超硬材料刀具在机械加工中的应用

超硬材料刀具在机械加工中的应用

罗军

自贡长城科瑞德新材料有限责任公司 四川自贡643000

摘要：机械加工中的超硬材料刀具，主要就是指运用硬度与金刚石相当的材料制作刀具，从根本上提升刀具自身的强度与韧性，保障干式切削与加工环节质量水平。为充分发挥出常用材料刀具的实际应用优势，需要加强超硬材料刀具研究力度，从根本上提升超硬材料刀具应用期间的有序性与合规性。针对此，本文着重分析了超硬材料刀具在机械加工中的应用要点，以期为相关工作人员提供理论性帮助。

关键词：超硬材料；刀具；机械加工

前言：超硬材料的硬度基本与金刚石相当，当前常见超硬的材料主要为立方碳化硼、金刚石等。现阶段金刚石是已知最硬材料，通过用其制造刀具，可以有效加工硬质产品，一次性完成粗加工与精加工，实际应用地位显著。

1、超硬材料刀具在机械加工中的应用特征

超硬材料加工刀具替代普通刀具展开切削处理，能够从根本上提升机械加工全过程质量水平，实现高速、精密、自动化加工目标[1]。不仅如此，超硬材料加工刀具也可被应用在成型、防形、尺寸定制等环节的精密加工中，切削质量水平更为显著，实际切削效率高，比普通刀具的效率提高至少数十倍。同时，超硬材料自身具备的高效性、低耗性更为显著，当前被主要应用在汽车、摩托车、矿山及玻璃等行业生产制造过程中。

2、超硬刀具材料在机械车削加工中的应用

超硬材料刀具具有脆性特征，在车削环节需要经过裂缝产生、扩展、材料成屑等过程。由于超硬材料的强度高、抗压性能较高，实际车削期间的难度进一步提升。因此在超硬材料刀具车削加工过程中，需要着重使用适宜刀具材料，如金刚石刀具等。

超硬材料刀具车削加工技术主要趋向于精密加工与超精密加工发展。在普通切削环境，难以实现陶瓷材料的精密加工要求，需要不断优化超精加工工艺参数，控制材料表面粗糙度，从根本上提升材料加工水平。

现阶段超硬材料刀具也会使用加热辅助车削技术，利用合理方式对加工材料进行加热处理，使车削表面或者整体达到适宜温度后再开始进行处理，从根本上提高材料的可加工性，增强实际车削效率。

2.1车削钢件

使用加工淬硬钢过程中，超硬材料刀具能够实现以车代磨目标。由于切削深度比磨削深度高出数十倍，因此加工成本可以下降到原有的1/5[2]。在实际加工环节，PCBN刀具的切削速度需要控制在每分钟80~120米，高硬度工件的切削速度可以适当下降。如果切削刀具的硬度为70HRC，切削速度主要被控制在每分钟60~80米，深度为0.1~0.3毫米。如果使用刚性较好的标准数控机床，可以充分发挥出超硬刀具材料刚性良好、刀口锋利等优势，尺寸精度能够被控制在0.01毫米，从根本上保障数控磨床加工水平。

原油加工磨削工艺加工小齿轮期间，一班只能加工100个小齿轮，通过使用超硬材料刀具进行车削，一班只能够加工400个小齿轮。不仅如此，分摊到每个小齿轮的加工成本也能够得到有效控制。

在将超硬材料刀具应用在汽车变速箱同步器的套拔叉生产环节，撤销速度可以达到每分钟150毫米，进给量为每转0.1毫米，车削刀具行程可以达到9.58千米。在以车代磨后，实际生产效率上升到4倍以上，加工成本比原有车削加工成本节省一半左右。

现阶段各国均将发展重点放在超精车床以及超硬刀具材料的实际应用过程中，并研发出了纳米切割技术，从根本上提升了机械加工切割期间的精度。

使用超硬材料刀具加工钢件，还体现在使用长城机床CK7820数控车床加工重型汽车变速器多档花键沉割槽等工件中，对从根本上提升加工速率与加工质量具有重要意义。

2.2车削加工铸铁件

在使用车削技术加工铸铁件过程中，材料硬度达到中等硬度水平就能够有效提升加工质量与效率，更加适用于现有大批量生产高速加工环节，与汽车加工领域。

在汽车发动机缸盖上的排气阀使用铜、钼高铬合金铸铁材料，能够切实提升洗消作业与车销作业水平，可以为有效应用在自动生产线上[3]。在使用超硬刀具材料进行整体加工过程中，刀片加工的平均耐用度为1200个阀座，加工表面粗糙度为0.4微米，锥面摆差小于等于0.05毫米，刀具具有整体运行寿命高、稳定性强等特征。

在汽车发动机生产线上，灰铸铁钢铁的钢孔精加工需要钢孔加工深度的精度较高、表面粗糙度小、稳定稳定性能良好。由于实际生产线的生产流程较快，切削速度高、刀具的使用寿命进一步延长。使用超硬材料刀具也可以实现发动机钢孔高速切削以及稳定加工目标。在实际切削加工作业期间，切削设备每分钟可加工500米，加工表面粗糙度小于等于1.6微米，刀具寿命大于1000件。

