王成勇，周玉海,2，余新偉,3

1 高速加工概述

高速加工技術是指采用超硬材料的刀具，依靠高速運動的自動化制造設備，極大地提高材料切除率，并保證加工精度和加工質量的現(xiàn)代制造加工技術。高速加工去除率提高了30%～40%，切削力降低了30%，刀具的切削壽命提高了70%。高速加工已成為制造技術的重要發(fā)展趨勢，可用于銅合金、鋁合金有色金屬、石材、陶瓷、工程塑料、纖維強化復合材料等，還可以用于切削加工高強度鋼、高錳鋼和不銹鋼、合金耐磨鑄鐵、鈦合金、高溫合金等各種難加工材料。

高速切削對刀具的材料、鍍層、幾何形狀以及刀柄系統(tǒng)、平衡技術等提出了很高的要求。高速加工切削刀具的材料必須具有很高的高溫硬度和耐磨性，必要的抗彎強度、沖擊韌性和化學惰性，良好的工藝性（刀具毛坯制造、磨削和焊接性等），且不易變形。目前國內外性能好的刀具主要是超硬材料刀具，包括金剛石刀具和聚晶立方氮化硼刀具等。

2 金剛石刀具及其應用

金剛石刀具具有極高的硬度和耐磨性、低摩擦系數(shù)、高彈性模量、高熱導、低熱膨脹系數(shù)，以及與非鐵金屬親和力小等優(yōu)點，可以用于非金屬硬脆材料如石墨、高耐磨材料、復合材料、高硅鋁合金及其他韌性有色金屬材料的精密加工。金剛石刀具類型繁多，性能差異顯著，不同類型金剛石刀具的結構、制備方法和應用領域有較大區(qū)別。

2.1 金剛石刀具類型及特性

目前工業(yè)上使用的金剛石刀具根據(jù)成分結構和制備方法不同可分為三種：（1）天然金剛石ND（Natural Diamond）；（2）人造聚晶金剛石PCD（Artificial Polycrystalline Diamond）和復合片PDC（Polycrystalline Diamond Compact）；（3）化學氣相沉積涂層金剛石CVD刀具(Chemical Vapor Deposi?tion Diamond Coated Tools）。根據(jù)膜厚度不同沉積厚度可分兩種：達100μm的無襯底純金剛石厚膜TDF（Thick Diamond Film）；在刀具基體表面上直接沉積厚度小于30μm的金剛石薄膜涂層CTDF（Coated Thin Diamond Film）。三種主要類型金剛石刀具性能如表1所示。

