在現(xiàn)代機(jī)械加工中，刀具材料以硬質(zhì)合金和高速鋼用得最多，幾乎各占一半。高速鋼的發(fā)明和應(yīng)用，已有整整一個(gè)世紀(jì)的歷史，硬質(zhì)合金則已有半個(gè)世紀(jì)。但二者均研制出許多新品種，其性能不斷提高，在機(jī)械加工中發(fā)揮著重要作用。近年來，隨著數(shù)控加工技術(shù)的迅猛發(fā)展以及數(shù)控機(jī)床的普遍使用，要實(shí)現(xiàn)高效率、高穩(wěn)定性、長壽命加工。超硬刀具的應(yīng)用也日漸普及起來，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。 -
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(一)超硬刀具 {I&>`?7.
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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(PCBN)刀具占主導(dǎo)地位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)小(如刃長為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�？赊D(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刀片的使用越來越多，其刀具耐用度較硬質(zhì)合金刀具可提高幾十倍。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�？紤]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。 1I<D
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(二)超硬刀具的典型應(yīng)用 &CV%+
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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。
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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(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。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。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。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。以上所說的刀具價(jià)格比較貴一些小型生產(chǎn)廠家由于成本的問題不會(huì)去大量購買。 4'cdV0]
(三)我國的新型刀具 2bPrND\P=
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這種添加稀土元素的硬質(zhì)合金是刀具材料新品種之一。稀土元素是指化學(xué)元素周期表中原子序數(shù)57～71(從La到Lu)，再加上21和39(Sc和Y)，共17個(gè)元素。將某些稀土元素，以一定方式，微量添加到傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金牌號(hào)中，即可有效地提高它們的機(jī)械性能與切削性能。我國稀土元素資源豐富，對(duì)稀土硬質(zhì)合金的研究開發(fā)，領(lǐng)先于其他國家。已研制出下列牌號(hào)的刀具用稀土硬質(zhì)合金：YG8R(相當(dāng)于ISOK30級(jí)別)、YG6R(K20)、YW1R(M10)、YW2R(M20)、YT5R、YT14R(P20)、YT15R(P10)、YS25R(P25)。還有礦山、地質(zhì)工具牌號(hào)YG11CR。在YG8、YT14、YW1硬質(zhì)合金中添加了Ce、Y等稀土元素后，形成了稀土硬質(zhì)合金YG8R、YT14R、YW1R。YG8R主要用于鑄鐵和有色金屬的粗加工；YT14R主要用鋼材的半精加工；YW1R則為通用牌號(hào)，可用于各種工件材料的半精加工。經(jīng)過測(cè)試，添加稀土元素后硬質(zhì)合金的組織比較致密；室溫硬度和高溫硬度有所改善；斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度顯著提高，分別提高20%和10%以上。稀土元素在自然界蘊(yùn)藏豐富，價(jià)格不高，添加在硬質(zhì)合金中可以明顯地提高機(jī)械、物理性能和使用性能，故有廣闊的應(yīng)用前景。 `$ql>k-6C
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稀土硬質(zhì)合金的耐磨損和使用壽命試驗(yàn) 3<88j&9
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通過一些試驗(yàn)，稀土硬質(zhì)合金與無稀土元素的原刀片相比，YG8R、YT14R、YW1R刀片的耐磨性和使用壽命均有不同程度的提高。 b *+Od8r
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稀土硬質(zhì)合金與無稀土元素的原刀片相比，在車削花鍵軸鋼件，便刀尖受沖擊，直至刀尖破損為止。經(jīng)多次重復(fù)試驗(yàn)，在刀尖破損前，YG8R、YT14R、YW1R刀片所能承受的沖擊次數(shù)分別比YG8、YT14、YW1刀片提高1～2倍以上等優(yōu)勢(shì)。稀土元素存在于(W,Ti)C或(W,Ti,Ta,Nb)C固溶體中，能強(qiáng)化硬質(zhì)相；并能抑制WC晶粒不均勻長大，使之趨向均勻，平均晶粒尺寸有所減小。少量稀土元素還固溶在粘結(jié)相Co中，使粘結(jié)相得到強(qiáng)化。稀土元素富集在WC/Co的相界面處及(W,Ti)C/(W,Ti)C等相界面間，常與雜質(zhì)S、O等化合形成RE2O2S等化合物，改善了界面上潔凈狀況并提高了硬質(zhì)相與粘結(jié)相的潤濕性。由此，稀土硬質(zhì)合金的沖擊韌性、抗彎強(qiáng)度及工作時(shí)的抗沖擊能力明顯得到提高。其硬度、耐磨性及刀具表面上抗擴(kuò)散和抗氧化的能力亦有一定提高。經(jīng)過電鏡測(cè)試，還發(fā)現(xiàn)稀土硬質(zhì)合金刀片在切削時(shí)表層有富鈷現(xiàn)象，故能降低切屑、工件與刀具間的摩擦系數(shù)，從而可以降低切削力。
