干切削刀具材料的研究
綠色制造工藝技術(shù)是以傳統(tǒng)的工藝技術(shù)為基礎(chǔ)，并結(jié)合材料科學(xué)、表面技術(shù)、控制技術(shù)等新技術(shù)的先進(jìn)制造工藝技術(shù)。其目標(biāo)是對資源的合理利用，降低成本，減少對環(huán)境造成的嚴(yán)重污染。綠色制造是清潔生產(chǎn)的重要組成部分，根據(jù)綠色制造“節(jié)約能源、節(jié)約資源、污染最小，有利環(huán)�！钡闹笇�(dǎo)思想，綠色切削應(yīng)具備以下特征：(1)最大限度地節(jié)約能源：在切削加工過程的各個階段所消耗的能源應(yīng)最少，使能源得到最有效的利用。(2)最大限度地利用材料資源：綠色切削應(yīng)盡可能減少材料的使用量和使用材料的種類。(3)最大限度地減少污染、保護(hù)環(huán)境：綠色切削從產(chǎn)品設(shè)計、加工工藝編制到切削加工、設(shè)備維護(hù)乃至切屑、廢液回收處理的各個過程中均應(yīng)是低耗、對環(huán)境無負(fù)面影響或污染甚小。
機(jī)械制造在整個制造業(yè)中占有主導(dǎo)地位，尤其是面對中國逐漸成為世界的生產(chǎn)制造基地，機(jī)械工業(yè)中的綠色制造技術(shù)顯得尤為重要。如何在實(shí)際生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)機(jī)械零件的綠色制造，是機(jī)械行業(yè)技術(shù)人員必須認(rèn)真研究的問題。干式切削就為了保護(hù)環(huán)境和降低成本而有意識地在機(jī)械加工中減少或完全停止使用切削液的加工方法，能使企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益協(xié)調(diào)優(yōu)化地發(fā)展。從20世紀(jì)90年代開始，國外對干式切削技術(shù)進(jìn)行了大量研究，并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，取得了一定的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，干式切削技術(shù)已成為金屬切削加工發(fā)展的趨勢。
2.切削液的負(fù)面影響
在金屬切削加工中，常常使用切削液。切削液的主要作用是降低切削溫度，改善加工過程的摩擦磨損狀態(tài)，從而提高工件的表面質(zhì)量，延長刀具的使用壽命。然而，近幾年隨著社會環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展意識的提高，人們已開始從切削液的整個生命周期關(guān)注它所帶來的一系列負(fù)作用：
（1）制造成本增加
隨著切削用量的成倍增大，切削液的消耗量也大幅提高，因而它在零件制造成本中所占的比例也大大增加。據(jù)國外許多統(tǒng)計資料表明，切削液及切削液的供給、保養(yǎng)、回收及切削廢液的處理等費(fèi)用加在一起，占總制造成本的16%，而刀具消耗的費(fèi)用僅占制造成本的4%。這個統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)必須引起人們的高度重視，因?yàn)樵诋?dāng)今日益激烈的市場競爭中，降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本和銷售價格，已成為企業(yè)生存與發(fā)展的重要因素。
�。�2）嚴(yán)重污染環(huán)境
