超硬材料刀具種類與性能分析
從目前的機(jī)械加工行業(yè)來看，傳統(tǒng)意義上的超硬刀具材料主要包括天然金剛石、人造金剛石以及立方氮化硼這三種材料。由于天然金剛石數(shù)量較為稀少，難以滿足機(jī)械加工行業(yè)的大規(guī)模需求。下面是yjbys小編為您搜集整理的超硬材料刀具種類與性能分析論文，歡迎閱讀，供大家參考和借鑒。
摘要：在機(jī)械加工過程中，刀具是基礎(chǔ)而又必備的工具。好的刀具除了具備極高的硬度，還要求具有較高的韌性。隨著機(jī)械加工技術(shù)的不斷成熟和完善，對(duì)于機(jī)械加工刀具的要求也逐漸變得嚴(yán)格。面對(duì)日益復(fù)雜多樣的機(jī)械加工，超硬材料刀具的優(yōu)越性能也引起了相關(guān)科研人員的注意和研究。尤其是在機(jī)械冷加工過程中，超硬材料刀的耐用程度更高，性能優(yōu)良，而且造價(jià)成本也較低，種種優(yōu)點(diǎn)都使得超硬材料刀具的應(yīng)用更加廣泛。
關(guān)鍵詞：機(jī)械加工;刀具;超硬材料;應(yīng)用
1超硬材料刀具的基本概念和發(fā)展概況
從目前的機(jī)械加工行業(yè)來看，傳統(tǒng)意義上的超硬刀具材料主要包括天然金剛石、人造金剛石以及立方氮化硼這三種材料。由于天然金剛石數(shù)量較為稀少，難以滿足機(jī)械加工行業(yè)的大規(guī)模需求。
人造金剛石雖然能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，但是由于成本較高，市場(chǎng)價(jià)格昂貴，因此也難以得到廣泛普及應(yīng)用。我國(guó)目前應(yīng)用于超硬材料刀具上的主流材料是聚晶立方氮化硼及其復(fù)合材料。超硬材料刀具的最早應(yīng)用在上世界五十年代的美國(guó)，科學(xué)家通過在實(shí)驗(yàn)高溫高壓狀態(tài)添加凝合劑的方法，制成了數(shù)量較大的氮化硼聚晶塊。
隨后的幾十年里，科學(xué)家又先后研制出了金剛石硬質(zhì)合金和氮化硼復(fù)合片，基本上解決了超硬刀具材料的來源問題。我國(guó)在超硬刀具材料的相關(guān)方面研究開始于上世紀(jì)七十年代，雖然起步較早，但是由于當(dāng)時(shí)各種外界條件的限制，無論是生產(chǎn)技術(shù)還是廠房設(shè)備條件都相對(duì)艱苦，所以研究工作進(jìn)展緩慢。直到二十世紀(jì)末才真正意義上開始對(duì)這方面進(jìn)行立項(xiàng)研究，目前已經(jīng)取得了較為顯著的成果。
2超硬材料刀具的種類與性能分析
CVD金剛石中不含任何金屬催化劑，其熱穩(wěn)定性和硬度在很大程度上近似于天然金剛石。CVD金剛石具有很強(qiáng)的抗磨損性和極高的硬度，是目前世界上公認(rèn)的最硬刀具材料。除此之外，CVD金剛石還具有摩擦系數(shù)小、熱導(dǎo)率高、切割效果好等諸多優(yōu)點(diǎn)，在進(jìn)行金屬和非金屬材料切割方面都具有很好的效果。
但是 CVD金剛石的熱穩(wěn)定性較差，而且硬度有余，韌性不足，在長(zhǎng)期切割產(chǎn)生高溫的情況下容易出現(xiàn)碳化現(xiàn)象，不能用于硬質(zhì)合金、鋼鐵合金等材料的加工。聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具，按照其構(gòu)成成分的不同，可以分為聚晶立方氮化硼復(fù)合片、整體聚晶立方氮化硼刀具以及電鍍立方氮化硼刀具三種類型。
其中，聚晶立方氮化硼是目前應(yīng)用較為廣泛的一種超硬刀具材料，具有極高的耐磨性和熱穩(wěn)定性，適用于目前多數(shù)機(jī)械加工操作，而且其材料來源較為廣泛，制造成本相對(duì)于金剛石要低，因此成為了機(jī)械加工刀具材料的主流選擇。人造聚晶金剛石是在高溫高壓狀態(tài)下，加入金屬凝結(jié)劑將金剛石單晶體材料結(jié)合形成的一種材料。在硬度方面，處于CVD金剛石和天然金剛石之間，但是其韌性要高于兩者，同時(shí)還具有較好的兼容性和可焊性。目前人造聚晶金剛石多用于精密小型部件的加工切割。
3超硬材料刀具在機(jī)械冷加工中的應(yīng)用
3.1在車削加工中的應(yīng)用
在車削鋼件材料加工時(shí)，對(duì)于淬硬鋼的加工，超硬材料刀具能夠在很大程度上實(shí)現(xiàn)以車代磨的加工效果。在切削加工過程中，由于其切削深度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于磨削，極大程度上提高了以車代磨的工作效率，從而降低了加工制造的成本。需要注意的是，在進(jìn)行高硬度機(jī)械部件加工時(shí)，要采取低速或中低速的切削方式，防止超硬材料刀具偏離切割軌道。在車削鑄鐵件時(shí)，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的排氣閥座，可以選擇銅、鉬高鉻合金鑄鐵，這種材料的加工一般有車削和銑削2種工藝。用PCBN 材料所制的刀具加工灰鑄鐵剎車盤時(shí)，其切削速度一般在700～2000m/min最適宜。
