特陶应用：精加工利器--硬态切削刀具

日期：2022-11-23 浏览次数：次

硬(ying)(ying)态(tai)切削(xue)(xue)(xue)（高速(su)切削(xue)(xue)(xue)技术的一个应用领域）是指用车床使用陶瓷、超硬(ying)(ying)CBN、超细硬(ying)(ying)质(zhi)合金等超硬(ying)(ying)刀具来加(jia)(jia)(jia)工淬硬(ying)(ying)材(cai)料(liao)(通(tong)常指硬(ying)(ying)度于54-63HRC之间)--淬硬(ying)(ying)钢、灰铸铁、球墨铸铁、粉(fen)末冶金和特(te)殊材(cai)料(liao)等零(ling)件的一种(zhong)加(jia)(jia)(jia)工方法，这种(zhong)加(jia)(jia)(jia)工通(tong)常是作为最(zui)终加(jia)(jia)(jia)工或精加(jia)(jia)(jia)工，它比传统的磨削(xue)(xue)(xue)加(jia)(jia)(jia)工有效率(lv)高、柔(rou)性好、工艺简单、投资少等优点(dian)，在(zai)耗时和高成本的磨削(xue)(xue)(xue)和抛光的加(jia)(jia)(jia)工场(chang)景越来越多(duo)地被应用。

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例如汽车(che)(che)行业(ye)，用CBN立方氮化(hua)硼刀具加工20CrMo5淬(cui)硬齿轮(60HRC)内孔，代替磨削，表面粗糙度可达0.22μm，已成为国内外汽车(che)(che)行业(ye)推广的(de)新(xin)工艺。

一、硬态切削精加(jia)工PK磨削(xue)精加工(gong)

对于高(gao)硬(ying)度(du)钢材，传(chuan)统的(de)加(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)方(fang)法主(zhu)要是在退火的(de)条件(jian)下对工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)件(jian)进行粗加(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)，再经过热(re)处理，最后(hou)通(tong)过磨(mo)削(xue)完(wan)成工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)件(jian)加(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)。而硬(ying)态(tai)切(qie)(qie)(qie)削(xue)技术不同于传(chuan)统的(de)加(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)方(fang)法，它比(bi)传(chuan)统的(de)加(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)步骤更少(shao)，通(tong)过消除第二(er)热(re)处理节(jie)约加(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)时间，硬(ying)态(tai)加(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)艺提供(gong)了更高(gao)的(de)灵活性，增(zeng)加(jia)(jia)了材料的(de)去除率(lv)，甚至可以实现干(gan)式加(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)。由于超硬(ying)材料刀(dao)具(ju)的(de)出现及数控(kong)机床(chuang)等加(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)设备精(jing)度(du)的(de)提高(gao)，采(cai)用(yong)硬(ying)态(tai)切(qie)(qie)(qie)削(xue)代替磨(mo)削(xue)完(wan)成零件(jian)最终加(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)-以车(che)代磨(mo)，已(yi)成为一种新的(de)重要的(de)精(jing)加(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)途径(jing)。如下是硬(ying)态(tai)切(qie)(qie)(qie)削(xue)与磨(mo)削(xue)的(de)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)艺对比(bi)。

▼硬态(tai)切削(xue)和磨削(xue)的对比

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由上(shang)我们(men)可(ke)(ke)知。硬(ying)(ying)态(tai)(tai)(tai)切(qie)削(xue)可(ke)(ke)以大大缩短工(gong)艺(yi)流程，增加加工(gong)工(gong)艺(yi)柔(rou)性，减少企业设备的投入，提高(gao)生产(chan)率，具有(you)(you)巨大的经(jing)济(ji)效益；由于硬(ying)(ying)态(tai)(tai)(tai)切(qie)削(xue)基本(ben)不使用切(qie)削(xue)液，有(you)(you)利于环境保护，因(yin)此硬(ying)(ying)态(tai)(tai)(tai)切(qie)削(xue)越(yue)来越(yue)受到人们(men)的关注。当然这个(ge)超硬(ying)(ying)材料刀具可(ke)(ke)不便宜，但经(jing)过实践应用，您一定会发现哪个(ge)方式更适(shi)合您的实际要求，哪款用起来更节约成本(ben)，更能为您的产(chan)品创造价(jia)值。

