超硬刀具的發(fā)展與應(yīng)用

                        成都工具研究所　寇自力

    1 概述  

    超硬刀具主要包括金剛石刀具和立方氮化硼刀具，其中以人造金剛石復(fù)合片(PCD)刀具及立方氮化硼復(fù)合片(PCBN)刀具占主導(dǎo)地位。隨著現(xiàn)代制造業(yè)（尤其是汽車制造業(yè)）的快速發(fā)展，超硬刀具的生產(chǎn)及應(yīng)用也逐年快速增長(zhǎng)。至1997 年，PCD刀具年銷售額已達(dá)2.3億美元，PCBN刀具年銷售額為1.7億美元。  

    超硬刀具大部分用于汽車零部件的切削加工。其中，PCD刀具的60%用于汽車制造業(yè)，近30%用于木工刀具(至九十年代末期PCD木工刀具的份額已占到40%)；PCBN 刀具的1/2用于汽車制造業(yè)，約20%用于重型設(shè)備(如軋輥等)的加工。  

    近年來(lái)，隨著CNC加工技術(shù)的迅猛發(fā)展以及數(shù)控機(jī)床的普遍使用，可實(shí)現(xiàn)高效率、高穩(wěn)定性、長(zhǎng)壽命加工的超硬刀具的應(yīng)用也日漸普及，同時(shí)引入了許多先進(jìn)的切削加工概念，如高速切削、硬態(tài)加工、高穩(wěn)定性加工、以車代磨、干式切削等。超硬刀具已成為現(xiàn)代切削加工中不可缺少的重要手段。  

    2 超硬刀具的主要品種及特點(diǎn)  

    (1) PCD金屬切削刀具  
    PCD金屬切削刀具可利用PCD材料的高硬度、高耐磨性、高導(dǎo)熱性及低摩擦系數(shù)實(shí)現(xiàn)有色金屬及耐磨非金屬材料的高精度、高效率、高穩(wěn)定性和高表面光潔度加工。此類刀具從結(jié)構(gòu)上主要可分為焊接式PCD刀具和可轉(zhuǎn)位式PCD刀片。  

    近年來(lái)焊接式PCD刀具中發(fā)展較快的品種是帶標(biāo)準(zhǔn)刀柄的PCD刀具，如帶柄PCD銑刀、PCD鏜刀、PCD鉸刀等，刀柄型式主要為圓柱柄、錐柄和HSK柄。這種刀具（尤其是多齒刀具）的特點(diǎn)是切削刃對(duì)刀柄的跳動(dòng)�。ㄈ缛虚L(zhǎng)為30mm的HSK柄PCD銑刀的切削刃跳動(dòng)僅為0.002mm），尤其適合于對(duì)各種有色金屬零件的成形面、孔、階梯孔等進(jìn)行大批量高速加工。例如，采用鋁基體刀盤的PCD高速銑刀（六刃，直徑100mm），最高轉(zhuǎn)速可達(dá)20,000R/MIN, 以上，切削速度可達(dá)7,000M/MIN，適合于汽車零部件的成形面加工。  

    可轉(zhuǎn)位式PCD刀片是在硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片上鑲裝一塊PCD刀坯再經(jīng)刃磨而成，可裝夾在各種數(shù)控機(jī)床的刀桿、刀夾或刀盤上，用于高可靠性的大批量加工。隨著數(shù)控機(jī)床、加工中心及自動(dòng)生產(chǎn)線的日益普及，可轉(zhuǎn)位式PCD刀片的使用越來(lái)越多，其刀具耐用度較硬質(zhì)合金刀具可提高幾十倍。  

    (2) PCD木工刀具  
    PCD木工刀具主要可分為PCD鋸片和PCD成形木工銑刀兩大類。 PCD鋸片是將PCD刀坯焊接在鋸片基體上再經(jīng)刃磨后形成，其結(jié)構(gòu)與硬質(zhì)合金鋸片類似，不同之處是PCD鋸片的前角較硬質(zhì)合金鋸片小，一般為5°～10°，楔角為65°～75°，鋸片規(guī)格一般為ø100-450mm，鋸齒數(shù)可多達(dá)72齒。  

