探究超硬材料刀具在机械加工中的应用
（山西航天清华装备有限责任公司，山西 长治 046012）
摘 要：刀具是机械加工中的基础性工具，刀具的性能直接影响着加工制品的质量，伴随着航天航空等新型行业的发展，机械加工制造业对刀具提出更高的要求，超硬材质刀具被逐步应用于机械加工行业。本文以超硬材料刀具在机械加工中的应用为课题进行探讨，分析超硬材料刀具的类型和优势，并指出超硬材质刀具在机械加工中应用的优化措施，为进一步提高机械成品的效率与质量提供理论基础。
关键词：超硬刀具；机械加工；设计应用
1.超硬材质刀具的分类
1.1 天然材料刀具
伴随着机械加工行业的成熟，对刀具材料提出更高的要求。超硬材料的刀具，一方面有利于提高工作效率，另一方面有利于保证加工制品的质量。因此，超硬材料刀具被广泛应用于机械加工行业，超硬材料刀具一般分为天然材料刀具和人工合成材料刀具。金刚石材质的刀具是最理想的天然材料道具，被广泛应用于汽车和非机动车加工领域，家电、燃气等行业也有使用，但是由于天然金刚石的价格非常昂贵，很多企业会选择人工制成的超强材质刀具。
1.2 人工合成材料刀具
伴随着科学技术的进步，科学家已经找到了天然金刚石的代替品，比如人造金刚石、立方氮化硼。从上个世纪 80 年代开始，立方氮化硼刀具已经被广泛应用于机床、军事、航天等领域，技术也越来越成熟。
立方氮化硼刀具具有自动化便捷的特点，有利于提高加工的生产速度。
到目前为止，我国的立方氮化硼技术已经非常成熟，生产出来的产品质量领先于世界，现如今成为了代替天然金刚石刀具的最佳选择。
除此以外，金刚石烧结体也被用来制造刀具。金刚石烧结体就是人造聚晶金刚石。科学人员在高温高压的环境下，把不同类型的金属结合剂与金刚石的单晶粉进行混合，两者会发生化学反应生成硬度非常高的多晶体类金刚石，最后通过提纯就可以得到金刚石烧结体。这种材质的耐磨性和导热性没有天然金刚石好，但是由于价格比较低，已经被广泛应用于机械加工行业。
2.超硬材质刀具的性能
2.1 抗压强度高
机械加工一般加工的都是重金属，这就使得用于切割的超硬材料刀具，必须具有较高的抗压性。金刚石刀具被广泛应用于流水线，传统的刀具无法适应流水线的高速运转，会导致刀具发生磨损，掉下来的粉末严重影响了产品的质量。而金刚石刀具的抗压性是其他硬质材料的 10 倍以上，一方面提高了刀具的使用寿命，另一方面也保证了产品的质量。
2.2 耐高温
金属碰撞会产生巨大的热量，丝毫不注意就会导致刀具和产品的变形。为了适应机械加工中产生的强大热量，科学家不断研究超硬材料刀具的性能，最终发现立方氮化硼的耐高温性质最强，即使在 1000摄氏度的环境下，立方氮化硼刀具的硬度也不会减弱，依然可以快速的加工原材料。金刚石 CVD 材料制成的超硬刀具，虽然可以实现热量的快速转移，但是刀尖容易发生炭化，减慢了加工的生产效率，不适合被用来加工纯钢铁材料。
2.3 耐磨性好
机械加工的目的就是提供高质量的产品，为各行各业提供原材料。
企业的生存法则就是在最小的投资下获得最大的利润，耐磨性好的超硬材料刀具，可以节约刀具成本，也可以更好的保证产品质量。比如，立方氮化硼材质的刀具，在加工直径为 1000 毫米的炼钢炉进料外壳仅仅需要七分钟，而传统的，硬质材料刀具需要加工一个小时以上。对于硬度超过 60 的辐板，传统硬质材料刀具需要三块，而立方氮化硼刀具只需要一块，由此可见超硬材料刀具的耐磨性。
3.超硬材质刀具在机械加工中的应用
3.1 应用于车削加工