二、硬态切削刀具(ju)材(cai)料

1、材(cai)料类型

高速(su)硬(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)切(qie)(qie)削要(yao)求使用硬(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)和超硬(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)刀具材料，可用于(yu)高速(su)硬(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)切(qie)(qie)削的超硬(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)刀具材料主要(yao)包括(kuo)金(jin)刚(gang)石、聚(ju)晶(jing)立方(fang)氮(dan)化硼(peng)(PCBN)、陶瓷、TiC(N)基硬(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)质(zhi)合金(jin)等(deng)，其中金(jin)刚(gang)石主要(yao)加(jia)工(gong)高硬(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)有色金(jin)属和非(fei)金(jin)属材料，而聚(ju)晶(jing)立方(fang)氮(dan)化硼(peng)、陶瓷和TiC(N)基硬(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)质(zhi)合金(jin)主要(yao)加(jia)工(gong)高硬(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)钢(gang)、铸铁和超级合金(jin)等(deng)。如下是GB/T2075-2007ISO513:2004对(dui)硬(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)切(qie)(qie)削材料分类的参(can)考：

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▼不同(tong)刀具材料(liao)的力学性能

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①新(xin)型硬质合金(jin)刀(dao)具材料

硬(ying)(ying)(ying)质合金(jin)刀具(ju)具(ju)有良好的(de)(de)抗拉强度(du)(du)和(he)断裂(lie)韧性，但由于(yu)较(jiao)低(di)的(de)(de)硬(ying)(ying)(ying)度(du)(du)和(he)较(jiao)差的(de)(de)高温稳定性，使其在高速硬(ying)(ying)(ying)切(qie)(qie)削(xue)中的(de)(de)应用受到(dao)一(yi)定限(xian)制。但细晶粒(li)和(he)超(chao)细晶粒(li)的(de)(de)硬(ying)(ying)(ying)质合金(jin)由于(yu)晶粒(li)细化后，硬(ying)(ying)(ying)质相尺寸变小，粘结相更均匀地分布在硬(ying)(ying)(ying)质相的(de)(de)周围，提高了硬(ying)(ying)(ying)质合金(jin)的(de)(de)硬(ying)(ying)(ying)度(du)(du)与耐磨性，在硬(ying)(ying)(ying)切(qie)(qie)削(xue)中获(huo)得较(jiao)广泛应用。

▼金(jin)属陶(tao)瓷刀具（厦门金(jin)鹭(lu)特(te)种(zhong)合金(jin)有限公(gong)司）

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备注：金属陶瓷刀片在硬质合金行业中一(yi)般(ban)是指TiCN/TiC/TiC/TiC/S加Co或(huo)Ni作为粘接相，在很多场合中，添加元素周期表地(di)VB、VB及VB族金属中的一(yi)种以(yi)上的一(yi)种人(ren)员氮化物作为添加剂以(yi)增强金属陶瓷的力学、高温性(xing)能(neng)的一(yi)种刀具。

②陶瓷刀(dao)具(ju)

陶(tao)瓷刀具材(cai)料包(bao)括(kuo)氧化(hua)铝(lv)(Al2O3)、氮化(hua)硅(gui)(Si3N4)以(yi)及(ji)氮氧化(hua)硅(gui)铝(lv)(SiAlON)陶(tao)瓷,因(yin)为(wei)Si3N4和(he)SiAlON陶(tao)瓷的(de)(de)(de)韧性相对较高,特别是其高温韧性,用(yong)(yong)这种(zhong)材(cai)料制作的(de)(de)(de)刀具最适合(he)于切削铸(zhu)(zhu)铁和(he)耐热超合(he)金。NTK公司(si)的(de)(de)(de)五种(zhong)黑色(se)陶(tao)瓷材(cai)质,通过在氧化(hua)铝(lv)中添加碳化(hua)物来(lai)增强韧性和(he)硬(ying)度(du),具有高温红硬(ying)性和(he)低(di)塑性,可用(yong)(yong)来(lai)车削合(he)金钢、冷作或(huo)球(qiu)墨铸(zhu)(zhu)铁辊以(yi)及(ji)硬(ying)度(du)高达HRC62的(de)(de)(de)粉末(mo)冶金金属。

