PCD与CBN刀具的制造技术

金属切削刀具的发展历史与现状前言刀具是机械制造中用于切削加工的工具，又称切削工具。

广义的切削工具既包括刀具，还包括磨具。

刀具技术的进步，体现在刀具材料、刀具结构、刀具几何形状和刀具系统四个方面，刀具材料新产品更是琳琅满目。

当代正在应用的刀具材料有高速钢、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和金刚石。

其中，高速钢和硬质合金是用得最多的两种刀具材料，分别约占刀具总量的30%～40%和50%～60%。

本文将介绍刀具的发展历程，发展现状，并对未来刀具的发展法相作出分析。

刀具的发展历史刀具的发展在人类进步的历史上占有重要的地位。

中国早在公元前28～前20世纪，就已出现黄铜锥和紫铜的锥、钻、刀等铜质刀具。

战国后期(公元前三世纪)，由于掌握了渗碳技术，制成了铜质刀具。

当时的钻头和锯，与现代的扁钻和锯已有些相似之处。

然而，刀具的快速发展是在18世纪后期，伴随蒸汽机等机器的发展而来的。

1783年，法国的勒内首先制出铣刀。

1792年，英国的莫兹利制出丝锥和板牙。

有关麻花钻的发明最早的文献记载是在1822年，但直到1864年才作为商品生产。

那时的刀具是用整体高碳工具钢制造的，许用的切削速度约为5米/分。

1868年，英国的穆舍特制成含钨的合金工具钢。

1898年，美国的泰勒和.怀特发明高速钢。

1923年，德国的施勒特尔发明硬质合金。

在采用合金工具钢时，刀具的切削速度提高到约8米/分，采用高速钢时，又提高两倍以上，到采用硬质合金时，又比用高速钢提高两倍以上，切削加工出的工件表面质量和尺寸精度也大大提高。

由于高速钢和硬质合金的价格比较昂贵，刀具出现焊接和机械夹固式结构。

1949～1950年间,美国开始在车刀上采用可转位刀片，不久即应用在铣刀和其他刀具上。

1938年，德国德古萨公司取得关于陶瓷刀具的专利。

1972年，美国通用电气公司生产了聚晶人造金刚石和聚晶立方氮化硼刀片。

这些非金属刀具材料可使刀具以更高的速度切削。

1969年，瑞典山特维克钢厂取得用化学气相沉积法，生产碳化钛涂层硬质合金刀片的专利。

机加工中刀具的使用和发展情况摘要：随着材料工业及精密机械工业的发展，精密切削、超精密切削和难切削材料使用的增多，超硬刀具材料的应用日益广泛。

本文通过分析超硬刀具材料的发展状况，对主要品种的应用进行探讨。

关键词：超硬刀具刀具材料金刚石一、超硬刀具材料发展概况超硬刀具材料是指天然金刚石及硬度、性能与之相近的人造金刚石和cbn(立方氮化硼)。

由于天然金刚石价格比较昂贵，所以生产上大多采用人造聚晶金刚石(pcd)、聚晶立方氮化硼(pcbn)以及它们的复合材料。

早在20世纪50年代，美国就利用人造金刚石微粉和cbn微粉在高温、高压、触媒和结合剂的作用下烧结成尺寸较大的聚晶块作为刀具材料。

之后，南非戴比尔斯(debeem)公司、前苏联和日本也相继研制成功。

20世纪70年代初又推出了金刚石或cbn和硬质合金的复合片，它们是在硬质合金基体上烧结或压制一层0.5mm～1mm 的pcd或pcbn而成，从而解决了超硬刀具材料抗弯强度低、镶焊困难等问题，使超硬刀具的应用进入实用阶段。

我国超硬刀具材料的研究与应用开始于上个世纪70年代，并于1970年在贵阳建造了我国第一座超硬材料及制品的专业生产厂第六砂轮厂，从1970—1990年整整20年中，超硬材料年产量从仅46万克拉增至3500万克拉。

上个世纪90年代前后，不少超硬材料生产专业厂从国外引进成套的超硬材料合成设备及技术，使产量得以迅速提高，至1997年，我国人造金刚石年产量就已达到5亿克拉左右，cbn年产量达800万克拉，跃居世界超硬材料生产大国之首。

金刚石具有极高的硬度和耐磨性，其显微硬度可达10000hv，是刀具材料中最硬的材料。

同时它的摩擦系数小，与非铁金属无亲和力，切屑易流出，热导率高，切削时不易产生积屑瘤，加工表面质量好，能有效地加工非铁金属材料和非金属材料，如铜、铝等有色金属及其合金、陶瓷、末烧结的硬质合金、各种纤维和颗粒加强的复合材料、塑料、橡胶、石墨、玻璃和各种耐磨的木材(尤其是实心木和胶合板等复合材料)。

