浅谈我国机械制造业中超硬刀具的应用状况

【摘要】我国的机械制造业中，除冲压、锻压、铸造等冷热模具成形方法外，金属的切削加工是最主要的加工方法。刀具作为金属切削加工的基础工艺装备正随着金属切削机床的快速发展发生着变革。超硬刀具由于其卓越的性能在现代加工技术中的地位和作用越来越显现。

【关键词】金属切削加工 刀具 超硬刀具

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2013）11-0232-01

我国的机械制造业中，除冲压、锻压、铸造等冷热模具成形方法外，金属的切削加工是最主要的加工方法。刀具和机床是金属切削加工的两个基础工艺装备。当前，金属切削机床不断发展，为我国现代机械制造业的发展提供了前提和保障，而金属切削刀具也正随着这种快速发展发生着变革。

一、我国机械制造业的现状与刀具的发展

近年来，随着国家经济发展及产业结构调整，制造业获得快速持续发展，总规模、总产量仅次于美国；出口已超过德国，达到世界第一位。但是我国的机械制造业仍然没有摆脱“大而不强，大而不精”的状况。除军工产业外，民用产业仍处于低中端的生产行列，高精刀具和机床很大程度上还依靠从欧、美、日进口，对采用先进的加工技术、使用高效刀具提高生产效率降低成本的认识还存在误区，从而制约了高效先进刀具的发展。

二、高效刀具的应用

现代切削技术和高效刀具是制造业提高生产力的重要保障，高效先进刀具是提高生产效率的最重要因素。以数控车床加工简单轴类件统计：刀体价格在400-600元，刀片价格在50元/片，对于批量在10000件以上的产品生产为计，刀具成本大约为0.2元/件，班产为300件；而采用普通车床，使用普通车刀，刀具成本大约为0.1元/件，班产为200件。从批量、精度要求、加工技能要求等各方面综合分析，最后使用刀体刀片将使成本降低15%。可见，使用高效先进的刀具加工效率远高于使用普通刀具加工。

刀具材料是刀具开发与应用的基础，对提高切削性能、切削效率起决定性作用。广泛应用的刀具材料一般有：高速钢（铣刀、钻头等）、硬质合金（合金钻、铰刀等）、超硬刀具材料（包括陶瓷、立方氮化硼、聚晶金刚石等，主要用于油气钻头）。按照现代制造业刀具材料的发展趋势，硬质合金材料正取代高速钢材料成为主要的刀具材料，而超硬刀具材料的应用也是日益大幅增加。

三、常用超硬刀具

随着机械制造业的发展，对刀具材料提出了更高的要求，如硬度高、耐磨性好、热稳定性好、防蚀能力强、低线性热胀率等，并开发出了新一代超硬材料的金属切削刀具。

具有代表性的超硬刀具主要有金刚石刀具和立方氮化硼刀具。人造金刚石复合片（PCD）刀具及立方氮化硼复合（PCBN）刀具是两种应用最广泛的超硬刀具。一般可以实现铸、锻毛坯件的高速、高效加工和一次性完成粗、精加工；适用于高速、精密和自动化加工；适用于精密磨削，并可显著提高磨削质量、磨削效率。目前，该类刀具被广泛的应用在了冶金、石油钻探、建筑工程、机械加工、仪器仪表、电子工业、航空航天以及现代尖端科学领域。

1.PCD金属切削刀具

适用于有色金属及耐磨非金属材料的加工。刀具结构主要有焊接式和可转位式两种。

近年来，采用焊接式莫氏标准刀柄的PCD铣刀、镗刀和铰刀发展较快，其它也可采用圆柱刀柄和HSK刀柄。这种刀具的特点是切削刃对刀柄的跳动小，一般刃长为30mm的HSK柄PCD铣刀的切削刃跳动仅为0.002mm，适合于对各种有色金属零件的面、孔、阶梯孔等大批量高速加工。

可转位式PCD刀片，通常装夹在各种数控机床的刀体、刀杆、刀夹或刀盘上，适用于大批量加工。随着数控机床的普及，可转位式PCD刀片日益增多。一般只需做刀具的转位紧固或刀片的更换就可重复加工，可大幅提升加工效率。