切削液是金屬切削加工中造成環(huán)境污染的一個重要根源。如乳化液不僅含有油，而且含有燒堿、油酸皂、乙醇和苯酚等有害物質(zhì)。如果這些切削液未經(jīng)處理直接排入外界，就會污染土地、水源和空氣，嚴(yán)重影響動植物的生長，破壞生態(tài)環(huán)境，不利于可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施。
�。�3）直接危害操作工人的身體健康
目前生產(chǎn)中廣泛使用的水基切削液或多或少都含有對人體有害的化學(xué)成分。在切削過程中，切削液受熱揮發(fā)，形成煙霧，在車間工作區(qū)常常彌漫著難聞的異味。切削液產(chǎn)生的油煙會引起工人肺部和呼吸道的多種疾病，切削液與人體直接接觸會誘發(fā)多種皮膚病，直接影響工人的健康。
為使金屬切削加工盡可能少地產(chǎn)生污染，人們提出了“清潔化生產(chǎn)”這一概念。干切削是消除切削液污染，降低產(chǎn)品成本，實(shí)現(xiàn)清潔化生產(chǎn)的最有效的途徑。從20世紀(jì)90年代開始，國外對干式切削技術(shù)進(jìn)行了大量研究，并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，取得了一定的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，干式切削技術(shù)已成為金屬切削加工發(fā)展的趨勢。
3.干切削刀具材料
實(shí)現(xiàn)干式切削的最大技術(shù)難題是刀具，他是使干式切削加工得以順利進(jìn)行的關(guān)鍵因素。刀具在切削加工過程中，要承受很大的壓力，同時由于切削時產(chǎn)生的金屬塑性變形以及在無切削液的情況下刀具、切屑、工件相互接觸表面間將產(chǎn)生更強(qiáng)烈的摩擦，使刀具切削刃上產(chǎn)生極高的溫度和受到很大的應(yīng)力，在這樣的條件下，刀具將迅速磨損或破損，因此干式切削刀具材料應(yīng)具備更高的耐熱性和熱韌性，良好的耐熱沖擊性、抗粘結(jié)性及高的耐磨性。常用的有高韌性和高硬度兼?zhèn)涞募?xì)顆粒硬質(zhì)合金，涂層硬質(zhì)合金，陶瓷及金屬陶瓷，立方氮化硼(CBN)，聚晶金剛石(PCD)等。
（1）超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金
超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金具有很好的韌性和耐熱性，適用于需要大前角的場合，可用于干切削中使用的鉆頭、深孔鉆。
�。�2）涂層硬質(zhì)合金
在基體硬質(zhì)合金上，用CVD(化學(xué)氣相沉積)或PCD等方法，涂覆耐磨的TiC、TiN、A1203等薄層，形成表面涂層硬質(zhì)合金。1969年西德克虜伯公司和瑞典山特維克公司研制的TiC單層涂層硬質(zhì)合金刀片首次投入市場。其后，世界各國都進(jìn)行了研制、生產(chǎn)。中國在稍后也掌握了涂層技術(shù)。
涂層硬質(zhì)合金刀片均為可轉(zhuǎn)位形式，裝夾在刀桿或刀體上使用。具有以下優(yōu)點(diǎn)：①表面涂層材料具有很高的硬度和耐磨性，故與未涂層刀片相比，涂層硬質(zhì)合金可采用較高的切削速度，或能在同樣的切削速度下大幅度地提高刀具耐用度。②涂層材料與被加工材料之間的摩擦系數(shù)較小，故切削力有一定減小，比未涂層刀片約降低5%左右。③用涂層刀片加工，已加工表面質(zhì)量較好。④由于綜合性能好，涂層刀片有較好的通用性。一種牌號的刀片經(jīng)常有較寬的適用范圍。