    PCD成形木工銑刀的主要品種有用于加工強(qiáng)化木地板Al2O3層的修邊刀、PCD槽形刀、PCD家具成形刀等，其加工方式是將PCD刀具的形狀一次性復(fù)�。ɑ蚪M合）到被加工木材上。PCD成形木工銑刀的切削速度可達(dá)3,000m/min, ，走刀量可達(dá)每分鐘數(shù)米，刀具耐用度是硬質(zhì)合金刀具的幾十倍甚至幾百倍，由于具有高效率、高耐用度等特點(diǎn)，尤其適合于大批量加工。  

    (3) PCBN金屬切削刀具  
    PCBN金屬切削刀具也可分為焊接式PCBN刀具和可轉(zhuǎn)位式PCBN刀片兩類。  

    焊接式PCBN刀具是將PCBN刀坯焊接在鋼基體上經(jīng)刃磨而成，主要有車刀、鏜刀、鉸刀等。PCBN刀具大多用于耐磨黑色金屬的加工，因此其刀尖角不能太小，刀具前角一般為-5°～5°，后角一般為3°～10°，斷續(xù)切削時(shí)一般采用負(fù)倒棱。 
轉(zhuǎn)位結(jié)構(gòu)的PCBN刀片（主要為車刀片和銑刀片）一般是在可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀片的一個(gè)角上鑲焊一塊PCBN刀坯，經(jīng)刃磨而成。考慮到刀坯較貴及重磨等原因，一般只做成一個(gè)刀尖。隨著焊接工藝質(zhì)量的提高，其剪切強(qiáng)度可達(dá)0.78kg/m²。隨著PCBN刀坯尺寸越做越小，不重磨PCBN刀片的價(jià)格也隨之降低。

    3 超硬刀坯的發(fā)展特點(diǎn)  

    超硬刀坯材料的開(kāi)發(fā)是發(fā)展超硬刀具的基礎(chǔ)。超硬刀坯材料的發(fā)展特點(diǎn)之一是產(chǎn)品系列化，適用于不同加工對(duì)象的規(guī)格品種不斷增加。例如，英國(guó)DeBeers公司新推出的 CTH025牌號(hào)(由Syndite 025發(fā)展而來(lái))PCD刀坯是為加工高耐磨材料而增加的牌號(hào)，其耐磨性進(jìn)一步提高；美國(guó)通用電氣公司(GE)的Compax1700也屬同類產(chǎn)品，是一種粒度更粗的PCD復(fù)合片；PCBN刀坯中的BZN6100是BZN6000的換代產(chǎn)品， BZN8200是BZN8100的換代產(chǎn)品，而新推出的 BZN7000則是一種純CBN燒結(jié)體，具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性和抗沖擊性，特別適合高硬度材料粗加工及鑄鐵的高速切削加工；類似產(chǎn)品還有瑞典Seco公司的 CBN300、美國(guó)Kenametal公司的KD420、日本京瓷公司的KBN30S等；日本三菱公司MB835牌號(hào)的PCBN刀坯適用于淬硬鋼的斷續(xù)切削，它通過(guò)細(xì)化CBN粒度(≤1µm)使切削力分散并增強(qiáng)了CBN粒子間的粘結(jié)力；日本住友電工的BNX25及英國(guó)DeBeers公司的DBC45等牌號(hào)同屬這一品種。  

    超硬刀坯的另一發(fā)展特點(diǎn)是刀坯尺寸不斷增大。目前國(guó)外超硬刀坯的供貨規(guī)格一般為ø50mm以上，ø74mm的復(fù)合片也能批量供貨，PCBN刀坯的最大規(guī)格可達(dá) ø101mm，小尺寸刀坯則是從大刀坯上切割下來(lái)的。大規(guī)格超硬刀坯成本更低，更適合于大批量使用。目前國(guó)內(nèi)只有ø20mm以下的刀坯供貨(國(guó)外七十年代即有此種規(guī)格刀坯)，這是因?yàn)閮擅骓斉c六面頂兩種超高壓高溫設(shè)備腔體尺寸差異所致。  