（2）汽车制造。
1
2
3
4
钻孔 表面倒棱 内侧倒棱 铰孔
高速钻孔 表面和内侧倒棱
专用机床 5轴×4工序 = 20轴（3万件/月）
刚性（零件、孔数、孔径、孔型固 定不变）
高速加工中心 1台1轴1工序（3万件/月）
柔性（零件、孔数、孔径、 孔型可变）
图12 汽车轮毂螺栓孔高速加工实例（日产公司）
（3）模具制造。
b）高速模具加工的过程
图14 两种模具加工过程比较
生产剃须刀的石墨电极
生产球形柄用的铜电极
图15 高速切削加工电火花加工用工具电极
（4）难加工材料领域。硬金属材料（HRC55～62），可 代替磨削，精度可达IT5~IT6级，粗糙度可达0.2～1um。
（5）超精密微细切削加工领域。
粗铣整体铝板； •精铣去口； •钻680个直径为3mm的小孔。 时间为32min。
在机床的主轴上，定子安装在主轴单元的壳体中，采用水冷 或油冷。精度高、振动小、噪声低、结构紧凑。
高速加工技术的发展与应用
图5 HSM600U型数控五轴高速加工中心
生产厂家：瑞士Mikron 主轴转速：最高42000 rpm
主轴功率：13 KW 进给速度：最高40 m / min
定位精度：0.008 mm
重复定位精度：0.005mm
图6 HSM 系列高速五轴联动小型立式加工中心
图7 HSM800 图9 HSM400
• Bremen大学在高效深磨的研究方面取得了世界公 认的高水平成果，并积极在铝合金、钛合金、铬镍 合金等难加工材料方面进行高效深磨的研究。
近年来，我国在高速、超高速加工的各关键领域 (如大功率高速主轴单元、高加减速直线进给电机、 陶瓷滚动轴承等方面)也进行了较多的研究并有相应 的研究成果。

数控机床利用新材料的刀具技术近年来，切削加工技术高速铣削、微细形状切削等领域有了快速发展。

随着新型工程材料开发应用以零部件进一步小型化、精密化，刀具制造商正积极开发适用于各种加工用途高效刀具。

切削加工基本要求快速而又成本低廉地生产高质量产品。

这一要求与实现切削加工高精度化、高效化、低成本化紧密相关。

构筑快速生产系统以汽车业为心制造业设备投资出口增长牵引下，对刀具产品需求日趋增长，刀具制造商纷纷国内外大生产能力。

随着全球性成本竞争不断加剧，用户要求实现高附加值、高效率生产呼声与日俱增。

为适交货期短、成本低廉快速生产发展趋势，关键要利用最小限度生产设备实现长时间自动运转加工。

推进产现场合理化有效方法引入能将多道工序集成一起复合切削技术能够高速、高精度切削包括淬硬钢内工材料高速铣床等设备。

复合切削、高速硬铣削等先进切削技术实现以最小限度生产设备高效、快速、柔性(适应不同品种、同批量生产)加工零件生产方式核心。

但，任何切削方式都离不开选用合适切削刀具确定合理刀具使用技术。

近年来造车网，随着机床高速化、高精度加工技术进步难加工材料切削增多，刀具材料(陶瓷、硬质金、TiC/TiN基金属陶瓷、涂层硬质合金等%进展也十分显著。

日新月异刀具材料刀具材料必须满足以下条件：硬度高、耐磨损、具有能抵抗切削抗力及振动冲击高强度、良好高温硬性、容易热处理加工成型等。

刀具材料，硬质合金特点高温下硬度也很少降低。

其，涂层硬质合金以化钨系硬质合金为基体，其表面涂覆一层或多层碳化钛(TiC)、氮化钛(TiN)、氧化铝(Al2O3)等薄膜材料由于涂层材料耐熔结、耐磨损耐热性能优于基体，因此能以超过基材切削速度进行高速切削。

此外，由涂层摩擦系数小，因此可以延长刀具使用寿命。

高速铣削技术发展要求刀具材料具备良好耐磨性、耐热性强韧性，于出现了许多超细颗粒硬质合金材上涂覆多层复合薄膜以提高切削性能涂层立铣刀等产品。

有超细颗粒硬质合金材料平均粒径1μm以下使刀具基体韧性抗弯强度明显提高。