2.2 金剛石刀具制造狀況

理論上，在一定溫度和壓力下，借助催化劑可以實現(xiàn)由碳和石墨人工合成金剛石，合成金剛石的方法主要有熱絲CVD法，沉積速率為8～10μm/h；電子加速CVD法，生長速率一般為3～5μm/h；直流放電等離子體CVD法，薄膜的生長速率高達20μm/h；直流等離子體噴射CVD法，生長速度達到930μm/h；微波等離子體CVD法，目前采用該法沉積的金剛石薄膜的尺寸可達Φ40～60mm。20世紀70年代初美國GE公司研制成功聚晶金剛石(PCD)刀片，70年代末至80年代初，CVD金剛石在日本首先出現(xiàn)。國外人造金剛石生產以GE公司和Element Six公司（元素六公司）為領軍。如美國Sp3專業(yè)金剛石涂層公司已經推出成熟產品。針對CFRP、CFRP/鋁合金的復合板孔加工時所需要的特殊切削刃，日本三菱設計多層微粒CVD金剛石涂層MCS型鉆頭(鉆尖開設有2個獨特形狀的冷卻孔)，用TRICooling技術提高了加工排屑性能。產品群包括飛機零部件常用的英 寸 型 號0.171 9（4.366 mm） ～0.501（12.725 mm）的8種型號。日本黛杰DIJIE在硬質合金銑刀刃口預先開設一空槽，填入金剛石微粉燒結形成石墨專用金剛石PCD整體銑刀。OSG制備了超微粒結晶金剛石涂刀具(晶粒僅為1μm)。荷蘭豪澤技術 涂 層 （Hauzer Techno Coat?ing）采用不同的涂層沉積技術（磁控濺射、PACVD、電弧蒸發(fā)等）適合涂覆鉆頭、刀片、立銑刀、鋸片、絲錐、沖頭、注塑模具等加工用DLC涂層刀具，無氫ta-C涂層是采用電?。▓A弧或激光?。┱舭l(fā)工藝制備的，并具有類金剛石結構（主要為SP3）。ta-C涂層的典型硬度可達3 000～7 000 HV，典型摩擦系數(shù)為0.02～0.1。并廣泛用于汽車零部件加工。伊斯卡采用整體硬質合金為基體，薄的PVD金剛石（PCD）涂層、釬焊PCD刀片或在切削刃處燒結PCD、整體硬質合金立銑刀（SOLIDMILL）、自夾式槽銑刀（TANGSLIT）、蝴蝶槽銑刀（TANG?SLOT）以及HELI2000等用以復合材料加工通用型可轉位刀片。Rani公司采用了由德國Becker金剛石刀具公司開發(fā)的“true 3D”斷屑槽型PCD，刀片的使用壽命可以提高20%～30%。日本住友電工硬質合金公司開發(fā)適用于鋁合金和其他有色金屬材料的干式切削的類金剛石碳刀具涂層。瑞士Extramet硬質合金公司、德國Klenk工具公司和CemeCon涂層公司合作開發(fā)了專門用于加工碳素纖維增強材料的金剛石涂層鉆頭。其中CemeCon制備了多次納米金剛石涂層刀具，如圖1所示。德國JEL采用硬質合金刀體的PCD鉆頭DRILL?CUT和DRILLMAX。能夠鉆削深度達5D的孔，鉆孔精度可達到IT8－IT9級，JEL公司使用PCD刀尖10 000 r/min的穩(wěn)定最大轉速（相當于在直徑50 mm處以1 570 m/min的切削速度）加工直徑50 mm的沉孔，實現(xiàn)極短的總加工時間（3.9秒）。德國刀具制造商Zecha推出針對石墨高速加工金剛石涂層微型立銑刀，德國Oerlikon Balzers推出納米金剛石Balinit?Diamond涂層刀具，Union Tool公司與旭金剛石工業(yè)公司合作開發(fā)了用于加工石墨電極的金剛石涂層立銑刀（共有R0.5～6.0 mm 9個規(guī)格，雙刃和35°螺旋角），也可用高速銑削高硅鋁合金。山高刀具研制工復合材料金剛石涂層和PCD銑刀，刃口圓角約為10 μm，加工碳纖維增強塑料（Cabron Fiber Rein?forced Plastics，CFRP）和金屬基合成材料（Met?al Matrix Composites，MMC）——碳在可切削加工性良好的母材中都含有難加工的硬質材料，金剛石涂層刀具銑削線速度約為200～400 m/min，而PCD刀具銑削線速度可以達到400～800 m/min。表2為其加工航空航天工件碳纖維加工參數(shù)。

表1 金剛石刀具性質和應用特性[1]

圖1 CemeCon公司的多層金剛石涂層[]

國內主要有中南鉆石股份有限公司、鄭州華晶金剛石、河南黃河旋風股份有限公司、四方達超硬材料股份有限公司等大型專業(yè)制造金剛石刀具廠家，株洲鉆石刀具嘗試購置外國先進設備試制CVD金剛石涂層刀具。其中，廣東奔朗新材料股份有限公司、廣東新勁剛新材料科技股份有限公司等后起之秀發(fā)展迅猛。深圳市中天精密工具有限公司開發(fā)了聚晶金剛石刀具PCDTools、立方氮化硼刀具CBN Tools，天然金剛石刀具Natural Diamond Tools刀具。在國內，上海交通大學陳明、孫方宏教授等用CVD方法制備金剛石銑刀并進行實驗研究。成都理工大學金剛石薄膜實驗室龍劍平等人研究了CVD金剛石薄膜硬質合金刀具膜/基附著性能的主要因素、改善金剛石薄膜與硬質合金基體之間附著力的途徑以及表征膜/基附著力的測試方法等方面的研究。盡管國產人造金剛石單晶產量約占世界總量80%。但是以中低端產品為主，特別是CVD金剛石涂層刀具等主要來自國外廠家，少見自主制備成熟的金剛石涂層刀具產品。