    超硬刀坯材料發(fā)展的第三個(gè)特點(diǎn)是CVD金剛石膜已由研制階段進(jìn)入商業(yè)化供貨階段。較典型的CVD金剛石薄膜刀具產(chǎn)品有美國(guó) Kenametal公司的KD100涂層刀片、KDF300牌號(hào)CVD金剛石薄膜硬質(zhì)合金立銑刀等。北京天地金剛石公司的CVD金剛石厚膜刀具也可批量供貨。據(jù)報(bào)道，英國(guó)Debeers公司已成功推出了ø250mm的CVD金剛石厚膜，而且有刀坯厚膜、光學(xué)厚膜、可線切割厚膜、曲面厚膜、透明厚膜等系列產(chǎn)品。  

    4 超硬刀具專用機(jī)床的類型及特點(diǎn)  

    用于加工超硬刀具的專用機(jī)床主要有以下三類：  

    (1) PCD刀具刃磨機(jī)床此類機(jī)床以瑞士Ewag公司的RS系列磨刀機(jī)為代表，該刃磨機(jī)床可利用陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪的鋒利性和一定的磨削壓力實(shí)現(xiàn)對(duì)PCD、PCBN及天然金剛石刀具的刃磨，其特點(diǎn)是機(jī)床剛性好，帶有投影測(cè)量裝置，是目前國(guó)外應(yīng)用最廣泛的超硬刀具專用刃磨設(shè)備。與此類似的產(chǎn)品還有日本大阪金剛石公司、 英國(guó)CoBom公司等制造的PCD刀具刃磨機(jī)。目前，PCD刀具刃磨技術(shù)不斷改進(jìn)，如將以彈簧產(chǎn)生的恒壓力改為氣動(dòng)壓力，并可在0～300N范圍內(nèi)調(diào)整，以適應(yīng)不同的磨削對(duì)象。為便于控制磨削尺寸，刃磨機(jī)上的刻度均帶有數(shù)顯裝置。臺(tái)灣遠(yuǎn)山公司將原刃磨機(jī)上的投影屏等光學(xué)裝置改為高精密攝像系統(tǒng)，配以精密的測(cè)量刻度，可在監(jiān)視器上顯示、控制磨削尺寸，可實(shí)現(xiàn)不停機(jī)在線測(cè)量，攝像機(jī)放大倍數(shù)從15～120倍可調(diào)，可研磨出R0.05mm的刃尖圓弧。  

    (2) 數(shù)控電火花PCB刀具成形機(jī)床此類設(shè)備以德國(guó)Vollmer公司的QWD系列機(jī)床為代表。該機(jī)床采用電火花線切割加工PCD、PCBN刀具，由于采用了先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)，加工出的多刃刀具的跳動(dòng)可控制在 0.001mm，刀具表面粗糙度可達(dá)Ra0.4µm。該機(jī)床有六個(gè)數(shù)控軸、兩個(gè)手動(dòng)軸，特別適合帶柄階梯鉆、銑刀、鋸片等多刃刀具的加工，一次輸入程序即可切割出階梯刀具、曲線刀具的刃、背、內(nèi)折線等幾何形狀，自動(dòng)化程度及加工精度均很高。不足之處是切割表面粗糙度稍遜于磨削表面，此外機(jī)床價(jià)格較為昂貴。  

    (3) 超精金剛石刀具研磨機(jī)該設(shè)備可對(duì)航空航天、軍工等行業(yè)用的超精加工直線刃金剛石刀具進(jìn)行研磨，刀具表面粗糙度Ra≤0.01µm, 刀具刃口半徑r≤0.1µm。該設(shè)備采用空氣靜壓主軸，精度0.1～0.2µm，研磨盤端面跳動(dòng)0.1～0.2µm/ø300mm。 