车削加工是用刀具对淬硬钢进行处理。各行各业对钢材的质量有不同的要求，但都要求钢材表面光滑，已经完成碳化处理。在传统的车削加工中，先是使用刀具进行切割，然后再用磨床进行打磨，加工效率非常低，加工质量也无法保障。超硬材料刀具可以满足以车代磨的需求，切的深度远远超过了磨的深度，从而大大提高了切削的效率，成本还降低 20%。比如，加工硬度为 45 的淬硬钢，传统的刀具每分钟只能切割 70 米，而超硬材料刀具每分钟可以切割 200 米。
与车削相配套的技术叫做铣削。车削技术被应用于钢材的加工，铣削技术被应用于 pcd 材料的加工，有时还会用于玻璃和铝合金的加工，该技术的加工速度非常快，一分钟可以达到四千米，大大缩短了加工所需的时间，节约了成本，极大的推动了玻璃等行业的发展。
3.2 应用于钻削加工
钻削技术被应用于陶器，玻璃，石材等材料的加工。这些材料与重金属比起来，质量更轻，脆度更强，丝毫不注意就会导致原材料的破损，严重影响了产品的质量。为此，工作人员一般选用 PCD 材质的刀具，然后精细的打磨原材料。钢材被广泛应用于各行各业，主要推动了重工业的发展，瓷器玻璃被广泛应用于生活行业，目的是为了提高人民的幸福指数。因此人民从审美和追求个性化的角度出发，会对瓷器制品提供更高的要求，有时候会明确要求钻孔和镶钻，超硬材料刀具，可以在短时间内实现钻孔，还能够保证瓷器的完整性，不仅仅提高了加工的工作效率，而且还丰富了刀具的功能。
与钻销技术相联系的叫做绞削技术。铰削技术一般被用来加工硬铸件的小孔，有时候也会加工淬硬钢。绞削技术需要用钢材做原材料的刀具，并且在刀具上设置前后导向，防止刀具在操作过程中发生偏移。在制作的过程中，对刀具的要求非常高，刀具必须要在固定的较小的区域内进行操作，不能破坏到周围的原材料，更不能把加工所产生的废屑在原材料上面。比如在加工淬火钢工件时，钢材的硬度超过了 45，传统的刀具已经无法进行切割，因此工作人员从保障原材料的质量出发会用铰削技术来完成。
3.3 应用于镗削加工
伴随着经济的高速发展，人民的生活水平越来越高，在满足物质生活需要的基础上，开始追求更加便捷的生活方式，汽车走入了寻常百姓家，汽车行业飞速发展，汽车原材料的需求也越来越大。镗削技术就被广泛应用于汽车发动机缸孔的加工。面对不同的技术要求，刀具的制作原材料也不同。比如，在加工汽车发动机缸孔时，PCBN 刀具就得到了广泛应用，这种刀具寿命长，尺寸稳定不易发生变形，能够满足精细加工的要求。在加工钨硬质合金气缸时，工作人员就会使用CVD 刀具，这种刀具的切割速度非常快，一秒钟可以达到 0.5 米，而且可以同时加工八个零部件，切割的深度也非常深，可以达到 0.12 毫米，最大可能的保证了产品的质量。
在汽车制造行业，拉削技术也被广泛应用。工作人员一般采用复合式件开线跳齿内孔硬质材料刀具来完成拉削技术。因为这种刀具的结构比较特殊，刀齿结构可以与被加工材料紧密的联系在一起，减少了在加工过程中发生移位的概率，达到了保证产品质量的目的。这种刀具非常容易操作，工作人员只要完整的读过使用说明书，就可以很熟练的掌握这种刀具，减少了企业培训的成本。而且这类刀具，可以保证工件内部孔各行面的同轴度，保证加工出来的产品质量相同，规模一样，为之后大规模的使用提供了便利。
结语
综上所述，伴随着科学技术的进步，超硬材质刀具已经被广泛应用于机械加工行业。超硬材质刀具具有超强的抗压强度、耐高温性和耐磨损性，极大的提高了机械加工的速度，也最大限度的保障了机械成品的质量。不同材质的刀具具有不同的性能，适应于不同的机械加工行业，因此工作人员一定要做到具体问题具体分析，准确掌握各类材质刀具的性能，并最大限度的发挥它们的优势。
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