超硬刀具

一、 概述

   超硬刀具材料是指比陶瓷材料更硬的刀具材料。包括：单晶金刚石、聚晶金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)和CVD金刚石等。超硬刀具主要是以金刚石和立方氮化硼为材料制作的刀具，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。许多切削加工概念，如绿色加工、以车代磨、以铣代磨、硬态加工、高速切削、干式切削等都因超硬刀具的应用而起，故超硬刀具已成为切削加工中不可缺少的重要手段。随着科技的进步，制造业的高速发展，CNC加工技术的迅猛发展以及数控机床的普遍使用，超硬刀具的生产及应用也越来越广泛。PCD和PCBN刀具已广泛应用于机械加工的各个行业，如汽车零部件的切削加工，强化木地板的 加工等，极大地促进了切削加工及先进制造技术的飞速发展。

二、切削材料及超硬材料发展史

三、金刚石、超硬材料的特性与作用

    众所周知，金刚石材料的成分是碳，金刚石与铁系有亲和力，切削过程中，金刚石的导热性优越，散热快，但是要注意切削热不宜高于700度，否则会发生石墨化现象，工具会很快磨损。因为金刚石在高温下和W、Ta、Ti、Zr、Fe、Ni、Co、Mn、Cr、Pt等会发生反应，与黑色金属(铁碳合金)在加工中会发生化学磨损，所以，金刚石不能用于加工黑色金属只能用在有色金属和非金属材料上，而CBN即使在1000oC的高温下，切削黑色金属也完全能胜任。已成为未来难加工材料的主要切削工具材料。一般超硬材料指的是人造金刚石、人造CBN。这两种材料的同时存在，起到了互补的作用、可以覆盖当前与今后发展的各种新型材料的加工，对整个切削加工领域极为有利。

1．PCD

    金刚石烧结体（PCD）的出现，在许多方面代替了天然单晶金刚石。PCD与天然金刚石比较，价格便宜，且刃磨远比天然金刚石方便，所以其应用、推广特别迅速。在大量涌现的新材料中，大部分都是难加工材料，如高硅铝合金，汽车发动机的活塞大量采用这种材料。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，有的已达18%以上，所以非PCD莫属。
  但是，由于PCD的种类很多，有合理选择的必要。其粒度、浓度等都会影响到硬度、耐磨性等性能。因此，在应用中也必须根据被加工材料的种类。硬度等特性来考虑合理的各种参数。PCD在国内外的生产已十分普及，但是质量有较大的差异，因此在价格上出入很大。

2．PCBN

    立方氮化硼烧结体（PCBN）是CBN颗粒与结合剂一起烧结而成，硬度仅次于金刚石，与黑色金属无亲和力。但是，PCBN不适于切削一般的钢件。PCBN刀具材料性能如下：
  （1） 具有较高的硬度和耐磨性。
  CBN晶体结构与金刚石相似，化学键类型相同，晶格常数相近，因此具有与金刚石相近的硬度和强度。CBN微粉的显微影度为HV8000-9000，其烧结体PCBN的硬度为HV3000-5000。
   （2） 具有很高的热稳定性。
   CBN的耐热性可达1400-1500℃，PCBN在800℃时的硬度还高于陶瓷和硬质合金的常温硬度。
   （3） 具有优良的化学稳定性。
   由于PCBN耐高温，在大气和水蒸气中，在900℃以下无任何变化 且稳定，甚至在1300℃时，和Fe、Ni、Co等也几乎没有反应，更不会像金刚石那样急剧磨损，这时它仍能保持硬质合金的硬度，因此，它不仅能切削淬火过的钢零件或冷硬铸铁，而且能被广泛应用于高速或超高速的切削工作上。
   （4） 具有较好的导热性。
   在各类刀具材料中，CBN的导热性仅次于金刚石，大大高于硬质合金，而且随着温度的升高，PCBN的导热系数是增加的。
   （5） 具有较好的摩擦系数。
   与不同材料间的摩擦系数CBN为0.1-0.3,硬质合金为0.4-0.6,随着切削速度的提高, 摩擦系数是减小的。
　　
3．超硬材料涂层切削工具

    CVD、PVD等技术的出现，是切削工具领域中的一次重大的革命。它的出现立即引起了机械制造领域的巨大反响，理想的切削工具应当是既有硬的表面，又有高的韧性，涂层技术便达到了这个目标。
  最早的涂层材料都是陶瓷性质的物质，如TiN、TiC、Al2O3等，近年来，涂层技术又有了很大的发展。超硬材料涂层正在得到全面应用，许多产品相继出现在市场上。超硬材料涂层的发展，使整个现有的切削工具的性能都明显得到了提高，面对当前大量涌现的难加工材料，这些新发展的涂层技术将有巨大的适应能力，前景相当喜人?br>  超硬材料涂层的种类共有三大类，即类金刚石、金刚石和CBN。这些涂层材料均为纯金刚石或纯CBN,所以硬度与沉积的材料是相同的，和PCD与PCBN相比，因不含结合剂，所以硬度、耐磨性等均有较大的提高。
  金刚石涂层和CBN涂层的性能与原材料是相同的，只是薄膜而已，使用时与陶瓷涂层类同。