涂層刀具最適用于干切削加工，因?yàn)檫m宜的涂層既可承受高的切削溫度，降低刀具與切屑以及刀具與工件表面之間的摩擦系數(shù)，減小刀具磨損和產(chǎn)生的熱量，還可使刀具具有強(qiáng)韌的基體及滿足切削要求的切削刃或工件表面。因此，適宜的基體與涂層組合及經(jīng)濟(jì)可行的涂層工藝技術(shù)是干切削加工的關(guān)鍵技術(shù)之一。刀具涂層技術(shù)的研究，國內(nèi)外也都取得了很好的成績。涂層刀具分成兩大類：一類是“硬”涂層刀具，如TiN、TiC和Al2O3等涂層刀具，這類刀具表面硬度高，耐磨性好。另一類是“軟”涂層刀具，也稱為“自潤滑刀具”，如MoS2、WS等涂層刀具，它與工件材料的摩擦系數(shù)很低，只有0.01左右，能減小切削力和降低切削溫度。常見的單涂層及多涂層組合有：TiC、TiN、TiCN、TiAlN、TiC／TiN、TiC／TiCN／TiN、TiC／Al2O3／TiN等。多涂層及其相關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)，使涂層既可提高與基體的結(jié)合強(qiáng)度又能具有多種材料的綜合性能。
TiC是一種高硬度的耐磨化合物，有良好的抗后刀面磨損和抗月牙洼磨損能力。TiN的硬度稍低，但它與金屬的親和力小，潤濕性能好，在空氣中抗氧化能力比TiC好。TiCN具有了TiC和TiN的綜合性能，其硬度高于TiC和TiN，因此是一種較為理想的刀具涂層材料。TiAlN是含有鋁的PVD涂層，在切削過程中鋁氧化而形成氧化鋁，從而起到抗氧化和抗擴(kuò)散磨損的作用，在高速切削時，TiAlN涂層刀具的切削效果優(yōu)于TiN和TiCN涂層刀具，主要原因是TiAlN涂層刀具的硬度、抗氧化和抗粘結(jié)能力高。尤其是由于TiAlN涂層刀具具有很高的高溫硬度。目前，TiAlN／Al2O3多層PVD涂層也已研究成功，其涂層硬度達(dá)HV4000，涂層數(shù)為400層(總厚度5μm)，切削性能優(yōu)于TiC／Al2O3／TiN涂層刀具。
最近又開發(fā)了納米涂層(Nanocoating)技術(shù)。這種方法可采用多種涂層材料的不同組合滿足不同的功能和性能要求，特別適合于高速干切削。硬質(zhì)合金刀具的多層納米涂層可分為4大類：①硬／硬組合，如B4C／SiC、TiC／TiB2、TiC／TiN等；②硬／軟組合，如B4C／W、SiC／W、SiC／Ti等；③軟／軟組合，如Ni／Cu等；④具有潤滑性能的軟／軟組合，如MoS2／Mo、WS2／W、TaS2／Ta等。這些復(fù)合涂層每層由兩種材料組合而成，厚度僅為幾納米，根據(jù)切削需要，可相互疊加涂覆上百層，總厚度可達(dá)2～5μm。設(shè)計合理的納米涂層可使刀具的硬度和韌性顯著增加，使其具有優(yōu)異的抗摩擦磨損及自潤滑性能，十分適合于干切削。
�。�3）陶瓷及金屬陶瓷
A1203系陶瓷刀具
A1203系復(fù)合陶瓷刀具材料的研究進(jìn)展主要集中在復(fù)合強(qiáng)化、纖維強(qiáng)化、復(fù)合增韌補(bǔ)強(qiáng)、超細(xì)顆粒復(fù)合等方面，基本上都是以氧化鋁系陶瓷為基礎(chǔ)材料，通過采用真空熱壓、熱等靜壓等先進(jìn)燒結(jié)工藝，添加碳化物、氮化物、氧化物、硼化物以及金屬等成分復(fù)合增韌補(bǔ)強(qiáng)，納米復(fù)合、控制顆粒尺寸等措施，使得A1203系陶瓷刀具材料的斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度有了極大的提高，可達(dá)7.4MPa／m2、820MPa，適用范圍亦日益擴(kuò)大。目前新型A1203系復(fù)合陶瓷刀具材料的研制仍是國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。
�、貯1203-碳化物系陶瓷
