【摘要】我國的機(jī)械制造業(yè)中，除沖壓、鍛壓、鑄造等冷熱模具成形方法外，金屬的切削加工是最主要的加工方法。刀具作為金屬切削加工的基礎(chǔ)工藝裝備正隨著金屬切削機(jī)床的快速發(fā)展發(fā)生著變革。超硬刀具由于其卓越的性能在現(xiàn)代加工技術(shù)中的地位和作用越來越顯現(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】金屬切削加工 刀具 超硬刀具

【中圖分類號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2013）11-0232-01

我國的機(jī)械制造業(yè)中，除沖壓、鍛壓、鑄造等冷熱模具成形方法外，金屬的切削加工是最主要的加工方法。刀具和機(jī)床是金屬切削加工的兩個(gè)基礎(chǔ)工藝裝備。當(dāng)前，金屬切削機(jī)床不斷發(fā)展，為我國現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展提供了前提和保障，而金屬切削刀具也正隨著這種快速發(fā)展發(fā)生著變革。

一、我國機(jī)械制造業(yè)的現(xiàn)狀與刀具的發(fā)展

近年來，隨著國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，制造業(yè)獲得快速持續(xù)發(fā)展，總規(guī)模、總產(chǎn)量僅次于美國；出口已超過德國，達(dá)到世界第一位。但是我國的機(jī)械制造業(yè)仍然沒有擺脫“大而不強(qiáng)，大而不精”的狀況。除軍工產(chǎn)業(yè)外，民用產(chǎn)業(yè)仍處于低中端的生產(chǎn)行列，高精刀具和機(jī)床很大程度上還依靠從歐、美、日進(jìn)口，對采用先進(jìn)的加工技術(shù)、使用高效刀具提高生產(chǎn)效率降低成本的認(rèn)識(shí)還存在誤區(qū)，從而制約了高效先進(jìn)刀具的發(fā)展。

二、高效刀具的應(yīng)用

現(xiàn)代切削技術(shù)和高效刀具是制造業(yè)提高生產(chǎn)力的重要保障，高效先進(jìn)刀具是提高生產(chǎn)效率的最重要因素。以數(shù)控車床加工簡單軸類件統(tǒng)計(jì)：刀體價(jià)格在400-600元，刀片價(jià)格在50元/片，對于批量在10000件以上的產(chǎn)品生產(chǎn)為計(jì)，刀具成本大約為0.2元/件，班產(chǎn)為300件；而采用普通車床，使用普通車刀，刀具成本大約為0.1元/件，班產(chǎn)為200件。從批量、精度要求、加工技能要求等各方面綜合分析，最后使用刀體刀片將使成本降低15%?？梢?，使用高效先進(jìn)的刀具加工效率遠(yuǎn)高于使用普通刀具加工。

刀具材料是刀具開發(fā)與應(yīng)用的基礎(chǔ)，對提高切削性能、切削效率起決定性作用。廣泛應(yīng)用的刀具材料一般有：高速鋼（銑刀、鉆頭等）、硬質(zhì)合金（合金鉆、鉸刀等）、超硬刀具材料（包括陶瓷、立方氮化硼、聚晶金剛石等，主要用于油氣鉆頭）。按照現(xiàn)代制造業(yè)刀具材料的發(fā)展趨勢，硬質(zhì)合金材料正取代高速鋼材料成為主要的刀具材料，而超硬刀具材料的應(yīng)用也是日益大幅增加。

三、常用超硬刀具

隨著機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，對刀具材料提出了更高的要求，如硬度高、耐磨性好、熱穩(wěn)定性好、防蝕能力強(qiáng)、低線性熱脹率等，并開發(fā)出了新一代超硬材料的金屬切削刀具。

具有代表性的超硬刀具主要有金剛石刀具和立方氮化硼刀具。人造金剛石復(fù)合片（PCD）刀具及立方氮化硼復(fù)合（PCBN）刀具是兩種應(yīng)用最廣泛的超硬刀具。一般可以實(shí)現(xiàn)鑄、鍛毛坯件的高速、高效加工和一次性完成粗、精加工；適用于高速、精密和自動(dòng)化加工；適用于精密磨削，并可顯著提高磨削質(zhì)量、磨削效率。目前，該類刀具被廣泛的應(yīng)用在了冶金、石油鉆探、建筑工程、機(jī)械加工、儀器儀表、電子工業(yè)、航空航天以及現(xiàn)代尖端科學(xué)領(lǐng)域。

1.PCD金屬切削刀具

適用于有色金屬及耐磨非金屬材料的加工。刀具結(jié)構(gòu)主要有焊接式和可轉(zhuǎn)位式兩種。

近年來，采用焊接式莫氏標(biāo)準(zhǔn)刀柄的PCD銑刀、鏜刀和鉸刀發(fā)展較快，其它也可采用圓柱刀柄和HSK刀柄。這種刀具的特點(diǎn)是切削刃對刀柄的跳動(dòng)小，一般刃長為30mm的HSK柄PCD銑刀的切削刃跳動(dòng)僅為0.002mm，適合于對各種有色金屬零件的面、孔、階梯孔等大批量高速加工。