4.厚膜金刚石

    金刚石薄膜的合成技术和应用研究在全球范围发展极为迅速，形成了"金刚石薄膜热"。在这十多年内，气相合成的方法发展到二十多种，一般沉积的速度每小时只1～2um,如何加快沉积速度一直是人们研究的课题。在近期沉积速度发展到了100um/h以上，最高达到930um/h。我们称之为厚膜金刚石。厚膜金刚石是纯金刚石，其硬度接近天然金刚石，而PCD、PCDN是金刚石粉与结合剂混合在一起烧结而成，因此硬度受到结合剂的影响，其硬度不如前者。我国已成功地掌握了这门技术，最大的沉积厚度达到了2.3mm。现在已商品化，进入了国际先进行列。
  厚膜金刚石不同于PCD之处是没有结合剂，是纯金刚石，所以它的硬度高得多，与天然金刚石不同，它具有各向同性，成本低，因此在许多方面将取代PCD。用作拔丝模将是均匀磨损，因此拔丝的线材质量明显优于天然金刚石模具。如果沉积质量进一步提高，在超精密加工中也有取代天然金刚石的可能，因此颇受超精密领域的重视。
   总之，金刚石和超硬材料由于性能优越，应用不断地在扩大，已从金属加工发展到了光学玻璃加工、石材加工、陶瓷加工、硬脆材料加工等传统加工难进行的领域，对各种工业的发展将起到巨大的推动作用，前景十分广阔。

四、超硬刀具的主要品种及特点

    (1) PCD金属切削刀具

    ①．刀具种类：（以车刀为例，其它还有铣刀，铰刀，镗刀等。）

    ②．结构形式
    此类刀具从结构上主要可分为焊接式PCD刀具和可转位式PCD刀具。
    焊接式PCD刀具同普通硬质合金焊接刀具结构形式是一样的。见下图。

图一

    不同的是刃口材质不一样，几何参数不一样，加工对象不一样。
    可转位式PCD刀片是在硬质合金可转位刀片上焊接一小块PCD刀坯再经刃磨而成，可装夹在与之对应的高精度刀杆上，进行高效，大批量加工。随着数控机床、自动生产线的普及，可转位式PCD刀片的使用将越来越广泛，在一定条件下，其刀具耐用度较硬质合金刀具可提高几十倍至几百倍。

图二

    ③．刀具几何参数：
    金刚石切削工具的几何参数一般其前角为0°-5°，后角为5°～12°，其端部有两种，一是圆弧，另一为直线，后者有时称为修光刃，其长度根据被加工材料来选择。圆弧车刀在切削过程中的调整比较简单，而平刃的调整相对而言是很费时的。如果应用在高精度的曲面加工中，圆弧的刃磨要求就很严格，它精度的优劣会复印在曲面上。

   ④．切削用量

⑤．典型应用
    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，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1：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，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则只能加工几件。
    例2：采用PCD刀具加工各种硅铝合金零件，表面粗糙度Ra≤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。

(2) PCD木工刀具

    PCD木工刀具目前最主要的用途就是加工强化木地板。在加工强化木地板Al2O3耐磨层时，切削速度可达3,000m/min, ，进给量可达每分钟20米，且加工时噪音小，PCD刀具耐用度是硬质合金刀具的200倍以上，已完全取代硬质合金刀具。
    其它PCD木工刀具主要有PCD锯片和PCD家具成形铣刀等。 由于价格较贵或家具更新较快，国内应用不是很多。

   (3) PCBN金属切削刀具

    立方氮化硼(简称CBN) 虽然它的硬度稍逊于金刚石，但却是目前可用于加工硬化黑色金属的最硬的刀具材料。
    ①． 刀具种类及结构形式
    PCBN金属切削刀具也可分为可转位式PCBN刀具和焊接式PCBN刀具两类。

    可转位结构的PCBN刀片一般是在可转位硬质合金刀片的一个角上焊接一块PCBN刀坯，经刃磨而成。考虑到刀坯较贵及重磨等原因，一般只做成一个刀尖。随着焊接工艺质量的提高，PCBN刀坯尺寸越做越小，不重磨PCBN刀片的价格也随之降低。
    焊接式PCBN刀具是将PCBN刀坯焊接在钢基体上经刃磨而成，主要有车刀、镗刀、铰刀等。
    ②． 几何参数
    PCBN刀具的强度比硬质合金刀具低，因此在加工淬硬钢时，因此其刀尖角不能太小，刀具前角一般为-5°～0°，后角一般为6°～12°，断续切削时一般采用负倒棱，通常负倒棱尺寸取(0.1～0.5)×（10°～30°）为宜。这不仅有利于对切削刃进行补强，而且有很好的耐磨性。若切削刃进行适当的钝化处理，其效果更好。此外，在可能的情况下，尽量采用小主偏角和大的刀尖圆弧半径，这有助于保护刀刃，延长刀具的使用寿命。
    ③．切削用量：为了充分发挥PCBN刀片的优越性，取得满意的加工效果，在实际使用时，除参照下表所推荐的PCBN刀片选用的切削用量外，还应根据机床、工件及其它有关条件的具体情况全面考虑，合理选择。

