超硬材料刀具在机械冷加工中的应用

李钦庆 匙江涛 张春明 彭乐云 孙志杰

（潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊261000）

0 引言

在机械冷加工的过程中，刀具的质量直接决定了加工效果。随着科学技术的不断发展，材料的质量与性能正在逐渐提升，使得其加工难度不断提高。在这种复杂的加工生产制造情况下，超硬材料刀具的应用愈发广泛，也显得愈发重要。此外，超硬材料刀具的应用不但可以提高机械加工的效率，还能为产品的质量提供保障，并降低加工生产制造的成本。由此，相关人员需加强对这一内容的研究，为机械行业的稳定发展奠定基础。

1 超硬材料刀具的概念及发展概述

在当前的机械加工过程中，为提高刀具的质量与使用性能，许多生产厂家会使用金刚石、氮化硼等材料来制作刀具。但在实际的制作过程中，由于天然金刚石数量稀少、人造金刚石造价昂贵，使得其无法快速满足市场的大规模需求。在这种情况下，氮化硼成为当前制作超硬刀具的主要应用材料[1]。其不仅具备成本低廉的特点，且加工流程较简便易操作。在机械加工领域很早就有通过立方氮化硼来进行刀具加工的实战案例，虽然当时的实验结果并不能完全满足今天的应用需求，但随着人们研究的不断深入，科学家们在分析立方氮化硼性能的过程中又发现了其复合片，并将其与金刚石微粉在高温高压的环境下进行结合，从而制作，性能良好的刀具，缓解了超硬刀具原材料紧张的问题。我国针对超硬材料的研究起步较早，但在各方面因素的影响下，使得其研究进展较缓慢。

2 超硬材料刀具的种类与性能分析

2.1 金刚石CVD材料

CVD材料主要通过低压等条件经由生产人员制备而成。金刚石作为目前已知硬度最高的材料，不仅具备极高的耐磨性，显微硬度也达到了10 000 HV。同时，该材料的摩擦系数较低，且具有较高的热导率，可以利用其对金属及非金属材料进行高效加工[2]。然而，这种材料也存在着缺陷，如与非金属材料的亲和力较差，在切屑时很容易出现流出现象。而且多数金刚石的韧性较差，热稳定性较低，在使用过程中容易出现碳化的现象。这使得该材料不宜被用于对纯钢铁材料的加工处理。

2.2 人造聚晶金刚石

人造聚晶金刚石又被称为PCD，这种材料主要是将金刚石放置于高温高压的条件下制备而成，并采用金属结合剂将其与其他多种金刚石的单晶粉相结合，从而完成聚晶过程。与天然金刚石相比，PCD硬度较差，但具有更高的聚合度，使得其在切削过程中不会受到过于严重的损坏[3]。工作人员通过利用这种材料制作成的刀具可以对材料的形式进行控制，具有较高的耐磨性。此外，这种材料具有较为广阔的材料来源渠道，且造价较低，得到了各企业及生产人员的推崇和青睐。由此，利用PCD制作而成的刀具在我国机械加工领域具有非常广泛的应用范围[4]。

2.3 聚晶立方氮化硼

目前针对碳化硼的应用主要有刀具、复合片及电镀等三种方向。与其他材料相比，氮化硼的制备较为简单，且具有较强的硬度及耐热性[5]。同时，根据其实际的应用表现来看，该材料的稳定性及导热性的效果较为突出，摩擦系数也相对较低。此外，虽然这种材料的耐磨性不高，无法与PCD等材料相媲美，但其却具有较好的抗腐蚀性，这使得经由氮化硼制作的刀具常被应用于萃取加工过程中。

3 超硬材料刀具在机械冷加工中的应用

3.1 车削与铣削加工

首先，车削加工的对象主要为淬硬钢等硬度较高的材料，工作人员通过刀具对其进行加工处理，使其满足加工生产制造需求。而超硬材料的使用可以进一步提高钢件的打磨效果，并对切削的深度进行适当的扩大。同时，超硬材料的应用还可以促进加工效率的提高，最高可以提升至4倍，而所需的成本仅为之前应用的80%左右，大规模的降低了生产制造过程中的成本。如在处理淬硬钢的过程中，由于淬硬钢的强度超过45HRC，使得工作人员需利用PCBN对其进行深度处理，在保障加工效率的基础上提升对该材料的处理效果。

其次，在开展铣削加工的过程中，工作人员普遍使用PCD材料制作而成的刀具进行加工。在加工生产制造过程中刀具的运转速度最高可达到4 000 m/min，使施工效率得到了广泛提升，达到了快速提高生产能力的效果。同时，该类材料也能被用于玻璃等材料的加工生产制造过程中，有助于加工效率的快速提升，满足其产能要求。

3.2 陶瓷材料加工

现如今，陶瓷材料在工业生产过程中的应用十分广泛，其能够对金属等材料进行替代，不但可以促进加工效率的快速提升，还能使生产制造过程中的安全性得到充分保障。在实际应用过程中，工作人员需要在其表面对粗糙度等参数进行标识，以便后续生产过程的进一步开展。然而，由于陶瓷材料的硬度较高，使得工作人员需利用超硬材料来进行加工，只有这样，产品质量才能得到充分的保障。

3.3 铁氧体材料加工

铁氧体材料是我国工业生产行业中重要的电子元件，在对该材料进行加工的过程中，超硬材料刀具的应用较为广泛。这种部件的应用不仅可以有效提高加工效率，还能实现节能节材的工作目标，有助于降低废品的出现概率，达到全面提升产品质量的生产目的。此外，人工合成的宝石、水晶等材料的加工也均应用超硬材料刀具来完成，能够有效减少加工生产制造流程中对环境的影响，并减轻工人的劳动强度，进而促进工作效率的快速提升。

3.4 铰削与钻削加工

铰削加工主要用于对硬铸件或淬硬钢等材料的加工。通常使用PCBN的电镀铰刀来完成。这类刀具的制作材料以钢材为主，并设置了前后导向，因此在机械加工领域广泛应用。同时，在制作刀具的生产过程中，相关人员需保证刀具中每一部位的制作效果都能满足相关标准要求，且保证精度，以此来确保刀具的质量。以淬火钢工件为案例，由于该类材料的硬度为45HRC，且对工件精度的要求较高。因此，工作人员在加工生产制造过程中可以利用电镀铰刀来代替原有的研磨加工。

钻削加工的对象主要为陶器、玻璃等非金属材料常用工具为PCD钻头。现如今，大部分玻璃生产企业均会在玻璃制作完成后利用金刚钻对其进行打磨。而其在玻璃加工过程中使用的金刚钻直径不一，需根据实际的加工需求来进行实时选择。且钻头材料常为树脂金刚石。

4 结语

在当前的机械加工生产制造过程中，超硬工具材料刀具的应用可以为加工效率及产品质量提供保障，有助于促进企业的经济发展，大幅度降低生产制造成本，增加企业利润。因此，操作、工艺、管理等人员需加强对这一材料应用的深度研究，积极对刀具的性能进行优化，以满足企业的生产加工需要。本文对超硬材料刀具在机械冷加工中的应用进行研究，通过对超硬材料的种类与性能进行分析，提出了其在车削与铣削加工、陶瓷材料加工等方面的应用，对我国机械行业的发展有着重要的促进作用。