聚精金剛石刀具性能

          金剛石刀具具有硬度高、抗壓強度高、導熱性及耐磨性好等特性，可在高速切削中獲得很高的加工精度和加工效率。金剛石刀具的上述特性是由金剛石晶體狀態(tài)決定的。在金剛石晶體中，碳原子的四個價電子按四面體結構成鍵，每個碳原子與四個相鄰原子形成共價鍵，進而組成金剛石結構，該結構的結合力和方向性很強，從而使金剛石具有極高硬度。

  一：pcd刀具材料的主要性能指標：

   ①pcd的硬度可達8000hv，為硬質合金的80～120倍；②pcd的導熱系數(shù)為700w/mk，為硬質合金的1.5～9倍，甚至高于pcbn和銅，因此pcd刀具熱量傳遞迅速；③pcd的摩擦系數(shù)一般僅為0.1～0.3（硬質合金的摩擦系數(shù)為0.4～1），因此pcd刀具可顯著減小切削力；④pcd的熱膨脹系數(shù)僅為0.9×10 6～1.18×10 -6，僅相當于硬質合金的1/5，因此pcd刀具熱變形小，加工精度高；⑤pcd刀具與有色金屬和非金屬材料間的親和力很小，在加工過程中切屑不易粘結在刀尖上形成積屑瘤。

國際上的人造金剛石復合片生產(chǎn)商主要有英國的 beers公司、美國ge公司、日本住友電工株式會社等。國內從事pcd刀具研發(fā)、生產(chǎn)的有上海舒伯哈特、鄭州新亞、河南大陽，南京藍幟、深圳潤祥、成都工具研究所等幾十家單位。目前，pcd刀具的加工范圍已從傳統(tǒng)的金屬切削加工擴展到石材加工、木材加工、金屬基復合材料、玻璃、工程陶瓷等材料的加工。

二：pcd刀具的制造過程

   主要包括兩個階段：①pcd復合片的制造：pcd復合片是由天然或人工合成的金剛石粉末與結合劑（其中含鈷、鎳等金屬）按一定比例在高溫（1000～2000℃）、高壓（5～10萬個大氣壓）下燒結而成

②pcd刀片的加工：pcd刀片的加工主要包括復合片的切割、刀片的焊接、刀片刃磨等步驟。

焊接溫度的控制十分重要，如焊接溫度過低，則焊接強度不夠；如焊接溫度過高，pcd容易石墨化，并可能導致“過燒”，影響pcd復合片與硬質合金基體的結合。在實際加工過程中，可根據(jù)保溫時間和pcd變紅的深淺程度來控制焊接溫度（一般應低于700℃）。國外的高頻焊接多采用自動焊接工藝，焊接效率高、質量好，可實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)；國內則多采用手工焊接，生產(chǎn)效率較低，質量也不夠理想。

三：pcd粒度的選擇

   他的選擇與刀具加工條件有關，如設計用于精加工或超精加工的刀具時，應選用強度高、韌性好、抗沖擊性能好、細晶粒的pcd。粗晶粒pcd刀具則可用于一般的粗加工。

四：后角大小的影響

   后刀面對加工質量有明顯影響，較小的后角、較高的后刀面質量對于提高pcd刀具的加工質量可起到重要作用。

pcd復合片與刀桿的連接方式包括機械夾固、焊接、可轉位等多種方式

五：金剛石pcd刀具的加工對象：

金剛石“pcd”刀片專業(yè)用于銅、鋁、鋁合金、硬質合金等有色金屬以及非金屬高硬度耐磨材料（如工程塑料）的精加工。具有使用壽命長、生產(chǎn)效率高、加工表面光潔度高、加工精度高等特點。比硬質合金及天然金剛石刀具加工效率高而成本低，廣泛應用于汽車、柴油機、摩托車、航天航空、家電、儀器精密機械等行業(yè)。

立方氮化硼的性質以及切削參數(shù)

   立方氮化硼（cbn）是上世紀70年代初發(fā)明的一種新型刀具材料，國外應用相當普及，特別適用于切削難加工材料，效果不錯，我國還處于起步階段，在汽車、軸承、工具等領域的應用剛剛開始，隨著世界制造技術向中國內地轉移，數(shù)控技術和微電子技術的飛快發(fā)展，高效率、高質量、高精度切削加工日趨成熟，對cbn刀具需求量大幅提升，認識和了解cbn并應用于實踐是大勢所趨。

