金属时，由于金刚石硬度高，表面与金属亲合力小，且刀具一般抛光成镜面，不易产生积屑瘤，因此加工尺寸稳定性及表面质量都很好，刀具寿命也较长。

例如，采用PCD刀具加工电机整流子的紫铜换向器，典型切削参数为：V=300m/min，f=0.08mm/r，a_p≤0.15mm，加工表面粗糙度R_a0.1～0.2µm，刀具寿命>5,000件，而采用硬质合金刀具则只能加工几件。

采用PCD刀具加工各种硅铝合金零件，表面粗糙度R_a≤0.1µm，刀具寿命可达几千～几万件，尤其适合汽车、摩托车零件的大规模生产。

采用单晶金刚石刀具，在超精密车床上可实现镜面球形加工。机床采用超精密气体静压主轴及回转工作台，跳动量≤0.3µm，工件采用高精度气动卡盘，可实现快速高精度定位。加工无氧铜材料时，表面粗糙度R_a≤0.025µm，圆度≤0.3µm；加工铝件时，表面粗糙度R_a≤0.025µm。

(4) 干式切削，清洁化加工

采用PCBN刀具加工含硼铸铁缸套，切削参数：V=200m/min，f=0.1mm/r，a_p=0.2～1mm，加工表面粗糙度R_a≤1.6µm，精度IT6，两次刃磨间刀具寿命>100件，可实现“以车代磨”。由于采用干式切削，避免了切(磨)削液及砂轮灰对环境的污染，切屑也可回收再利用，符合清洁化生产要求。

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