表2 山高金剛石刀具高速加工碳纖維參數(shù)

3 聚晶立方氮化硼刀具特性及應用

立方氮化硼CBN（Cubic Boron Nitride）是20世紀50年代首先由美國通用電氣（GE）公司利用人工方法在高溫高壓條件下合成的，其硬度僅次于金剛石而遠遠高于其他材料，由于單晶CBN的顆粒較小，很難制成刀具直接應用切削領域。20世紀70年代，前蘇聯(lián)、中國、美國、英國等國家用人工方法合成研制成功作為切削刀具的CBN燒結體——聚晶立方氮化硼PCBN（Polycrystalline Cubic Boron Nitride）。

3.1 聚晶立方氮化硼PCBN刀具特點

PCBN是硬度僅次于金剛石的新型刀具材料，PCBN組織中各微小晶粒呈無序排列狀態(tài)，硬度均勻，各向同性。PCBN刀具的硬度僅次于金剛石，可加工硬度為HRC60以上的鑄鐵、淬硬鋼及硬質合金；PCBN刀具有高耐磨性，使用壽命通常是陶瓷刀具的3～5倍，硬質合金刀具的5～15倍；PCBN具有高熱穩(wěn)定性，耐熱性可達（1 300℃～1 500℃），高速切削黑色金屬較理想的刀具材料；PCBN與鐵族元素及其合金材料即使在1 200℃～1 300℃時也不易發(fā)生化學反應，較高的抗氧化能力，材料的粘結、擴散?。籔CBN的導熱系數(shù)為79.54 W/（m·K），僅次于金剛石，PCBN摩擦系數(shù)低，其與不同材料間摩擦系數(shù)為0.1～0.3。

3.2 PCBN刀具應用及參數(shù)

由于具有以上優(yōu)點，PCBN刀具是各種難切削材料高速切削的理想刀具材料之一，完全勝任淬硬鋼、灰口鑄鐵、球墨鑄鐵、冷硬鑄鐵等難加工材料的切削加工，大幅度提高加工效率。

（1）PCBN適用于高速情況下干式切削。高熱傳導率可降低干切削時切削刃處的溫度；完全勝任淬硬鋼、灰口鑄鐵、球墨鑄鐵、冷硬鑄鐵等難加工材料的切削加工。

（2）PCBN適于45～65HRC以上高硬鋼和鑄鐵及其合金的高速切削。但不宜于切削以鐵素體為主的鋼鐵、較軟(≤HRC45)的黑色金屬材料，軟鋼、馬氏體不銹鋼、鎳基耐熱鋼等工件容易引起化學磨損，其高速切削時切削用量見表3。