1 立方氮化硼刀具的主要性能特點
1.1 很高的硬度和耐磨性
　　cbn晶體結構與金剛石相似，同屬面心立方晶系，不僅晶格常數(shù)相近，且晶體中化學鍵的類型也相同，因此具有與金剛石相近的硬度。cbn微粉的顯微硬度為8000～9000hv，聚晶立方氮化硼（pcbn）燒結體的硬度達到3000～5000hv。在切削耐磨材料時其耐磨性為硬質合金刀具的50倍，為涂層硬質合金刀具的30倍，為陶瓷刀具的25倍。pcbn特別適用于以前只能磨加工的高硬度材料，能獲得較好的表面粗糙度，實現(xiàn)“以車代磨”。從而可以消除“磨退火”弊病，并簡化工藝，大幅度節(jié)約工時，增加經(jīng)濟效益。
1.2 較高的熱穩(wěn)定性
　　cbn的耐熱性達到1400～1500℃，比金剛石的耐熱性（700～800℃）幾乎高1倍。cbn在1370℃以上由立方晶體變?yōu)榱骄w而開始軟化。pcbn在800℃時的硬度還高于陶瓷和硬質合金的室溫硬度。因此pcbn刀具可用比硬質合金刀具高3～5倍的速度切削高溫合金和淬硬鋼。
1.3 優(yōu)良的化學穩(wěn)定性
　　cbn是化學惰性特別大的物質，在中性的、還原性的氣體介質中，對酸和堿都是穩(wěn)定的，在大氣和水蒸氣中，900℃以下無任何反應，且穩(wěn)定。與鐵系材料到1200～1300℃時也不發(fā)生化學作用，與碳在2000℃時才起反應。實踐證明，cbn與各種材料的粘接和擴散作用比硬質合金小得多。cbn具有很高的抗氧化能力，在1000℃時也不會產(chǎn)生氧化現(xiàn)象。因此，pcbn刀具很適合切削淬火過的零件和冷硬鑄鐵。
　　但是，cbn在1000℃以上會與水起化學反應，因此濕切削時要選擇好切削液，使用干切削。
1.4 良好的熱導性
　　cbn的熱導性雖然趕不上金剛石，但是在各類刀具材料中pcbn的熱導性僅次于金剛石，大大高于高速鋼和硬質合金。熱導率高可使刀尖溫度下降快，減少刀具的磨損，有利于加工精度的提高。
1.5 較低的摩擦系數(shù)
　　cbn與不同材料間的摩擦系數(shù)約為0.1～0.3，比硬質合金的摩擦系數(shù)（0.4～0.6）小得多。隨著切削溫度的提高，摩擦系數(shù)減少。低的摩擦系數(shù)可使切削力減少，切削溫度降低，被加工表面質量提高。
　　cbn刀具有很多優(yōu)點，但也有軟肋，如脆性大，強度及韌性較差，我們要揚長避短，充分發(fā)揮其效能。

