超硬刀具的发展与应用

魔神

        1 概述
    超硬刀具主要包括金刚石刀具和立方氮化硼刀具，其中以人造金刚石复合片(PCD)刀具及立方氮化硼复合片(PCBN)刀具占主导地位。随着现代制造业(尤其是汽车制造业)的快速发展，超硬刀具的生产及应用也逐年快速增长。图1、图2分别为PCD刀具和PCBN
刀具近十几年来全球销售额的增长情况。至1997
年，PCD刀具年销售额已达2.3亿美元，PCBN刀具年销售额为1.7亿美元。


    超硬刀具大部分用于汽车零部件的切削加工。图3、图4分别为1995年全球PCD刀具和PCBN刀具在各应用领域的销量份额。其中，PCD刀具的60%用于汽车制造业，近30%用于木工刀具(至九十年代末期PCD木工刀具的份额已占到40%)；PCBN 刀具的1/2用于汽车制造业，约20%用于重型设备(如轧辊等)的加工。

    近年来，随着CNC加工技术的迅猛发展以及数控机床的普遍使用，可实现高效率、高稳定性、长寿命加工的超硬刀具的应用也日渐普及，同时引入了许多先进的切削加工概念，如高速切削、硬态加工、高稳定性加工、以车代磨、干式切削等。超硬刀具已成为现代切削加工中不可缺少的重要手段。    
    2 超硬刀具的主要品种及特点
    (1) PCD金属切削刀具
    PCD金属切削刀具可利用PCD材料的高硬度、高耐磨性、高导热性及低摩擦系数实现有色金属及耐磨非金属材料的高精度、高效率、高稳定性和高表面光洁度加工。此类刀具从结构上主要可分为焊接式PCD刀具和可转位式PCD刀片。
    近年来焊接式PCD刀具中发展较快的品种是带标准刀柄的PCD刀具，如带柄PCD铣刀、PCD镗刀、PCD铰刀等，刀柄型式主要为圆柱柄、锥柄和HSK柄。这种刀具(尤其是多齿刀具)的特点是切削刃对刀柄的跳动小(如刃长为30mm的HSK柄PCD铣刀的切削刃跳动仅为0.002mm)，尤其适合于对各种有色金属零件的成形面、孔、阶梯孔等进行大批量高速加工。例如，采用铝基体刀盘的PCD高速铣刀(六刃，直径100mm)，最高转速可达20,000R/MIN, 以上，切削速度可达7,000M/MIN，适合于汽车零部件的成形面加工。
    可转位式PCD刀片是在硬质合金可转位刀片上镶装一块PCD刀坯再经刃磨而成，可装夹在各种数控机床的刀杆、刀夹或刀盘上，用于高可靠性的大批量加工。随着数控机床、加工中心及自动生产线的日益普及，可转位式PCD刀片的使用越来越多，其刀具耐用度较硬质合金刀具可提高几十倍。
    (2) PCD木工刀具
    PCD木工刀具主要可分为PCD锯片和PCD成形木工铣刀两大类。
PCD锯片是将PCD刀坯焊接在锯片基体上再经
刃磨后形成，其结构与硬质合金锯片类似，不同之处是PCD锯片的前角较硬质合金锯片小，一般为5°～10°，楔角为65°～75°，锯片规格一般为ø100-450mm，锯齿数可多达72齿。
    PCD成形木工铣刀的主要品种有用于加工强化木地板Al2O3层的修边刀、PCD槽形刀、PCD家具成形刀等，其加工方式是将PCD刀具的形状一次性复印(或组合)到被加工木材上。PCD成形木工铣刀的切削速度可达3,000m/min, ，走刀量可达每分钟数米，刀具耐用度是硬质合金刀具的几十倍甚至几百倍，由于具有高效率、高耐用度等特点，尤其适合于大批量加工。
    (3) PCBN金属切削刀具
    PCBN金属切削刀具也可分为焊接式PCBN刀具和可转位式PCBN刀片两类。
    焊接式PCBN刀具是将PCBN刀坯焊接在钢基体上经刃磨而成，主要有车刀、镗刀、铰刀等。PCBN刀具大多用于耐磨黑色金属的加工，因此其刀尖角不能太小，刀具前角一般为-5°～5°，后角一般为3°～10°，断续切削时一般采用负倒棱。
