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超硬材料刀具在机械冷加工的作用【摘要】在机械加工过程中刀具是基础而又必备的工具。好的刀具除了具备极高的硬度还要求具有较高的韧性。随着机械加工技术的不断成熟和完善对于机械加工刀具的要求也逐渐变得严格。面对日益复杂多样的机械加工超硬材料刀具的优越性能也引起了相关科研人员的注意和研究。尤其是在机械冷加工过程中超硬材料刀的耐用程度更高性能优良而且造价成本也较低种种优点都使得超硬材料刀具的应用更加广泛。【关键词】机械加工;刀具;超硬材料;应用1超硬材料刀具的基本概念和发展概况从目前的机械加工行业来看传统意义上的超硬刀具材料主要包括天然金刚石、人造金刚石以及立方氮化硼这三种材料。由于天然金刚石数量较为稀少难以满足机械加工行业的大规模需求。人造金刚石虽然能够实现大规模生产但是由于成本较高市场价格昂贵因此也难以得到广泛普及应用。我国目前应用于超硬材料刀具上的主流材料是聚晶立方氮化硼及其复合材料。超硬材料刀具的最早应用在上世界五十年代的美国科学家通过在实验高温高压状态添加凝合剂的方法制成了数量较大的氮化硼聚晶块。随后的几十年里科学家又先后研制出了金刚石硬质合金和氮化硼复合片基本上解决了超硬刀具材料的来源问题。我国在超硬刀具材料的相关方面研究开始于上世纪七十年代虽然起步较早但是由于当时各种外界条件的限制无论是生产技术还是厂房设备条件都相对艰苦所以研究工作进展缓慢。直到二十世纪末才真正意义上开始对这方面进行立项研究目前已经取得了较为显著的成果。2超硬材料刀具的种类与性能分析CVD金刚石中不含任何金属催化剂其热稳定性和硬度在很大程度上近似于天然金刚石。CVD金刚石具有很强的抗磨损性和极高的硬度是目前世界上公认的最硬刀具材料。除此之外CVD金刚石还具有摩擦系数小、热导率高、切割效果好等诸多优点在进行金属和非金属材料切割方面都具有很好的效果。但是CVD金刚石的热稳定性较差而且硬度有余韧性不足在长期切割产生高温的情况下容易出现碳化现象不能用于硬质合金、钢铁合金等材料的加工。聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具按照其构成成分的不同可以分为聚晶立方氮化硼复合片、整体聚晶立方氮化硼刀具以及电镀立方氮化硼刀具三种类型。其中聚晶立方氮化硼是目前应用较为广泛的一种超硬刀具材料具有极高的耐磨性和热稳定性适用于目前多数机械加工操作而且其材料来源较为广泛制造成本相对于金刚石要低因此成为了机械加工刀具材料的主流选择。人造聚晶金刚石是在高温高压状态下加入金属凝结剂将金刚石单晶体材料结合形成的一种材料。在硬度方面处于CVD金刚石和天然金刚石之间但是其韧性要高于两者同时还具有较好的兼容性和可焊性。目前人造聚晶金刚石多用于精密小型部件的加工切割。3超硬材料刀具在机械冷加工中的应用3.1在车削加工中的应用在车削钢件材料加工时对于淬硬钢的加工超硬材料刀具能够在很大程度上实现以车代磨的加工效果。在切削加工过程中由于其切削深度要远远高于磨削极大程度上提高了以车代磨的工作效率从而降低了加工制造的成本。需要注意的是在进行高硬度机械部件加工时要采取低速或中低速的切削方式防止超硬材料刀具偏离切割轨道。在车削铸铁件时对于发动机缸盖的排气阀座可以选择铜、钼高铬合金铸铁这种材料的加工一般有车削和铣削2种工艺。用PCBN材料所制的刀具加工灰铸铁刹车盘时其切削速度一般在700～2000m/min最适宜。3.2在铣削加工中的应用用PCD材料制成的刀具铣削铝合金时其速度可达到300～4000m/min；用PCBN制成的刀具铣削灰铸铁时其速度一般在1000～2000m/min范围内。目前我国加工铝合金缸盖的PCD面铣刀切削速度已达到了4021m/min其进给速度为5670mm/min这种效率是我国20世纪90年代初期引进外国设备的2倍。精加工灰铸铁缸体的CBN面铣刀铣削速度也达到了2000m/min其效率是硬质合金面铣刀的10倍之多。在玻璃深加工中铣削玻璃的PCD螺旋内排液面铣刀应用最为广泛。3.3在拉削加工中的应用在拉削加工中一般采用复合式渐开线跳齿内孔超硬材料拉刀加工工件孔其优点主要有两点：其一是花键刃开侧隙的刀齿结构和合理的跳齿排布方式保证了拉刀的制造质量而且其制造工艺不复杂成本与普通的复合式渐开线拉刀相比也没有太多差别。其二是这种加工方式保证了工件内孔各形面间的同轴度在后续加工工序中可以统一选用小径圆面为定位基准从而使得后序检验心轴和定位心轴的制作简化了许多同时也保证了各加工表面的位置精度。3.4在铰削加工中的应用在硬铸件小孔或淬硬钢的铰削加工中PCBN电镀铰刀应用十分广泛。这类铰刀以9CrSi或42HRC的45#钢作为基体具有切削和前后导向部分