目前刀具市場上應(yīng)用較多的是A1203-TiC復(fù)合陶瓷，主要用于切削淬硬鋼和各種耐磨鑄鐵。A1203-TiC-金屬系復(fù)合陶瓷通過加入少量的粘結(jié)金屬Ni、Mo等，提高了A1203與TiC的連結(jié)強(qiáng)度，可用于粗加工。SiC晶須增韌A1203基陶瓷刀具的應(yīng)用亦非常成功，可有效地用于斷續(xù)切削及粗車、銑削和鉆孔等工序中，適于加工鎳基合金、高硬度鑄鐵和淬硬鋼等材料。
�、贏1203-硼化物系陶瓷
A1203-TiB系復(fù)合陶瓷刀具材料在國外作為商品投放市場已多年，已被證明是高效加工某些難加工材料的理想刀具材料，其強(qiáng)度、韌性、耐熱性和耐磨性均優(yōu)于A1203-TiC陶瓷刀具材料。TiB顆粒與A1203具有良好的化學(xué)相容性和物理匹配性，且硬度高于TiC，其復(fù)合刀具材料具有極好的耐沖擊性和耐磨性。此刀具材料在于切削淬硬剛時，當(dāng)切削速度大于l20m/min時，會出現(xiàn)高溫自潤滑功能。
�、跘1203- Zr02陶瓷和A1203-TiCN陶瓷
在國內(nèi)外發(fā)展較為重要的兩種新型材料為A1203-Zr02(ZTA陶瓷)和A1203-TiCN復(fù)合陶瓷。Zr02有較高的韌性，在Zr02中加入一定量的穩(wěn)定劑控制四方晶相Zr02到單斜晶相Zr02的相變，可提高A1203陶瓷的斷裂韌性。TiC、TiN顆�？梢葬斣w中的裂紋，阻止源裂紋的生長，提高A1203陶瓷的硬度、熱沖擊性能和導(dǎo)熱性。這兩種刀具材料因優(yōu)異的耐磨損能力特別適合切削淬硬鋼，且A1203-TiCN復(fù)合陶瓷材料有著更高的耐磨損能力。
氮化硅基陶瓷
氮化硅基陶瓷是20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的新刀具材料，它以高純度的Si3N4粉末為原料，添加Y203、MgO、Zr02和HfO2等燒結(jié)劑或耐磨相A1203或強(qiáng)化相SiC等燒結(jié)而成。具有高的硬度、耐磨性、耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性良好的耐熱沖擊性能，是一種有發(fā)展前途的刀具材料。
國外的Si3N4陶瓷材料發(fā)展較快，其中以日本和美國最快。國內(nèi)在20世紀(jì)80年代就研制成功了這類刀具材料，氮化硅(Si3N4)的顯微硬度，僅次于金剛石、立方氮化硼和碳化硼，是一種新型的刀具材料，此種陶瓷刀具在20世紀(jì)80年代初開始用于切削加工中。它的制造過程是將硅粉在l300～l400℃下通氮?dú)夂筮M(jìn)行球磨，加入少量助燒結(jié)劑，在l700～l750℃和2Gpa～3GPa壓力下熱壓燒結(jié)而成。其主要特點(diǎn)是具有良好的耐熱性和抗熱沖擊性能。耐熱性高達(dá)l300～l400℃，高于一般陶瓷，可進(jìn)行高速切削。其熱導(dǎo)率約為A1203陶瓷的2～3倍，而熱膨脹系數(shù)只有A1203陶瓷的1/3左右，使得抗熱沖擊性能比A1203陶瓷提高1～2倍，有良好的抗崩刃性。在斷續(xù)車削或銑削加工中，氮化硅陶瓷刀具的使用壽命明顯比A1203陶瓷刀具長。因此，氮化硅陶瓷刀具不僅能進(jìn)行淬硬鋼、冷硬鑄鐵等材料的精加工和半精加工，而且可以用于鋼基硬質(zhì)合金、鎳基合金、玻璃鋼材料的精加工和部分粗加工，還可以用于一般陶瓷不能勝任的有硬皮鑄件的毛壞切削。
�、賁ialon陶瓷