    5 超硬刀具的典型應(yīng)用  

    (1) 硬態(tài)加工，以車代磨  
    由于PCBN刀具具有極高的硬度及紅硬性，可使被加工的高硬度零件獲得良好的表面粗糙度，所以采用PCBN刀具車削淬硬鋼可實(shí)現(xiàn)“以車代磨”。應(yīng)用實(shí)例如汽車、摩托車齒輪孔的加工，此類零件材料一般為20CrMnTi，滲碳淬火，表面硬度為60～62HRC，齒輪孔精度為IT6，表面粗糙度Ra≤0.8µm。傳統(tǒng)加工工藝為：機(jī)加工->熱處理->磨削。采用超硬刀具“以車代磨”的加工工藝為：粗加工->熱處理->精加工。新工藝可大幅度提高加工效率，降低加工成本，原采用磨削工藝一班僅能加工100個(gè)小齒輪， 現(xiàn)采用PCBN刀具車削(切削參數(shù)V=60～120m/min，f≤0.12mm/r，ap≤0.1mm，一班能加工400個(gè)小齒輪，此外，分?jǐn)偟矫總�(gè)齒輪的加工成本也有所下降。  

    (2) 高速切削，高穩(wěn)定性加工  
    在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線上，灰鑄鐵缸體的缸孔精加工是關(guān)鍵工序之一，要求缸孔加工尺寸精度高、表面粗糙度值小、穩(wěn)定性好；由于生產(chǎn)線加工節(jié)拍快，要求切削速度高(通常V≥500m/min)，刀具壽命長(zhǎng) (加工孔數(shù)≥1000)，且倒角、止口、粗精鏜等多個(gè)工位的刀片壽命均應(yīng)滿足耐用度要求。采用PCBN刀具即可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔的高速切削及高穩(wěn)定性加工，其典型切削參數(shù)為： V=500m/min，f=0.2～0.4mm/r，ap=0.2～0.7mm；加工表面粗糙度Ra≤1.6µm ，刀具壽命>1,000件。  

    (3) 有色金屬的高速、高穩(wěn)定性、低粗糙度加工及鏡面加工  
    采用PCD刀具加工有色金屬時(shí)，由于金剛石硬度高，表面與金屬親合力小，且刀具一般拋光成鏡面，不易產(chǎn)生積屑瘤，因此加工尺寸穩(wěn)定性及表面質(zhì)量都很好，刀具壽命也較長(zhǎng)。 
例如，采用PCD刀具加工電機(jī)整流子的紫銅換向器，典型切削參數(shù)為：V=300m/min，f=0.08mm/r，ap≤0.15mm，加工表面粗糙度Ra0.1～0.2µm，刀具壽命>5,000件，而采用硬質(zhì)合金刀具則只能加工幾件。  

    采用PCD刀具加工各種硅鋁合金零件，表面粗糙度Ra≤0.1µm，刀具壽命可達(dá)幾千～幾萬(wàn)件，尤其適合汽車、摩托車零件的大規(guī)模生產(chǎn)。  

    采用單晶金剛石刀具，在超精密車床上可實(shí)現(xiàn)鏡面球形加工。機(jī)床采用超精密氣體靜壓主軸及回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，跳動(dòng)量≤0.3µm，工件采用高精度氣動(dòng)卡盤，可實(shí)現(xiàn)快速高精度定位。加工無(wú)氧銅材料時(shí)，表面粗糙度Ra≤0.025µm，圓度≤0.3µm；加工鋁件時(shí)，表面粗糙度Ra≤0.025µm。  

    (4) 干式切削，清潔化加工  

    采用PCBN刀具加工含硼鑄鐵缸套，切削參數(shù)：V=200m/min，f=0.1mm/r，ap=0.2～1mm，加工表面粗糙度Ra≤1.6µm，精度IT6，兩次刃磨間刀具壽命>100件，可實(shí)現(xiàn)“以車代磨”。由于采用干式切削，避免了切(磨)削液及砂輪灰對(duì)環(huán)境的污染，切屑也可回收再利用，符合清潔化生產(chǎn)要求。