    转位结构的PCBN刀片(主要为车刀片和铣刀片)一般是在可转位硬质合金刀片的一个角上镶焊一块PCBN刀坯，经刃磨而成。考虑到刀坯较贵及重磨等原因，一般只做成一个刀尖。随着焊接工艺质量的提高，其剪切强度可达0.78kg/m²。随着PCBN刀坯尺寸越做越小，不重磨PCBN刀片的价格也随之降低。
    3 超硬刀坯的发展特点
    超硬刀坯材料的开发是发展超硬刀具的基础。超硬刀坯材料的发展特点之一是产品系列化，适用于不同加工对象的规格品种不断增加。例如，英国DeBeers公司新推出的 CTH025牌号(由Syndite 025发展而来)PCD刀坯是为加工高耐磨材料而增加的牌号，其耐磨性进一步提高；美国通用电气公司(GE)的Compax1700也属同类产品，是一种粒度更粗的PCD复合片；PCBN刀坯中的BZN6100是BZN6000的换代产品， BZN8200是BZN8100的换代产品，而新推出的 BZN7000则是一种纯CBN烧结体，具有优良的导热性和抗冲击性，特别适合高硬度材料粗加工及铸铁的高速切削加工；类似产品还有瑞典Seco公司的 CBN300、美国Kenametal公司的KD420、日本京瓷公司的KBN30S等；日本三菱公司MB835牌号的PCBN刀坯适用于淬硬钢的断续切削，它通过细化CBN粒度(≤1µm)使切削力分散并增强了CBN粒子间的粘结力；日本住友电工的BNX25及英国DeBeers公司的DBC45等牌号同属这一品种。
    超硬刀坯的另一发展特点是刀坯尺寸不断增大。目前国外超硬刀坯的供货规格一般为ø50mm以上，ø74mm的复合片也能批量供货，PCBN刀坯的最大规格可达 ø101mm，小尺寸刀坯则是从大刀坯上切割下来的。大规格超硬刀坯成本更低，更适合于大批量使用。目前国内只有ø20mm以下的刀坯供货(国外七十年代即有此种规格刀坯)，这是因为两面顶与六面顶两种超高压高温设备腔体尺寸差异所致。
    超硬刀坯材料发展的第三个特点是CVD金刚石膜已由研制阶段进入商业化供货阶段。较典型的CVD金刚石薄膜刀具产品有美国 Kenametal公司的KD100涂层刀片、KDF300牌号CVD金刚石薄膜硬质合金立铣刀等。北京天地金刚石公司的CVD金刚石厚膜刀具也可批量供货。据报道，英国Debeers公司已成功推出了ø250mm的CVD金刚石厚膜，而且有刀坯厚膜、光学厚膜、可线切割厚膜、曲面厚膜、透明厚膜等系列产品。
    4 超硬刀具专用机床的类型及特点
    用于加工超硬刀具的专用机床主要有以下三类：
    (1) PCD刀具刃磨机床
    此类机床以瑞士Ewag公司的RS系列磨刀机为代表，该刃磨机床可利用陶瓷结合剂金刚石砂轮的锋利性和一定的磨削压力实现对PCD、PCBN及天然金刚石刀具的刃磨，其特点是机床刚性好，带有投影测量装置，是目前国外应用最广泛的超硬刀具专用刃磨设备。与此类似的产品还有日本大阪金刚石公司、 英国CoBom公司等制造的PCD刀具刃磨机。目前，PCD刀具刃磨技术不断改进，如将以弹簧产生的恒压力改为气动压力，并可在0～300N范围内调整，以适应不同的磨削对象。为便于控制磨削尺寸，刃磨机上的刻度均带有数显装置。台湾远山公司将原刃磨机上的投影屏等光学装置改为高精密摄像系统，配以精密的测量刻度，可在监视器上显示、控制磨削尺寸，可实现不停机在线测量，摄像机放大倍数从15～120倍可调，可研磨出R0.05mm的刃尖圆弧。
     (2) 数控电火花PCB刀具成形机床
    此类设备以德国Vollmer公司的QWD系列机床