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▲NTK公司氧化(hua)铝(lv)系列陶瓷刀(dao)具(ju)及(ji)氧化(hua)铝(lv)/碳化(hua)钛(tai)系列(右)

由于陶瓷(ci)刀具(ju)脆性(xing)较大，为(wei)了提(ti)升(sheng)陶瓷(ci)刀具(ju)的刃口强度，必须采用负倒棱(leng)，一(yi)般(ban)选用T型(xing)或双T型(xing)棱(leng)面，且陶瓷(ci)刀具(ju)在切削过程中不能(neng)使用液体切削液，所以(yi)陶瓷(ci)刀具(ju)材料一(yi)般(ban)向(xiang)增韧和自润滑方向(xiang)发展。

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▲NTK公司氮化硅系列(lie)陶瓷(ci)刀具(ju)拥有氧化铝系列(lie)陶瓷(ci)2倍的(de)(de)抗拉(la)强度，同时具(ju)备了与(yu)硬质合金(jin)相媲美的(de)(de)耐(nai)缺损(sun)性（左）&晶(jing)须陶瓷(ci)系列(lie)刀具(ju)在氧化铝中添加碳化硅晶(jing)须材(cai)料，晶(jing)须陶瓷(ci)作为加工耐(nai)热合金(jin)的(de)(de)万(wan)能材(cai)质，具(ju)备优(you)秀的(de)(de)耐(nai)磨损(sun)性和耐(nai)表面(mian)剥落(luo)性。

③PCBN刀具材料

立方(fang)氮化硼（简称CBN）是(shi)用六方(fang)氮化硼（俗称白(bai)石墨）为(wei)原(yuan)料(liao)，利用超高(gao)温(wen)高(gao)压技术(shu)，继(ji)人造金刚石之后(hou)人工(gong)合(he)成(cheng)的又一种(zhong)新(xin)型无(wu)机(ji)超硬(ying)材(cai)料(liao)。硬(ying)度仅次于金刚石的人工(gong)合(he)成(cheng)物(wu)质(zhi)，具有强度硬(ying)度高(gao)、耐(nai)磨(mo)性(xing)和耐(nai)热性(xing)好等特(te)点，而PCBN材(cai)料(liao)是(shi)进(jin)行硬(ying)态切削的理想刀(dao)具材(cai)料(liao)，化学性(xing)质(zhi)稳定，导热性(xing)好，耐(nai)热度可以(yi)达到1400～1500℃。PCBN刀(dao)具材(cai)料(liao)中CBN含量以(yi)及金属结合(he)剂的类(lei)型，是(shi)影响PCBN材(cai)料(liao)性(xing)能的主要因(yin)素。可用于对(dui)高(gao)温(wen)合(he)金、淬硬(ying)钢、冷硬(ying)铸(zhu)铁等材(cai)料(liao)进(jin)行半精加(jia)工(gong)和精加(jia)工(gong)。