Sialon陶瓷是英國IdcasAydon公司研制成功的一種新型陶瓷刀具。Sialon陶瓷刀具是A1203在Si3N4中的固溶體，是氮化鋁、氧化鋁和氮化硅的混合物在1800℃進(jìn)行熱壓燒結(jié)而成的一種單相陶瓷材料，氮化硅的結(jié)晶晶格稍微擴(kuò)大，在其中Y203可使組織致密化。Sialon陶瓷刀具具有很高的強(qiáng)度，抗彎強(qiáng)度達(dá)到1050～1450MPa(硬度為94HRA)，比純A1203及A1203-TiC陶瓷刀具都高，其斷裂韌性也是幾種陶瓷刀具中最高的，其沖擊強(qiáng)度遠(yuǎn)勝于一般陶瓷刀具(3～4倍)而接近于涂層硬質(zhì)合金刀具。適用于高速切削、強(qiáng)力切削、斷續(xù)切削。Sialon陶瓷刀具有良好的抗熱沖擊性能，是A1203陶瓷刀具的三倍，不僅適合于干切削，也適合于濕式切削。
與Si3N4陶瓷刀具相比，Sialon陶瓷刀具的抗氧化能力、化學(xué)穩(wěn)定性、抗蠕變能力與耐磨性能都提高了，并易于制造和燒結(jié)。Sialon陶瓷刀具的耐熱溫度較高，達(dá)1300℃以上，而A1203-TiC陶瓷刀具的耐熱溫度為1100℃因此，Sialon陶瓷刀具有較好的抗塑性變形能力。Sialon陶瓷可成功地用于鑄鐵、鎳基合金和硅鋁合金的加工，是高速加工鑄鐵和鎳基合金的理想刀具材料。如用Sialon陶瓷刀具加工鑄鐵時，切削速度可超過900m/min，可對鑄鐵進(jìn)行間斷切削。刀具耐用度比涂層硬質(zhì)合金刀具或A1203陶瓷刀具提高10～15倍。Sialon陶瓷刀具不適合加工鋼(因其溶解磨損速率很高)。Sialon陶瓷刀具雖有很多優(yōu)點(diǎn)，但與熱壓氮化硅陶瓷刀具一樣，其抗磨損性能比一般陶瓷刀具差。
②Si3N4-TiC陶瓷刀具
FT80陶瓷刀具由清華大學(xué)研制，在Si3N4陶瓷刀具中加人TiC及Co，提高了陶瓷刀具的力學(xué)性能和切削性能。TiC的作用是通過彌散硬化和減少陶瓷刀具與鐵之間的粘結(jié)，提高了陶瓷刀具的耐磨性。Co的作用是提高陶瓷刀具的沖擊韌性和承受切削力沖擊的能力。F85是清華大學(xué)研制的另一種Si3N4陶瓷刀具，其硬度為HRA93.5～94，抗彎強(qiáng)度為650～800MPa，斷裂韌性高于純A1203及A1203-TiC陶瓷刀具而接近于Sialon陶瓷刀具；其導(dǎo)熱系數(shù)為30～36W／(m·℃)，高于Sialon陶瓷刀具；熱膨脹系數(shù)為1.7×10-6／℃，小于Sialon陶瓷刀具。故這種陶瓷刀具有較好的耐熱沖擊性能，性能優(yōu)于硬質(zhì)合金及一些陶瓷刀具，能切削冷硬鑄鐵、合金冷硬鑄鐵及淬硬鋼等材料。
金屬陶瓷
金屬陶瓷是20世紀(jì)70年代開發(fā)的一類具有優(yōu)良機(jī)械力學(xué)性能和高溫性能的新型工具材料。與傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金刀具相比，金屬陶瓷刀具的耐熱性、耐磨性、抗月牙洼磨損能力等均有明顯提高，但韌性和導(dǎo)熱性相對較差。近年來，在陶瓷基體中加入少量納米粒子以形成納米陶瓷復(fù)合材料的研究取得了不少進(jìn)展和成果。金屬陶瓷含有鈦基化合物，粘結(jié)劑是鎳或鎳相。金屬陶瓷刀具適合于干切削。以往對硬質(zhì)磨具通常采用磨削或電火花加工，現(xiàn)在可用金屬陶瓷刀具進(jìn)行干銑加工，不僅提高了工效，表面質(zhì)量也得到了提高。
（4）立方氮化硼(CBN)