可轉(zhuǎn)位式PCD刀片，通常裝夾在各種數(shù)控機(jī)床的刀體、刀桿、刀夾或刀盤上，適用于大批量加工。隨著數(shù)控機(jī)床的普及，可轉(zhuǎn)位式PCD刀片日益增多。一般只需做刀具的轉(zhuǎn)位緊固或刀片的更換就可重復(fù)加工，可大幅提升加工效率。

含硅量低于10%的鋁合金，用硬質(zhì)合金刀具就可加工。當(dāng)含硅量超過10%時(shí)，只能使用PCD刀具加工。目前，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞采用的高硅鋁合金含硅量均在12%以上，有些超過18%。一汽發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠用PCD刀具精鏜硅鋁合金活塞銷孔，當(dāng)采用V=160m/min、f=0.08～0.10mm/r、ap=0.05mm時(shí)，耐用度達(dá)42，500件，是硬質(zhì)合金刀具的90倍；加工表面粗糙度Ra值由原來的1.6降為0.2；每班可減少裝調(diào)刀具等輔助時(shí)間30min，成本比硬質(zhì)合金刀具下降約85%；用PCD刀具對氣缸體的主軸承孔進(jìn)行珩鉸，代替珩磨，加工效率提高了數(shù)倍，且質(zhì)量穩(wěn)定。

2.PCBN金屬切削刀具

刀具結(jié)構(gòu)也可分為焊接式和可轉(zhuǎn)位式兩種。

焊接式刀具，是將PCBN刀坯焊接在刀具的鋼基體上，再刃磨而成，主要有車刀、鏜刀、鉸刀等，多用于對耐磨黑色金屬的加工。通常其刀尖角不能過小，一般前角為-5°～5°，后角為3°～7°。刀具排削槽容易刃磨，斷續(xù)切削時(shí)可采用負(fù)前角。

轉(zhuǎn)位結(jié)構(gòu)的PCBN刀片，主要有車刀片和銑刀片?？紤]到刀坯較貴重及重磨等因素，一般只做成一個(gè)刀尖。隨著焊接工藝發(fā)展，其剪切強(qiáng)度可達(dá)0.8kg/m2。近年來PCBN刀坯尺寸越做越小，不重磨PCBN刀片的價(jià)格也隨之降低。

用PCBN刀具精車硬度高于45HRC的淬硬鋼效果非常好。切削速度在80～120m/min，切削深度在0.1～0.3mm，進(jìn)給量在0.05～0.025mm/r，加工表面粗糙度為Ra0.3～0.6μm，尺寸精度可達(dá)0.013mm。采用剛性好的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控車床，使用PCBN刀具，精車表面粗糙度可達(dá)Ra0.3μm，尺寸精度可達(dá)0.01mm，相當(dāng)于數(shù)控磨床加工水平。

用PCBN刀具加工滲碳淬火的20CrMnTi汽車變速箱同步器套撥叉，HRC58～62，切削速度V=150mm/min，進(jìn)給量f=0.1mm/r，ap=0.2～0.3mm，刀具切削行程達(dá)到9.58km，以車代磨后，效率提高達(dá)4倍以上，加工成本降低為原來磨削工藝的1/3～1/2。

將經(jīng)過特殊磨削的PCBN刀具用于超精密車床上，在切削深度為15～20μm、進(jìn)給量為0.608μm/r轉(zhuǎn)的條件下，切削加工表面光潔度可達(dá)Rmax=0.0254μm。在一般精度數(shù)控車床上切削不銹鋼，也可獲得Rmax=0.2μm以內(nèi)的表面粗糙度。

四、刀具涂層技術(shù)

刀具涂層技術(shù)對改善刀具的性能和提高切削加工技術(shù)具有非常重要的作用。一般是在刀片的基體上采用氣相沉淀法涂覆涂層，對于高速鋼刀具有M2（W6Mo5Cr4V2）、M35（W6Mo5Cr

4V2Co5）涂層，PVD鍍膜、氮化鈦復(fù)合涂層、CrN、TiCN等。

近年來，PVD刀具正處于高速發(fā)展階段。不同的切削加工條件，對刀具涂層薄膜的成分、結(jié)構(gòu)會(huì)有不同的要求。在鋁合金等有色金屬和非金屬材料的加工上，為了提高效率，金剛石涂層得到較普遍的應(yīng)用，其可轉(zhuǎn)位刀具和整體硬質(zhì)合金刀具上都有使用。

隨著國家綜合實(shí)力的增強(qiáng)，國家對飛機(jī)、神舟系列飛船等重大項(xiàng)目的投入，機(jī)械制造、加工技術(shù)的不斷完善，制造超硬材料刀具的技術(shù)水平也將大幅度提高。新品種將不斷涌現(xiàn)，超硬材料刀具生產(chǎn)企業(yè)將形成自己的產(chǎn)品特色和市場定位。超硬材料刀具的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃谄囍圃?、航空航天等產(chǎn)業(yè)獲得更多的拓展。

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