超硬材料刀具在机械加工中的应用研究

王建

（保定京铁轨道装备有限公司，河北 保定 071023）

超硬刀具材料，为天然金刚石、人造金刚石、立方碳化硼。天然金刚石价格昂贵，工厂加工制造以人造聚晶金刚石为主。立方碳化硼，是经过化学加工的复合型材料。以超硬刀具材料研究可知，各项材料生产原料为国外进口，国外金钩成套材料合成设备、技术引进，能够促进超硬刀具向材料机械化加工方向发展。

1 人造刀具材料种类与性能

在超硬刀具材料中，人造金刚石属于应用广泛材料。金刚石加工制造，应当在低压条件下，与单晶体金刚石不同。金刚石的硬度、耐磨度较高，属于加工制造刀具的最佳材料。金刚石摩擦系数较低，并且与非铁元素的亲和力较差，传导热量能力大，切削操作会产生堆积屑沫。针对表面加工制作操作，表面加工质量佳，能够融合非铁金属材料。

金刚石物质的韧性差，热能稳定性不足。在高温状态下，金刚石极易碳化，因此无法制作铁制品。高温状态下，铁原子、碳原子产生化学反应，极易产生石墨，使用此种材料加工镍基合金切削时，会加剧金刚石磨损。

人造聚晶金刚石，被称为金刚石烧结体，注重高温、高压加工处理，使用钴金属结合剂，将金刚石单晶体聚集为多晶体。人造金刚石硬度，明显不及单体金刚石硬度，然而人造聚晶金刚石为随机取向，和金刚石晶体聚合颗粒的属性不同。因此，人造聚晶金刚石、单晶体金刚石，在晶体表面强度、硬度、耐磨损度差别大。加工切削处理中，切削刃对衣物外损坏不敏感，抗磨损能力强，可以确保切削刃耐磨度与锋利度。机器加工处理中，承受高速运转、大作用力，使用寿命为普通硬质刀具50倍。人造聚晶金刚石原料丰富，市场价格低廉，生产刀具硬度非常高，会延长使用寿命，增加耐磨损系数，具备良好导热性，且膨胀系数低。

聚晶立方碳化硼刀具，按照含有成分不同，可以将材料划分为以下几类：第一，聚晶立方碳化硼刀具，刀具硬度高，且耐磨性、耐热性强，加工制造的化学稳定性高，且导热能力强，明显降低摩擦系数数值。聚晶立方碳化硼刀具，和人造晶体金刚石刀具材料性质、结构相似，然而耐磨性不足，因此多应用到冷硬铸造零部件、加工制造淬硬钢、喷焊材料。

2 超硬材料刀具在机械加工中的应用

2.1 车削加工

钢件车削加工处理中，加工淬硬钢材料，必须合理应用超硬材料刀具。在应用期间，超硬材料刀具能够以车代磨，同时确保切削深度大于磨损高度。车削加工，可以提升加工效率，降低成本费用。比如，45HRC淬硬钢加工处理时，通过PCBN刀具车削加工，确保切割速度在80-120m/min。工建硬度持续增加，能够降低加工速度。

2.2 铣削加工

铣削加工铝合金时，通过PCD材料制造硬质材料刀具。应用期间，加工速度高达每分钟4000m，缩短加工制造时间。国内工艺加工铝合金时，应用PCD刀具，能够使加工速度达到每分钟4012m。玻璃深加工处理时，广泛应用PCD螺旋内排液面铣刀。

2.3 镗削加工

分析当前发展可知，汽车发动机缸孔的镗削加工，开始广泛应用PCBN刀具。应用PCBN刀具，主要应用聚晶立方氮化硼材料，延长使用寿命，尺寸稳定性强，且加工精度、生产效率高。钨硬质合金汽缸镗削加工，应用CVD刀具。切削速度为每秒0.5m，深度达到0.12mm，可以同时加工多个零部件。

2.4 拉削加工

在应用拉削加工技术时，以复合式渐开线跳齿内孔材料刀具，应当接受工件孔加工处理。使用该类硬质材料刀具时，具备以下特点：第一，应用该刀具，利用合理刀齿结构、跳齿排布方式加工。采用此种方式，能够保证加工质量，简化加工制造工艺。与普通加工方式相比，使用该类刀具加工时，无需耗费大量成本。第二，应用该类刀具拉削加工时，能够保证工件内孔形面同轴度。此种加工效果，可以为后续加工提供便利性。

2.5 铰削加工

针对硬铸件小孔、淬硬钢铰削加工时，应用PCBN电镀较刀。分析当前应用可知，此类刀具被广泛应用到机械加工中。针对加工材料，PCBN电镀较刀以45#钢材料为主，刀具具备前后、切削导向。分析设计可知，刀具制造精度高，前后导向切削小于0.04mm。同时，刀具工件孔深不足切削区长度，比如淬火钢工件加工处理时，由于其加工精度要求高，能够可以通过PCBN电镀铰刀加工，代替珩磨加工处理，便于提升加工效率与质量。