PCBN作為新一代超硬刀具材料，使切削技術(shù)發(fā)生了革命性變化，它為淬火硬材料提供了一種經(jīng)濟(jì)而高效的切削手段。發(fā)達(dá)國家將其作為提高加工水平和經(jīng)濟(jì)效益(節(jié)能、高效、精密、自動化)的重要工具材料加以發(fā)展。在軍工、宇航等工業(yè)中對難加工材料的加工更是不可少，也是數(shù)控加工技術(shù)發(fā)展必備的長壽命刀具材料，PCBN刀具可對各種硬的或耐磨性的材料進(jìn)行高速車、鏜、車端面、切槽、螺紋加工，粗、半精、精加工皆宜。實(shí)踐證明，PCBN刀具的成效不僅可提高產(chǎn)品的加工質(zhì)量，而且也可提高經(jīng)濟(jì)效益。因此，隨著現(xiàn)代制造業(yè)(尤其是汽車制造業(yè))的快速發(fā)展，超硬刀具的生產(chǎn)及應(yīng)用也逐年快速增長。PCBN刀具符合當(dāng)今刀具發(fā)展的主要方向，即提高壽命、提高切削效率、降低加工成本、保證高精度和低粗糙度，滿足難切削材料加工的要求。隨著PCBN自身質(zhì)量的提高，刀具制造技術(shù)的不斷改進(jìn)，PCBN刀具應(yīng)用將得到更快的發(fā)展。
PCBN刀具非常適合于硬態(tài)材料的高速切削、干式切削，并能加工金剛石刀具所不能加工的黑色金屬材料，特別適合數(shù)控設(shè)備及自動化生產(chǎn)線的使用。PCBN刀具有很高的耐磨性，其使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于硬質(zhì)合金，可加工大部分高硬度材料，在許多場合可以以車、鏜、銑等代磨加工工藝，能使被加工零件獲得高的精度和良好的表面質(zhì)量．并大大提高生產(chǎn)效率。國外PCBN刀具已廣泛用來加工淬硬鋼 高硬度鑄鐵和抗磨零件，并帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。隨著機(jī)械零件的硬度和抗磨損性能要求的進(jìn)一步提高，PCBN刀具的使用必將更加廣泛。PCBN的組成成分對刀具性能的影響如下：
�、俳Y(jié)合劑對PCBN刀具性能的影響
PCBN是CBN(立方氮化硼)的燒結(jié)體，通常是不加粘結(jié)劑燒結(jié)直接由CBN原子間的結(jié)合而成的，也有加入不同的粘結(jié)劑，由粘結(jié)劑結(jié)合燒結(jié)而成的。前者因CBN含量高，所以硬度高，但較脆；后者除所加粘結(jié)劑比例不同外，其種類還有金屬粘結(jié)劑和陶瓷粘結(jié)劑之分。常用的金屬粘結(jié)劑有Co、Ni、Ti、Ni-A1等金屬；陶瓷粘結(jié)劑有TiN、TiN-A1N、A1203等，也有同時加入金屬和陶瓷粘結(jié)劑的。一般加陶瓷粘結(jié)劑的PCBN刀具具有較高的耐高溫磨損能力和較強(qiáng)的抗粘結(jié)能力。
�、贑BN含量對PCBN刀具性能的影響
CBN是人工合成的，硬度僅次于金剛石，其晶粒硬度可達(dá)8000～9000HV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陶瓷和硬質(zhì)合金。PCBN復(fù)合片的硬度(通常為3000～5000HV)主要取決于CBN的含量，一般CBN
含量在40%～95%之間，隨著CBN含量的增高，PCBN的硬度增加；而耐磨性與CBN含量之間不是簡單的關(guān)系，不同加工條件下有不同最佳值，加工模具鋼時，CBN含量為55%左右時，刀具最耐磨；加工Cr06合金工具鋼時，CBN含量越高越耐磨。
�、跜BN晶粒尺寸對PCBN刀具性能的影響
CBN晶粒的大小影響刀具的強(qiáng)度，細(xì)晶�？墒咕Я５木Ы缑娣e增加，提高燒結(jié)強(qiáng)度及抗裂紋擴(kuò)展能力，從而使PCBN刀具耐磨性增加，當(dāng)粒徑增加1倍時，刀具壽命要降低30%～50%。
PCBN是超硬材料中較好的綠色干切削刀具材料，能夠高速干切削淬火鋼、冷硬鑄鐵、鎳基合金、鈦合金及多種熱噴涂材料。
（5）聚晶金剛石(PCD)