▼CBN及(ji)PCBN刀具（郑州博(bo)特超(chao)硬刀具有限公司）

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④金刚(gang)石刀具

金(jin)刚(gang)石(shi)(shi)(shi)(shi)是(shi)碳(tan)的(de)同(tong)素异构(gou)体，它是(shi)自然(ran)界已(yi)经发现的(de)最硬的(de)一(yi)种材(cai)料。金(jin)刚(gang)石(shi)(shi)(shi)(shi)刀(dao)具(ju)(ju)(ju)具(ju)(ju)(ju)有高(gao)硬度、高(gao)耐(nai)磨性和高(gao)导热(re)性能，在有色金(jin)属和非金(jin)属材(cai)料加(jia)工中(zhong)得(de)到(dao)广(guang)泛的(de)应(ying)用。尤其(qi)在铝和硅铝合金(jin)高(gao)速切削加(jia)工中(zhong)，金(jin)刚(gang)石(shi)(shi)(shi)(shi)刀(dao)具(ju)(ju)(ju)是(shi)难以替代的(de)主要(yao)切削刀(dao)具(ju)(ju)(ju)品(pin)种。但金(jin)刚(gang)石(shi)(shi)(shi)(shi)刀(dao)具(ju)(ju)(ju)的(de)不(bu)足之处在于其(qi)热(re)稳定性较(jiao)差(cha)，切削温(wen)度超过(guo)700℃~800℃时(shi)，就(jiu)会完全失去(qu)其(qi)硬度；此(ci)外(wai)，它不(bu)适于切削黑色金(jin)属，因为金(jin)刚(gang)石(shi)(shi)(shi)(shi)（碳(tan)）在高(gao)温(wen)下容(rong)易与铁原(yuan)子作用，使碳(tan)原(yuan)子转化为石(shi)(shi)(shi)(shi)墨(mo)结构(gou)，刀(dao)具(ju)(ju)(ju)极(ji)易损坏(huai)。根据来源及工艺路线的(de)不(bu)同(tong)，金(jin)刚(gang)石(shi)(shi)(shi)(shi)刀(dao)具(ju)(ju)(ju)可(ke)分为如(ru)下三大类。

A、天(tian)然金(jin)刚石刀(dao)(dao)具：天(tian)然金(jin)刚石作为(wei)切削(xue)(xue)刀(dao)(dao)具已有(you)上百年(nian)的(de)历(li)史(shi)了，天(tian)然单晶金(jin)刚石刀(dao)(dao)具经过精细研磨，刃口能磨得极其锋利，刃口半(ban)径可达(da)0.002μm，能实现超薄切削(xue)(xue)，可以加工(gong)出极高的(de)工(gong)件精度和极低(di)的(de)表面粗(cu)糙(cao)度，是公认(ren)的(de)、理想的(de)和不能代替的(de)超精密加工(gong)刀(dao)(dao)具。

B、PCD金(jin)(jin)刚(gang)(gang)石(shi)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)：天然(ran)金(jin)(jin)刚(gang)(gang)石(shi)价格(ge)(ge)昂贵，金(jin)(jin)刚(gang)(gang)石(shi)广泛应(ying)用(yong)于切削加(jia)工的(de)(de)还是(shi)聚(ju)晶金(jin)(jin)刚(gang)(gang)石(shi)（PCD），自20世纪(ji)70年代(dai)初，采用(yong)高温(wen)高压(ya)合成技术制(zhi)(zhi)备的(de)(de)聚(ju)晶金(jin)(jin)刚(gang)(gang)石(shi)（Polycrystauine diamond，简称PCD刀(dao)(dao)(dao)(dao)片(pian)研制(zhi)(zhi)成功(gong)以后，在(zai)(zai)很多场合下天然(ran)金(jin)(jin)刚(gang)(gang)石(shi)刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)已经被人造聚(ju)晶金(jin)(jin)刚(gang)(gang)石(shi)所代(dai)替。PCD原料(liao)来源丰富，其价格(ge)(ge)只(zhi)有天然(ran)金(jin)(jin)刚(gang)(gang)石(shi)的(de)(de)几十分之(zhi)一至(zhi)十几分之(zhi)一。PCD刀(dao)(dao)(dao)(dao)具(ju)无法磨出极其锋利(li)的(de)(de)刃口，加(jia)工的(de)(de)工件(jian)表(biao)面(mian)质量也不如天然(ran)金(jin)(jin)刚(gang)(gang)石(shi)，现在(zai)(zai)工业(ye)中还不能(neng)方便地制(zhi)(zhi)造带有断屑槽的(de)(de)PCD刀(dao)(dao)(dao)(dao)片(pian)。因此，PCD只(zhi)能(neng)用(yong)于有色(se)金(jin)(jin)属(shu)和非金(jin)(jin)属(shu)的(de)(de)精切，很难达到超精密镜(jing)面(mian)切削。