2.6 钻削加工

石材、玻璃、陶瓷钻削加工时，应用PCD钻头。分析目前应用可知，大部分玻璃店、玻璃加工厂企业，都采用PCD钻头进行镜子孔、玻璃加工。市场常见金刚石钻头直径，在3～130mm之间。分析材质可知，玻璃钻头不仅具备树脂金刚石材料，提升镶嵌金刚石材料。应用此种刀具，注重陶瓷与石材加工，不仅可以提升应用效率，还可以获得良好加工效果。同时，导电材料圆柱孔、特型孔、圆锥孔加工中，也可以应用金刚石刀具。

3 超硬材料刀具在机械加工中的应用实践

3.1 技术要求

活塞环槽，在活塞加工中属于重要工序，加工质量优劣，对活塞、活塞环选配质量的影响大。在加工处理中，活塞环槽宽度较大，就会加大活塞环边间隙应用，不满足刮油需求，还会造成泵机油问题，引发烧机油现象。当活塞环槽宽度窄小，则会导致活塞环无法置入环槽内，活塞环放置到槽内，活塞环边间隙小，致使活塞环卡死。活塞工作期间，不会产生弹性膨胀，不能保障密封效果，对活塞运行造成影响。在内燃机铝活塞技术中，活塞环加工工艺要求如下：第一，活塞环槽上下两平面，素线对裙部轴线垂直度为25:0.07。第二，活塞环上下平面度，必须满足标准要求。第三，活塞环上下两平面，对裙部轴线断面圆跳动为0.005m。

3.2 加工工艺

在加工制造中，活塞环槽加工精度要求高。因环槽加工尺寸小，所以使用车刀加工处理时，无法一次性加工完工。首先开展粗加工，获得粗车环槽。定位基准面精加工，之后开展环槽精加工。活塞加工处理中，以流水作业方式为主，因此流水加工又被称为粗加工、细加工。遵循加工目的，精车环槽工序被称为半精车、精车工序。半精车工序作用，在于减少精车加工工序余量，保证精车加工操作时，两侧余量均匀性强。活塞环槽加工操作时，主要为2-4道气环槽类型，同时包含油环槽。其中，气环槽宽度为1.5～3mm，深度为3～5mm。油环槽宽度为3～5mm，深度为3～5mm。

加工处理期间，环槽质量要求如下：第一，环槽宽度误差小于0.002mm。第二，环槽侧面粗糙度为Ra0.4-0.8，底部表面粗糙度为Ra1.63.2。第三，环槽两侧面、裙部轴线垂直度，必须满足标准要求。第四，环槽两侧面波纹度，应当满足安装需求。环槽加工处理时，由于加工精度要求高，环槽宽度尺寸小。所以加工处理期间，需要应用环槽间隙尺寸一致成型车刀。

3.3 环槽切削过程特征

分析上文可知，环槽加工操作时，涉及到粗加工、精加工工序。粗加工处理时，保证环槽预留充足加工余量，单侧预留0.4mm，槽底半径预留0.35mm。精车加工时，按照半精车、精车工序，半精车单侧预留0.1mm。

第一阶段切削操作时，进给量、吃刀量小，切削多为带状形，切削轻快，且排屑通畅。第二阶段切削时，车刀应当切除后环槽预留侧面、底部余量，车刀会受到环槽三面挤压影响，因此车刀刀尖位置受力变形复杂，该阶段的切削力比较大。同时，挤压力增加，会提升切削温度。在切屑操作中，切削层横向膨胀变形，切屑堵塞在环槽两侧，影响排屑通畅性，从而出现振动问题。尽管第二阶段切削操作，产生带状切屑，排屑时会受到阻力影响，因此排屑为C型屑。

3.4 刀具设计

环槽刀具宽度精度，对环槽加工宽度与精度影响大。在加工处理中，刀具磨损度小，但是也会对环槽加工宽度精确度造成影响。槽刀磨损后，会减小宽度，刀具减少速度，与刀具几何参数的关系密切。联合实践可知，刀具副偏角、副后角，和刀具宽度减少速度相关。在应用期间，为了降低刀具几何参数对速度的影响，需要减小副偏角、副后角值，且副偏角范围为（15′±5′），副后角为2～3°。

4 结语

综上所述，在加工工艺中，超硬材料可以通过车削代替磨削。超硬材料生产制作刀具，耐用度较高，且综合成本低廉，因此超硬材料被广泛应用到机械冷加工制造中。