單晶金剛石作為切削刀具已有幾百年的歷史，是迄今為止所發(fā)現(xiàn)的最硬最耐磨的材料，由于其內(nèi)部為單晶系，研磨出的切削刃口質(zhì)量極好(目前國外刃口半徑可以研磨到數(shù)納米水平)，切削的工件表面紋理極佳。但是其價格昂貴，并且由于它具有解理性，在受到?jīng)_擊時往往會出現(xiàn)脆性，易破損。因此單晶金剛石切削刀具主要用于表面光潔度、幾何形狀和尺寸有極高要求的超精密加工應(yīng)用領(lǐng)域。
PCD切削刀具是上世紀(jì)70年代中期開發(fā)的超硬材料切削刀具。PCD是由金剛石微粉與少量結(jié)合劑在高溫超高壓下燒結(jié)而成。盡管其硬度低于單晶金剛石，然而其硬度各向同性，韌性高于單晶金剛石。
金剛石刀具具有硬度高、抗壓強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性及耐磨性好等特性，可在高速切削中獲得很高的加工精度和加工效率。金剛石刀具的上述特性是由金剛石晶體狀態(tài)決定的。在金剛石晶體中，碳原子的四個價電子按四面體結(jié)構(gòu)成鍵，每個碳原子與四個相鄰原子形成共價鍵，進(jìn)而組成金剛石結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的結(jié)合力和方向性很強(qiáng)，從而使金剛石具有極高硬度。由于聚晶金剛石(PCD)的結(jié)構(gòu)是取向不一的細(xì)晶粒金剛石燒結(jié)體，雖然加入了結(jié)合劑，其硬度及耐磨性低于單晶金剛石。但由于PCD燒結(jié)體表現(xiàn)為各向同性，因此不易沿單一解理面裂開。
PCD刀具材料的主要性能指標(biāo):①PCD的硬度可達(dá)8000HV，為硬質(zhì)合金的80～120倍；②PCD的導(dǎo)熱系數(shù)為700Ｗ/ｍＫ，為硬質(zhì)合金的1.5～9倍，甚至高于PCBN和銅，因此PCD刀具熱量傳遞迅速；③PCD的摩擦系數(shù)一般僅為0.1～0.3(硬質(zhì)合金的摩擦系數(shù)0.4～1)，因此PCD刀具可顯著減小切削力；④PCD的熱膨脹系數(shù)僅為0.9×10-6～1.18×10-6，僅相當(dāng)于硬質(zhì)合金的1/5，因此PCD刀具熱變形小，加工精度高；⑤PCD刀具與有色金屬和非金屬材料間的親和力很小，在加工過程中切屑不易粘結(jié)在刀尖上形成積屑瘤。
工業(yè)發(fā)達(dá)國家對PCD刀具的研究開展較早，其應(yīng)用已比較成熟。自1953年在瑞典首次合成人造金剛石以來，對PCD刀具切削性能的研究獲得了大量成果，PCD刀具的應(yīng)用范圍及使用量迅速擴(kuò)大。目前，國際上著名的人造金剛石復(fù)合片生產(chǎn)商主要有英國De Beers公司、美國GE公司、日本住友電工株式會社等。PCD刀具的應(yīng)用范圍已由初期的車削加工向鉆削、銑削加工擴(kuò)展。由日本一家組織進(jìn)行的關(guān)于超硬刀具的調(diào)查表明:人們選用PCD刀具的主要考慮因素是基于PCD刀具加工后的表面精度、尺寸精度及刀具壽命等優(yōu)勢。金剛石復(fù)合片合成技術(shù)也得到了較大發(fā)展，De Beers公司已推出了直徑74ｍｍ、層厚0.3ｍｍ的聚晶金剛石復(fù)合片。
國內(nèi)PCD刀具市場隨著刀具技術(shù)水平的發(fā)展也不斷擴(kuò)大。目前中國第一汽車集團(tuán)已有一百多個PCD車刀使用點(diǎn)，許多人造板企業(yè)也采用PCD刀具進(jìn)行木制品加工。PCD刀具的應(yīng)用也進(jìn)一步推動了對其設(shè)計與制造技術(shù)的研究。國內(nèi)的清華大學(xué)、大連理工大學(xué)、華中理工大學(xué)、吉林工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等均在積極開展這方面的研究。