使用超硬刀具材料加工含硼铸铁缸套期间，加工切削参数为每分钟200米，加工表面的粗糙度小于等于1.6微米。两次刃磨之间的刀具寿命大于100件，能够实现以车代磨目标。由于使用了干式切削方式，避免产生出的切削液、砂轮灰尘对环境造成不利影响，切屑也可以回收再利用，实现了清洁化生产目标。

2.3车削加工合金工件

在将超硬材料刀具使用在车削加工合金工件过程中，销速度可控制在每分钟500~1000米

[4]。在使用超硬刀具材料车削高钴铬钼耐腐蚀耐热合金过程中，车削速度可以达到每分钟160米，为普通硬质合金刀具撤销速度的8倍。

通常情况下，硅含量低于10%的铝合金可以使用硬质合金刀具。但含硅量超过10%的铝合金只能够使用超硬材料刀具。

3、超硬材料刀具磨削加工

磨削加工也是超硬材料刀具常见加工手段，被广泛应用在实际加工工作中。磨削加工需要使用砂轮高速旋转，使砂轮上的超硬磨料颗粒磨平或切削超硬材料刀具。

当前国内外学者针对超硬材料刀具磨削工作展开了深入研究，并由此建立起了压痕断裂力学模型、磨削切粒加工模型，配合使用扫描电镜装置观察磨削后材料表面的形貌特征，在超硬材料刀具磨削、磨削加工损伤磨削控制工作中得到了广泛应用。

由于超硬材料刀具具有脆硬性、动态磨削课程，在实际加工过程中极易受到早期破坏或者宏观性破坏，引发金刚石刀具磨损严重问题[5]。因此在当前超硬材料刀具磨削工作开展期间涌现出了高效深磨、超声振动辅助磨削等技术手段。其中，高效深磨技术最早提出于20世纪80年代，在实际应用过程中配合使用了超硬磨料砂轮，再不下降工件改进速度的前提下从根本上提升了工件实际切除率，进一步增强了工件表面加工质量水平。

超硬材料刀具磨除工作不仅会受到加工条件的影响，还会受到纤维结构与力学性能的影响。在砂轮线速度不断增加的同时，磨削深度也会进一步减少，进一步降低了陶瓷材料脆性断裂痕迹。陶瓷材料在高速及超高速磨削作业中，还可以从根本上提高磨削效率，增强磨削效果。

超声振动助磨削技术主要就是利用超声振动加工能力，在传统磨削工作基础上，借助旋转磨削砂轮轴施加超声振动，利用砂轮的磨削作用及超声振动产生的撞击、空化作用，去除材料表面多余结构，保障实际加工效果。超声磨削技术手段，对材料表面粗糙度的影响不明显，可以有效抵御砂轮堵塞作用。采用较大磨削量，实际加工速度也比普通磨削速度更快。

4、超硬材料刀具在机械铣削加工中的应用

通过将超硬合金刀具使用在机械铣削加工过程中，切削速度最大可达到每分钟3000~4000米。具体而言，通过加工铝合金缸盖，改进速度可以达到每分钟5670毫米，是原有生产线生产效率的两倍[6]。通过使用精加工灰铸铁钢铁加工设施，细销速度能够达到每分钟2千米，是普通硬质合金材料铣刀的10倍。现有洗削玻璃螺旋内排液面铣刀可以分为10毫米、12毫米、16毫米20毫米等多种规格。

超硬材料刀具在铣削石磨过程中，具有较高的耐磨性能。许多领域已经将超硬材料刀具应用在高速切削铣床上，一次装夹刀具可加工20件牙刷电极，加工期间的精度高，在洗消加工后仅进行手工抛光就可以切实保障铣削质量与效率，对推动我国机械加工领域高质高效发展进程具有重要意义。

总结：总而言之，现阶段应用在机械加工刀具中的超硬材料中的增多，实际应用优势更为显著。相较于普通材料而言，超硬材料刀具的硬度、耐磨性及化学稳定性更为显著，可以从根本上提升机械加工切削环节的效率，控制实际加工成本。现阶段超硬材料刀具逐渐趋向于标准化、专业化方向发展，还可以配合使用各类先进控制技术，增强超硬刀具实际应用期间的规范性，为推动我国机械加工行业现代化、智能化发展进程奠定坚实技术基础。

参考文献：

[1]李钦庆,匙江涛,张春明,彭乐云,孙志杰. 超硬材料刀具在机械冷加工中的应用[J]. 科技视界,2021(23):68-69.、

[2]王建. 超硬材料刀具在机械加工中的应用研究[J]. 中国设备工程,2021(24):122-123.

[3]姚祥勇. 初探超硬材料刀具在机械冷加工中的应用[J]. 中国战略新兴产业,2018(44):204.

[4]左学智. 超硬材料刀具在机械冷加工中的应用[J]. 时代农机,2018,45(08):188.

[5]郑治国. 超硬材料表面微织构成形用超精密切割工具与工艺[D].沈阳工业大学,2020.

[6]樊旅豆. Al_2O_3基复合陶瓷刀具的制备与切削性能研究[D].西安工业大学,2022.