   ③． PCBN刀具的典型应用及常见问题
    由于PCBN刀具材料具有优良的切削性能，所以特别适合加工其硬度在HRC45以上的淬硬钢、耐磨铸铁、HRC35以上的耐热合金以及HRC30以下而其它刀片很难加工的珠光体灰口铸铁。
    在加工淬硬钢时，径向力很大，这就要求机床功率要大，机床系统刚性要好，这既可保护PCBN刀具，又可获得满意的加工效果。装夹PCBN刀具时，刀具的悬伸长度要尽量短，以防止刀杆颤振和变形，使PCBN刀具保持良好的加工状态。而对于硬度高和不规则的工件，由于PCBN刀片较脆、怕冲击。刀具从工件端面切入、切出时，尤其表面有夹渣、砂眼、凹凸不平，最易发生冲击，刃口破裂，使耐用度降低。所以在使用PCBN刀具前，最好先将冷硬层粗车一次，并在工件切入切出端先倒角，以减小PCBN刀具冲击力。
    例1：
    工件材料 16CrMo5，HRC60-65 Ra0.8μm　　φ30×30止口
    刀片型号 CNMA120402, 负倒棱 250×0.1mm
    切削用量 V=140mm/min
             f=0.1-0.12mm/r
             aP=0.15-0.20mm
             干切,连续切削,1000个工件左右
    例2：汽车、摩托车齿轮孔的加工,齿轮孔精度为IT6。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，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。
    工件材料 20CrMnTi，渗碳淬火，HRC60-62 Ra0.8μm　　
    刀片型号 CNMA120402, 负倒棱 250×0.1mm
    切削用量 V=90mm/min
             f=0.1mm/r
             aP=0.1mm
    例3：
    工件材料 HT25-47, HB200, Ra1.6μm　　镗孔
    刀片型号 CCMW090304, 负倒棱 100×0.1mm
    切削用量 V=500mm/min
             f=0.2mm/r
             aP=0.08-0.20mm
             干切,连续切削,1000个工件左右
    硬材料的立方氮化硼有如下要求：
        CBN含量<60%;
        微颗粒结构;
        高的刃口强度;
        低的热传导
    这样的CBN可用于加工50-65HRC的硬材料，大致的切削规范是：
        切削速度Vc=300-800 m/min
        每齿进给量fz=0.08-0.12mm/Z
        切削深度ap不超过0.5 mm 

总结：

    （1） 切削高硬度淬硬钢刀具耐用度高。

   （2） 切削正火钢刀具耐用度低于硬质合金刀具。

   （3） 切削耐磨黄铜时刀具耐用度高于金刚石刀具。

   （4） 高速下PCBN刀具耐用度高。

   （5） 干切下PCBN刀具耐用度高。

    为很好地使用PCBN刀具，稳定地控制工件质量，准确判断PCBN刀具的耐用度至关重要。如果一直使用磨损已很严重的刀具，那么切削力及切削温度增加、切削不畅，就难以控制工件尺寸及表面完整性，甚至使PCBN刀具无法继续修磨而报废。为保证刀具的正常使用，建议PCBN刀具后刀面磨损量达0.3～0.6mm(精车时取小值)时应进行重磨。但重磨需要一定的设备和技巧，多数工厂的机床不具备适合的条件，一般PCBN刀具的重磨都应由专业厂来完成。
    PCBN刀具不适于加工较软的黑色金属材料。
    确定切削速度、进给量及切削深度要综合考虑生产效率和加工成本。一般来讲，其切削速度可比硬质合金刀具高2倍左右，高的切削速度产生大的切削热量，使被加工材料的塑性增大，有利于控制切屑和降低切削力。
    使用PCBN刀具时，可加冷却液，也可不加，使用冷却液时则一定要充分冷却。
    有关使用PCBN刀具常见的磨损形式，磨损原因及预防措施：
    1.月牙洼磨损
      工件硬度太软；切速太快；产生化学和扩散磨损
      改用硬质合金刀具或陶瓷刀具；降低切速；使用冷却液
    2.后刀面磨损
      切削速度太快；进给量太大；刀具后角太小
      减小切速和进给量；增大后角
    3.边界磨损
      主偏角太大；进给量太大；切速太小
      减小主偏角；减小进给量；增大切速
    4.断裂磨损
      系统刚性差；刀尖角太小；进给量与切速太大；刀具刃口脆
      提高系统刚性，增大刀尖角；降低进给量和切速并采用负倒棱刀具
    5.PCBN层破裂
      系统刚性差；工件冲击太大；PCBN层太薄，刀具刃口过脆
      提高工艺系统刚性；工件表面预加工和倒角；采用厚的PCBN层；采用负倒棱刀具