國內(nèi)從事PCD刀具研發(fā)、生產(chǎn)的有上海舒伯哈特、鄭州新亞、南京藍(lán)幟、深圳潤祥、成都工具研究所等幾十家單位。目前，PCD刀具的加工范圍已從傳統(tǒng)的金屬切削加工擴(kuò)展到石材加工、木材加工、金屬基復(fù)合材料、玻璃、工程陶瓷等材料的加工。通過對近年來PCD刀具應(yīng)用的分析可見，PCD刀具主要應(yīng)用于以下兩方面:①難加工有色金屬材料的加工:用普通刀具加工難加工有色金屬材料時,往往產(chǎn)生刀具易磨損、加工效率低等缺陷,而PCD刀具則可表現(xiàn)出良好的加工性能。如用PCD刀具可有效加工新型發(fā)動機(jī)活塞材料-過共晶硅鋁合金(對該材料加工機(jī)理的研究已取得突破)。②難加工非金屬材料的加工:PCD刀具非常適合對石材、硬質(zhì)碳、碳纖維增強(qiáng)塑料、人造板材等難加工非金屬材料的加工。如華中理工大學(xué)1990年實(shí)現(xiàn)了用PCD刀具加工玻璃;目前強(qiáng)化復(fù)合地板及其它木基板材的應(yīng)用日趨廣泛,用PCD刀具加工這些材料可有效避免刀具易磨損等缺陷。
PCD粒度的選擇與刀具加工條件有關(guān)，如設(shè)計用于精加工或超精加工的刀具時，應(yīng)選用強(qiáng)度高、韌性好、抗沖擊性能好、細(xì)晶粒的PCD。粗晶粒PCD刀具則可用于一般的粗加工。PCD材料的粒度對于刀具的磨損和破損性能影響顯著。研究表明:PCD粒度號越大，刀具的抗磨損性能越強(qiáng)。PCD刀具的硬度高，導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)也很小，特別合適于各種銅鋁合金、非金屬材料和復(fù)合材料的高速干切削加工。
4.結(jié)束語
干切削意味著在車削、銑削、鉆削、鏜削等切削加工過程中，消除切削液的不利影響，大大地節(jié)約了加工成本，保護(hù)了環(huán)境。目前，歐洲和日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家都非常重視干切削技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，據(jù)統(tǒng)計在歐洲工業(yè)界，有大約10%～15%的加工已經(jīng)采用了干切削工藝。隨著人類對資源和環(huán)境保護(hù)的日益重視，切削液的負(fù)面影響逐漸引起人們關(guān)注。用干切削加工代替濕加工，是機(jī)械制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展的方向。研究實(shí)現(xiàn)干切削加工技術(shù)，對各種不同的工件材料尋求適宜的干切削加工工藝，并盡快投入工業(yè)應(yīng)用，對保護(hù)我國生態(tài)環(huán)境，提高企業(yè)產(chǎn)品的競爭力，都有十分重要的意義。目前，我國對干切削技術(shù)的研究還比較少，應(yīng)用也只是傳統(tǒng)的鑄鐵銑削加工。為了跟上國際形勢，順應(yīng)世界切削技術(shù)的發(fā)展趨勢，我國應(yīng)加快對干切削技術(shù)的研究。21世紀(jì)的制造業(yè)對綠色環(huán)保的要求越來越高，干切削技術(shù)作為一種綠色制造工藝對于節(jié)省資源、保護(hù)環(huán)境、降低成本具有重要意義，隨著機(jī)床技術(shù)和刀具技術(shù)及其相關(guān)工藝研究的深入，干切削技術(shù)必將成為金屬切削加工的主要發(fā)展方向。
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