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超 硬切削材料刀具主要是指金刚石和立方氮化硼(PCBN)刀具，而金刚石刀具中又以人造聚晶金刚石(PCD)刀具的应用最为广泛。随着全球汽车、航空和模具 等机械制造业的高速发展，过去首选用于加工传统“难加工”材料(如有色金属、增强塑料、陶瓷、淬硬钢、铸铁和高温合金等)的硬质合金刀具，正越来越受到上 述超硬切削材料刀具的冲击。随着超硬刀具制造技术的发展和提高，其加工范围也越来越广，已成为某些机加工领域的首选刀具。

图1 不同材料的硬度值

1 超硬切削材料刀具的特点
PCD刀具的特点
    极高的硬度及寿命 如图1所示，人造聚晶金刚石(PCD)的硬度可达68GPa，仅次于天然金刚石，是目前世界上人工合成的最硬物质，人造聚晶金刚石的硬度是目前被广泛应用 于汽车加工领域的硬质合金材料硬度的3～4倍；在加工铝硅合金时，人造聚晶金刚石刀具的使用寿命是硬质合金刀具的20～100倍。
    很低的摩擦系数 PCD 金刚石刀具非常适合加工铝合金、镁合金等有色金属，它与有色金属的摩擦系数低于0.3(约为硬质合金的一半)，这对切屑的顺利排出、杜绝积屑瘤的产生、降低切削力和切削热非常有利。
    非常锋利的刀刃 根据不同的工艺要求，PCD金刚石刀具的刃面粗糙度一般在Rz3.4～6.0µm左右，如有特殊要求，可经过表面抛光研磨处理至Rz1.7～2.1µm，刀刃钝圆半径可达0.01µm 以下。
    优异的导热性 PCD刀具的导热性略低于天然金刚石，约为硬质合金的3～5倍，这有利于降低刀尖部分的温度，提高刀具的使用寿命。
    低的热膨胀系数 PCD刀具的热膨胀系数约为硬质合金的1/4。因此，PCD 金刚石刀具的热稳定性非常好，能长时间保持刀具的尺寸精度和锋利性。
PCB刀具的特点
    很高的硬度及耐磨性能 如图2所示，聚晶立方氮化硼(CBN)是利用高温高压人工合成的另一种超硬刀具材料，其硬度略低于聚晶金刚石(PCD)。在加工淬硬钢时，其耐用度是硬质合金的10～50倍左右，切削速率可提高. 倍以上。
    优良的热稳定性和化学稳定性 CBN的耐热温度可达1400℃左右，比金刚石的耐热温度400℃高一倍，在1000℃以下不会出现氧化现象，在1200℃时也不与铁基材料起化学反应。
    良好的导热性 CBN的导热性低于金刚石，但比硬质合金高很多，并且随着切削温度的提高，它的导热系数还会提高。
    较低的摩擦系数 CBN与淬硬钢之间的摩擦系数约为硬质合金与淬硬钢之间摩擦系数的1/2。
2 超硬切削材料刀具的应用
超硬刀具的种类
    人造聚晶金刚石(PCD)复合刀片通常是由含量为80～90%的粒度为2µm、10µm或25µm 的金刚石颗粒为原料，并以钴作为催化剂，在大约1400℃的高温和60kBar的高压下烧结在圆盘形硬质合金基体上(见图2)。聚晶立方氮化硼(CBN) 刀片一般也是经高温、高压烧结在硬质合金基体上做成复合刀片形式。

图2 人造聚晶超硬复合刀片

    根据对不同刀具的不同要求，在高功率、高精度的EDM线切割机床上采用特殊设计的软件对其进行优化、精密分割，制作成各类刀具。钴领公司的超硬刀具产品基 本可覆盖整个切削类刀具，从车刀、机夹刀片到旋转类刀具(包括PCD 钻头、铣刀、铰刀及可调式精密镗刀等)，其中PCD 钻头、立铣刀已形成系列并批量投入生产。对于有特殊要求的刀具，钴领公司的专家会专门为客户设计、制作，帮助您更高效的完成加工任务。
CBN 刀具的应用
    由于CBN 刀具在加工铁系金属时会产生化学渗透，因此不适合加工钢和铸铁，但在加工有色金属和非金属材料(如铝、镁、铜及其合金，木材、增强塑料、石墨和陶瓷等)时 能表现出超群的切削能力，能非常轻松地以高于硬质合金10倍以上的切削效率进行加工(见表1)。通常通过切削试验来选择最佳的切削参数，在切削加工时最好 使用冷却液。在加工硅铝合金时刀具寿命常常能达到硬质合金的100倍以上，如此高的切削速率减少了积屑瘤在刀具刃口生成的可能性。
    CBN 刀具特别适合于高质量的精加工工序，甚至在较大的切削深度和切削速度下也能获得杰出的表面质量，这有利于减少加工工序，缩短工件的加工周期。

用于直径f3～12mm
PCB刀具的应用
    PCB刀具主要用于加工硬度在45HRC以上的各种淬硬钢(弹簧钢、轴承钢、高速钢等)、铸铁(冷硬铸铁、灰铸铁等)、高温合金(钴基合金、镍基合金等)、硬质合金及粉末喷涂金属等难加工材料。
    PCB刀具能在很大范围内有效代替磨削进行高精度加工。与磨削加工相比，对于同等加工精度，PCB刀具的加工效率更高，综合效益更好，可满足现代汽车制造 业对刀具的高效、高稳定性、高寿命的要求。表2为PCB刀具的切削参数推荐表(最佳的切削速度取决于表面质量的要求和刀尖部分的形式)。

3 超硬切削材料刀具加工实例
实例1
    工作内容：铣削空调压缩机部件上的涡旋槽；工件材料：铝硅合金(AlSi10Mg)。
    加工难点：虽然工件直径仅100mm，但实际铣削长度达800mm，涡旋槽窄而深，且壁很薄；要求被加工底面与侧面垂直，被铣削的槽内壁粗糙度要求Rz2µm。因原用刀具切削寿命短导致每只工件的刀具成本太高。
    解决方案：(1)刀具选择：采用一体化短锥柄焊接式PCD铣刀，该铣刀设计有特殊的轴向角。(2)切削参数：n=40,000r/min，Vc=1760m/min，f=0.25mm/r，Vf=1,000mm/min。
    应用效果：工件被加工表面的表面粗糙度达Rz1.5µm；平均每把刀可加工97,400只工件，相当于每把刀的寿命为77,920米；刀具成本从过去的7.15美元/件降至1.21美元/件。

图3 空调压缩机部件

图4 CBN 铣刀

实例2
    工作内容：汽车刹车块上钻孔并铣制螺纹；工件材料：最新研制的陶瓷(含有60%碳化硅纤维)。
    加工难点：工件材料的加工性能差，采用硬质合金刀具试切削失败，采用涂层金刚石钻头勉强钻削90只孔，每孔钻削时间30秒，效率低，刀具寿命短；无法铣制螺纹。
   解决方案：改用钴领公司生产的编号为No.1265的标准PCD钻头。为了加工螺纹，钴领刀具专家特别研制了PCD螺纹铣刀，该铣刀耐磨性能好，不易破裂。
    切削参数：在相同的进给量(f=0.02mm/r)下，钻孔速度由过去的Vc=25m/min提高到Vc=100m/min；PCD螺纹铣刀Vc=60m/min，f=0.025mm/r。
    应用效果：平均每支钻头可加工110只孔，每孔钻削时间仅1.5秒，每孔减少加工时间95%。同时新研制的PCD螺纹铣刀解决了螺纹的加工难题。

图5 柴油发动机缸盖的加工

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