含硅量低于10%的铝合金，用硬质合金刀具就可加工。当含硅量超过10%时，只能使用PCD刀具加工。目前，汽车发动机活塞采用的高硅铝合金含硅量均在12%以上，有些超过18%。一汽发动机制造厂用PCD刀具精镗硅铝合金活塞销孔，当采用V=160m/min、f=0.08～0.10mm/r、ap=0.05mm时，耐用度达42，500件，是硬质合金刀具的90倍；加工表面粗糙度Ra值由原来的1.6降为0.2；每班可减少装调刀具等辅助时间30min，成本比硬质合金刀具下降约85%；用PCD刀具对气缸体的主轴承孔进行珩铰，代替珩磨，加工效率提高了数倍，且质量稳定。

2.PCBN金属切削刀具

刀具结构也可分为焊接式和可转位式两种。

焊接式刀具，是将PCBN刀坯焊接在刀具的钢基体上，再刃磨而成，主要有车刀、镗刀、铰刀等，多用于对耐磨黑色金属的加工。通常其刀尖角不能过小，一般前角为-5°～5°，后角为3°～7°。刀具排削槽容易刃磨，断续切削时可采用负前角。

转位结构的PCBN刀片，主要有车刀片和铣刀片。考虑到刀坯较贵重及重磨等因素，一般只做成一个刀尖。随着焊接工艺发展，其剪切强度可达0.8kg/m2。近年来PCBN刀坯尺寸越做越小，不重磨PCBN刀片的价格也随之降低。

用PCBN刀具精车硬度高于45HRC的淬硬钢效果非常好。切削速度在80～120m/min，切削深度在0.1～0.3mm，进给量在0.05～0.025mm/r，加工表面粗糙度为Ra0.3～0.6μm，尺寸精度可达0.013mm。采用刚性好的标准数控车床，使用PCBN刀具，精车表面粗糙度可达Ra0.3μm，尺寸精度可达0.01mm，相当于数控磨床加工水平。

用PCBN刀具加工渗碳淬火的20CrMnTi汽车变速箱同步器套拨叉，HRC58～62，切削速度V=150mm/min，进给量f=0.1mm/r，ap=0.2～0.3mm，刀具切削行程达到9.58km，以车代磨后，效率提高达4倍以上，加工成本降低为原来磨削工艺的1/3～1/2。

将经过特殊磨削的PCBN刀具用于超精密车床上，在切削深度为15～20μm、进给量为0.608μm/r转的条件下，切削加工表面光洁度可达Rmax=0.0254μm。在一般精度数控车床上切削不锈钢，也可获得Rmax=0.2μm以内的表面粗糙度。

四、刀具涂层技术

刀具涂层技术对改善刀具的性能和提高切削加工技术具有非常重要的作用。一般是在刀片的基体上采用气相沉淀法涂覆涂层，对于高速钢刀具有M2（W6Mo5Cr4V2）、M35（W6Mo5Cr

4V2Co5）涂层，PVD镀膜、氮化钛复合涂层、CrN、TiCN等。

近年来，PVD刀具正处于高速发展阶段。不同的切削加工条件，对刀具涂层薄膜的成分、结构会有不同的要求。在铝合金等有色金属和非金属材料的加工上，为了提高效率，金刚石涂层得到较普遍的应用，其可转位刀具和整体硬质合金刀具上都有使用。

随着国家综合实力的增强，国家对飞机、神舟系列飞船等重大项目的投入，机械制造、加工技术的不断完善，制造超硬材料刀具的技术水平也将大幅度提高。新品种将不断涌现，超硬材料刀具生产企业将形成自己的产品特色和市场定位。超硬材料刀具的应用领域将在汽车制造、航空航天等产业获得更多的拓展。

参考文献：

[1]王宝友 崔丽华（潍坊高等专科学校） 黄传真 艾兴（山东大学机械工程学院） 《刀具的发展与应用》 2001年

[2]《金属切削手册》.上海：上海人民出版社，1975.1 金属切削原理与刀具/洪慧良主编，―北京： 中国老动社会保障出版社，2006高等职业技术学院机械设计制造类专业教材