C、CVD金(jin)(jin)刚(gang)石(shi)刀(dao)具：从(cong)20世纪70年(nian)(nian)代末至80年(nian)(nian)代初，CVD金(jin)(jin)刚(gang)石(shi)技术在日本(ben)出现。CVD金(jin)(jin)刚(gang)石(shi)是指用化学气相沉积法（CVD）在异质(zhi)基体(ti)（如(ru)硬质(zhi)合金(jin)(jin)、陶(tao)瓷等）上合成(cheng)金(jin)(jin)刚(gang)石(shi)膜(mo)，CVD金(jin)(jin)刚(gang)石(shi)具有与天(tian)然金(jin)(jin)刚(gang)石(shi)完全相同的结构和特性。

CVD金(jin)(jin)刚石的性(xing)能与天然金(jin)(jin)刚石相比十分接近，兼有天然单晶(jing)金(jin)(jin)刚石和(he)聚(ju)晶(jing)金(jin)(jin)刚石（PCD）的优点(dian)，在(zai)一(yi)定程度上(shang)又克服了它们(men)的不足。

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▲Applied Diamond的(de)(de)“工具(ju)”级CVD金刚石是一种无粘结剂、细粒度的(de)(de)纯金刚石，在粗加工或精加工硬材料(liao)或研磨材料(liao)时提供更高(gao)的(de)(de)耐磨性、更锋利的(de)(de)边缘和更低的(de)(de)切削(xue)力。（来(lai)源Applied Diamond Inc）

⑤带涂层的刀(dao)具(ju)

对刀(dao)具(ju)进行涂(tu)层处理是(shi)提(ti)高(gao)(gao)刀(dao)具(ju)性(xing)能的重要途径之一。涂(tu)层刀(dao)具(ju)的出现，使刀(dao)具(ju)切削(xue)性(xing)能有(you)了重大(da)突破。涂(tu)层刀(dao)具(ju)是(shi)在韧性(xing)较好刀(dao)体(ti)上，涂(tu)覆一层或多层耐磨性(xing)好的难熔化合(he)物，它将刀(dao)具(ju)基(ji)体(ti)与(yu)硬质涂(tu)层相结合(he)，从而使刀(dao)具(ju)性(xing)能大(da)大(da)提(ti)高(gao)(gao)。涂(tu)层刀(dao)具(ju)可以提(ti)高(gao)(gao)加(jia)工效率、提(ti)高(gao)(gao)加(jia)工精度、延长刀(dao)具(ju)使用(yong)寿命、降低(di)加(jia)工成(cheng)本。

2、工具特性(xing)

硬态切(qie)(qie)削(xue)技术切(qie)(qie)削(xue)的工件主要为高硬度(du)工件，切(qie)(qie)削(xue)过程中，切(qie)(qie)削(xue)力(li)大(da)，切(qie)(qie)削(xue)过程一般不使用冷(leng)却(que)液，其(qi)温度(du)可(ke)达900℃，刀(dao)具(ju)易磨(mo)损，这(zhei)就(jiu)要求硬态切(qie)(qie)削(xue)刀(dao)具(ju)具(ju)有强度(du)高、耐(nai)(nai)高温、化学性(xing)(xing)质稳定、导(dao)热性(xing)(xing)好(hao)、耐(nai)(nai)磨(mo)性(xing)(xing)好(hao)等特(te)点(dian)。如下是硬态切(qie)(qie)削(xue)刀(dao)具(ju)特(te)性(xing)(xing)。

▼硬态切削刀(dao)具特(te)性

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