2 立方氮化硼刀具在切削加工中的應用實例
2.1 高速、高精度加工模具用cbn立銑刀
　　近年來，加工中心機床的高速化極大地促進了模具加工的高速化。早期，高速鋼立銑刀是模具加工的主流刀具，當機床主軸超過1萬轉后，涂層硬質合金立銑刀成為主流加工刀具；如今，主軸Zui高轉數(shù)達4～6萬轉的加工中心機床開始普及使用，cbn立銑刀就成為模具加工的主流刀具了。
　　日本佳友電工超硬材料公司與越工具公司首次合作，開發(fā)了轉速超過2萬轉/min的高速銑削的cbn球頭立銑刀，刀具直徑φ0.4～20mm，共10種規(guī)格。該銑刀的使用壽命是同規(guī)格硬質合金球頭的立銑刀的4倍以上，價格為2.43～2.55萬日元。2006年兩個公司的刀具銷售額高達1億日元。今后隨著模具高效加工的需求不斷增加以及每分鐘2～2.5萬轉高性能高速機床的普及使用，對cbn刀具需求量會快速增加[1]。
2.2 用pcbn刀片精車淬硬鋼
　　采用pcbn刀片精車硬度高于45hrc的淬硬鋼工件，可取得很好的加工效果。精車時的切削速度一般為80～120m/min，若工件的硬度較高時宜取低值；如車削硬度為70hrc的工件（如粉末高速鋼）時其車削速度一般取60～80m/min。精車時選擇切深為0.10～0.30mm，進給量為0.05～0.025mm/r，精車后的表面粗糙度可達ra0.3～0.6μm，尺寸精度可達0.013mm。由于pcbn刀具的剛性好且刀口鋒利，若能在剛性好的標準數(shù)控車床或車削加工中心上使用，則精車后工件表面的粗糙度可達ra0.3μm以下，尺寸精度可達0.01mm，達到數(shù)控磨床的加工水平。
　　精車時一般不用冷卻液，因為在較高的切削速度下，大量的切削熱被切屑帶走。精車刀片宜選用強度和韌性高的80°菱形刀片，刀尖半徑為0.8～1.2mm，為保護刀具刀口，提高刀具耐用度，使用前應用細油石倒棱。
2.3 用pcbn刀具加工鑄鐵
　　在現(xiàn)代切削加工中，灰鑄鐵由于其內部結構的特性原因，一直是切削加工中的難題。如果切削刀具選用不當，切削工藝不正確，不但切削費用高，原材料浪費大，且生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品質量差。針對這種情況，美國通用電氣公司（ge）經(jīng)過多次實驗和應用實踐，證明pcbn刀具是加工灰鑄鐵的理想刀具[2]。
　　采用pcbn刀具車削灰鑄鐵時，許多可變因素如切削參數(shù)、刀具幾何形狀、機床性能及工件材料都會影響車削加工的效果。以下僅舉車削參數(shù)為例。
　　pcbn車刀在加工灰鑄鐵時，其切削用量的正確選擇是加工中非常重要的一環(huán)，實踐證明，其切削速度選擇在600～1200m/min范圍內，進給量應在1.52～10.16mm之間，吃刀量（doc）應在0.12～2.54mm區(qū)間。如果偏離這個范圍加工，則會出現(xiàn)刀具使用壽命縮短，加工精度降低和表面質量差等問題。在切削速度、進給量和切刀量三個因素中，切削速度是Zui主要的因素。ge公司的經(jīng)驗表明，按照推薦的參數(shù)進行車削時，刀具的磨損量是隨著切削速度的增加而降低，也就是說切削速度的快慢直接影響刀具的磨損程度。
　　為了解決pcbn刀具在切削中的磨損問題，ge公司在試驗中發(fā)現(xiàn)，刀具的氧化磨損與切削時間和切削溫度有關，只有將切削溫度和切屑接觸區(qū)降至Zui低程度，才能消除或降低刀具氧化磨損問題。
2.4 用pcbn刀具精密切削gcr15淬硬鋼
　　按照傳統(tǒng)工藝，精磨往往是淬硬軸承鋼常用機械加工方法，隨著數(shù)控機床等加工設備精度的提高及pcbn刀具的成功應用，以車代磨完成精加工已成為加工淬硬軸承鋼的新途徑。
　　由于pcbn刀具材料脆性大，因此使用前一般都要進行倒圓（r200～400μm）和倒棱處理。在切削過程中，由于切削深度和進給量均很小，大鈍圓和負倒棱實際上成為刀具主要參與切削的部分。
　　用pcbn刀具連續(xù)切削淬硬軸承鋼時，常用切削速度為90～200m/min，進給量為0.05～0.20mm/r，切削深度為0.10～0.50mm，所需的切削功率并不大，但刀具所承受的沖擊力卻是普通切削的3倍以上[3]，單位切削力高達5000mpa。
2.5 機夾pcbn可轉位刀片面銑刀端銑加工cr12mov鋼模具
　　cr12mov鋼模具經(jīng)淬火回火后硬度為60～62hrc，機夾pcbn可轉位刀片端面銑刀切削參數(shù)為：主軸轉速110m/min，進給量0.40mm/r，銑深0.2～0.3mm，銑削表面粗糙度ra0.4～0.8μm，實現(xiàn)了以銑代磨，工效提高5倍以上。
2.6  cbn鉸刀鉸削淬硬鋼
　　在經(jīng)調質的刀體上鑲cbn刀刃的鉸刀，用這種鉸刀在c620-3車床上加工硬度為60～63hrc的gcr15鋼環(huán)和硬度為62～64hrc m2鋼軸套上鉸孔，在轉速30～130m/min，進給量0.07～0.20mm/r，鉸深0.1～0.4mm時，都能獲得滿意的效果，且沒有振動和切削刃嚴重磨損的情況，表面粗糙度可達ra0.2μm。