为代表。该机床采用电火花线切割加工PCD、PCBN刀具，由于采用了先进的数控系统，加工出的多刃刀具的跳动可控制在 0.001mm，刀具表面粗糙度可达Ra0.4µm。该机床有六个数控轴、两个手动轴，特别适合带柄阶梯钻、铣刀、锯片等多刃刀具的加工，一次输入程序即可切割出阶梯刀具、曲线刀具的刃、背、内折线等几何形状，自动化程度及加工精度均很高。不足之处是切割表面粗糙度稍逊于磨削表面，此外机床价格较为昂贵。
    (3) 超精金刚石刀具研磨机
     该设备可对航空航天、军工等行业用的超精加工直线刃金刚石刀具进行研磨，刀具表面粗糙度Ra≤0.01µm, 刀具刃口半径r≤0.1µm。该设备采用空气静压主轴，精度0.1～0.2µm，研磨盘端面跳动0.1～0.2µm/ø300mm。
    5 超硬刀具的典型应用
    (1) 硬态加工，以车代磨
     由于PCBN刀具具有极高的硬度及红硬性，可使被加工的高硬度零件获得良好的表面粗糙度，所以采用PCBN刀具车削淬硬钢可实现“以车代磨”。应用实例如汽车、摩托车齿轮孔的加工，此类零件材料一般为20CrMnTi，渗碳淬火，表面硬度为60～62HRC，齿轮孔精度为IT6，表面粗糙度Ra≤0.8µm。
    传统加工工艺为：机加工->热处理->磨削。采用超硬刀具“以车代磨”的加工工艺为：粗加工->热处理->精加工。新工艺可大幅度提高加工效率，降低加工成本，原采用磨削工艺一班仅能加工100个小齿轮， 现采用PCBN刀具车削(切削参数V=60～120m/min，f≤0.12mm/r，ap≤0.1mm，一班能加工400个小齿轮，此外，分摊到每个齿轮的加工成本也有所下降。
    (2) 高速切削，高稳定性加工
    在汽车发动机生产线上，灰铸铁缸体的缸孔精加工是关键工序之一，要求缸孔加工尺寸精度高、表面粗糙度值小、稳定性好；由于生产线加工节拍快，要求切削速度高(通常V≥500m/min)，刀具寿命长 (加工孔数≥1000)，且倒角、止口、粗精镗等多个工位的刀片寿命均应满足耐用度要求。采用PCBN刀具即可实现发动机缸孔的高速切削及高稳定性加工，其典型切削参为： V=500m/min，f=0.2～0.4mm/r，ap=0.2～0.7mm；加工表面粗糙度Ra≤1.6µm ，刀具寿命>1,000件。
    (3) 有色金属的高速、高稳定性、低粗糙度加工及镜面加工
    采用PCD刀具加工有色金属时，由于金刚石硬度高，表面与金属亲合力小，且刀具一般抛光成镜面，不易产生积屑瘤，因此加工尺寸稳定性及表面质量都很好，刀具寿命也较长。
    例如，采用PCD刀具加工电机整流子的紫铜换向器，典型切削参数为：V=300m/min，f=0.08mm/r，ap≤0.15mm，加工表面粗糙度Ra0.1～0.2µm，刀具寿命>5,000件，而采用硬质合金刀具则只能加工几件。
    采用PCD刀具加工各种硅铝合金零件，表面粗糙度Ra≤0.1µm，刀具寿命可达几千～几万件，尤其适合汽车、摩托车零件的大规模生产。
    采用单晶金刚石刀具，在超精密车床上可实现镜面球形加工。机床采用超精密气体静压主轴及回转工作台，跳动量≤0.3µm，工件采用高精度气动卡盘，可实现快速高精度定位。加工无氧铜材料时，表面粗糙度Ra≤0.025µm，圆度≤0.3µm；加工铝件时，表面粗糙度Ra≤0.025µm。
    (4) 干式切削，清洁化加工
    采用PCBN刀具加工含硼铸铁缸套，切削参数：V=200m/min，f=0.1mm/r，ap=0.2～1mm，加工表面粗糙度Ra≤1.6µm，精度IT6，两次刃磨间刀具寿命>100件，可实现“以车代磨”。由于采用干式切削，避免了切(磨)削液及砂轮灰对环境的污染，切屑也可回收再利用，符合清洁化生产要求。