3.2在銑削加工中的應(yīng)用
用PCD材料制成的刀具銑削鋁合金時(shí)，其速度可達(dá)到300～4000m/min;用PCBN制成的刀具銑削灰鑄鐵時(shí)，其速度一般在 1000～2000m/min范圍內(nèi)。目前，我國(guó)加工鋁合金缸蓋的PCD面銑刀切削速度已達(dá)到了4021m/min，其進(jìn)給速度為5670mm/min，這種效率是我國(guó)20世紀(jì)90年代初期引進(jìn)外國(guó)設(shè)備的2倍。精加工灰鑄鐵缸體的CBN面銑刀銑削速度也達(dá)到了2000m/min，其效率是硬質(zhì)合金面銑刀的 10倍之多。在玻璃深加工中，銑削玻璃的PCD螺旋內(nèi)排液面銑刀應(yīng)用最為廣泛。
3.3在拉削加工中的應(yīng)用
在拉削加工中，一般采用復(fù)合式漸開線跳齒內(nèi)孔超硬材料拉刀加工工件孔，其優(yōu)點(diǎn)主要有兩點(diǎn)：
其一是花鍵刃開側(cè)隙的刀齒結(jié)構(gòu)和合理的跳齒排布方式，保證了拉刀的制造質(zhì)量，而且其制造工藝不復(fù)雜，成本與普通的復(fù)合式漸開線拉刀相比也沒有太多差別。
其二是這種加工方式保證了工件內(nèi)孔各形面間的同軸度，在后續(xù)加工工序中，可以統(tǒng)一選用小徑圓面為定位基準(zhǔn)，從而使得后序檢驗(yàn)心軸和定位心軸的制作簡(jiǎn)化了許多，同時(shí)也保證了各加工表面的位置精度。
3.4在鉸削加工中的應(yīng)用
在硬鑄件小孔或淬硬鋼的鉸削加工中，PCBN電鍍鉸刀應(yīng)用十分廣泛。這類鉸刀以9CrSi或42HRC的45#鋼作為基體，具有切削和前后導(dǎo)向部分。其基體設(shè)計(jì)要十分合理，且制造精度要求很高，切削部分要比前導(dǎo)向部分大0.04mm，工件孔深要小于切削區(qū)長(zhǎng)度，切削區(qū)長(zhǎng)度要比后導(dǎo)向長(zhǎng)度略小。
例如，某工廠加工直徑大約為12mm的淬火鋼工件，其硬度為45HRC，底部尺寸大約為12mm，加工要求孔的圓柱度為0.005mm，表面粗糙度為 0.2μm。這個(gè)時(shí)候一般選用的是一組5把電鍍CBN鉸刀來進(jìn)行加工。有些發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠用PCBN或PCD電鍍鉸刀珩鉸汽缸體的主軸承孔來代替珩磨，這種做法使工作效率提高了數(shù)倍，且加工成品質(zhì)量穩(wěn)定。
3.5在鉆削加工中的應(yīng)用
用PCD鉆頭加工工程陶瓷、玻璃和石材的現(xiàn)象十分常見。很多玻璃店和玻璃深加工企業(yè)都使用PCD鉆頭來鉆削玻璃和鏡子的孔。目前，我國(guó)常見的金剛石鉆頭直徑一般在3～130mm之間。玻璃鉆頭有樹脂金剛石的，也有鑲嵌金剛石的。用PCD鉆頭加工石材和工程陶瓷具有效率高、質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)。金剛石電解鉆削可用來成型各種難加工導(dǎo)電材料上的圓柱孔(盲孔和通孔)、特型孔和圓錐孔。
結(jié)語(yǔ)
現(xiàn)階段，機(jī)械加工部門對(duì)于機(jī)械加工的要求日趨復(fù)雜多樣，除了保證加工質(zhì)量之外，在加工平整度、光滑度以及抗磨損性能等方面也提出了較高要求，傳統(tǒng)的金屬或金屬合金刀具已經(jīng)不能滿足條件苛刻的機(jī)械加工需求。超硬材料刀具的使用能夠很好的解決這一加工問題，加上超硬材料本身所具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在不同領(lǐng)域的機(jī)械加工工作上都取得了較為顯著的成績(jī)。為了實(shí)現(xiàn)超硬材料刀具的規(guī)�；褂茫嵘龣C(jī)械加工質(zhì)量和加工效率，廣大機(jī)械加工人員需要不斷加強(qiáng)自身專業(yè)技能的學(xué)習(xí)，深入了解和分析超硬材料刀具在機(jī)械加工中的問題和不足，以便于采取相應(yīng)的優(yōu)化和完善對(duì)策，為機(jī)械加工的進(jìn)一步發(fā)展提供基礎(chǔ)保障。
參考文獻(xiàn)：
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