表3 PCBN刀具的典型切削用量

3.3 PCBN刀具制造現(xiàn)狀

PCBN刀可分為高含量PCBN(一般CBN含量80%～90%)和低含量陶瓷結合劑PCBN（也稱陶瓷CBN）兩種。高含量PCBN適合加工高硬度合金和組織中含有高硬質點的材料，如冷硬鑄鐵、硬質合金、耐熱合金等。美國GE82%CBN、陶瓷相、整體式刀具。日本住友電工適合對鑄鐵、鐵基材料、高硬軋輥和耐熱合金進行加工。三菱Mitsubi?shi采用了耐磨損性能和耐破損性能優(yōu)異的CBN材料MB730，高含量、金屬相細粒度，實現(xiàn)了鑄鐵高速切削的長壽命化。日本京瓷Kyocera推出重、中切削用、適用于高硬度材料加工刀具。瑞典山高設計開發(fā)90%CBN、粗粒度、整體式耐磨刀具，顯著增加了刀具壽命，且顆粒結構使其非常適合于斷續(xù)切削和高速加工。韓國Korea Tung?stem開放90%CBN刀具。國內最大的PCBN刀具制造商富耐克，推出的釬焊PCBN刀片，采用的特殊工藝釬焊使刀片有更高的耐熱性，不會發(fā)生開層、開裂，抗沖擊能力高，適用于鑄鐵、淬硬鋼的高速加工。

由于中國現(xiàn)代制造業(yè)高速發(fā)展，特別是汽車產業(yè)蓬勃發(fā)展帶來大量刀具需求，知名PCBN刀具制造廠家如瑞典的Sadvik下屬Coroman、Titex、Walter等公司，德國的Mapal、laitz、Guhring，以色列的Iscar、日本的OSG、大昭和美國的Valin?ite、Ingosoll等，由在中國設立銷售處，逐漸過渡為在中國開設刀具工廠，以一步占據(jù)市場。如山高公司在上海，山特維克在廊坊，住友電氣在天津設立工廠，肯納、歐士機等在上海設有工廠，藍幟公司在南京新擴建了其工廠，增加了刀具制造和刃磨設備，格林公司在上海的具有珩磨刀具制造和修磨功能的工廠也投產營業(yè)。

4 超硬材料刀具在高速加工中應用

各向同性石墨加工方法有車、銑、磨、鋸和高速加工。石墨為非均質脆性材料，加工時刀具嚴重磨損，易崩碎導致報廢。

4.1 各向同性人工合成石墨高速加工中金剛石刀具應用

各向同性石墨具有比普通模壓石墨優(yōu)異的機械物理性能，其顆粒沒有擇優(yōu)取向，強度和導電能力等在各方向上都一致，組織均勻，顆粒細小、強度高，因而廣泛應用于太陽能直拉單晶石墨熱場（主要包括石墨加熱器、三瓣坩堝、導流筒、保溫簡、堝托、坩堝軸、石墨電極、電極螺母、爐底護盤）、冶金、機械、建筑、電氣、電子、航空航天、模具EDM電火花放電、核工業(yè)、有色及貴金屬工業(yè)、玻璃及石英工業(yè)、半導體及光電子工業(yè)化工和環(huán)境工程等領域，如圖2所示。

石墨高速銑削切削深度極小，切屑呈微細粉塵顆粒狀，即使有強烈的吸塵裝置也容易粘結堆積在前后刀面和已加工表面上。高硬度石墨顆粒類似砂輪中的磨粒，導致加工過程中刀具與石墨及其切屑間產生劇烈磨擦使得刀具嚴重磨損，造成前刀面磨粒磨損，后刀面磨損以及崩刃等。印度S.R.DAS（1972）研究精密加工石墨電極時指出：石墨加工中刀具磨損超過了銅或者鋼金屬材料，刀具平均壽命低于加工銅等金屬。日本Masahir Masuda等用硬質合金刀具高速車削碳素石墨研究得出在切削和磨損實驗中，減少刀具中鈷的含量可以減小硬質合金刀具磨損率。閻秋生對燒結石墨材料研究了刀具的磨損、石墨切削的危害性、適合切削的刀具材料等。付昊采用低速攝影技術研究石墨粉塵堆積會影響刀具磨損和導致切削力增大。周玉海等開展金剛石涂層刀具高速銑削石墨電極材料切削性能研究得到刀具的磨損形式主要有磨粒磨損和粘附磨損。

石墨高速銑削刀具有硬質合金刀具、硬質合金涂層刀具、聚晶金剛石刀具等。硬質合金刀具高速銑削石墨時刀具磨損嚴重，需要及時檢查刀具磨損狀況和頻繁更換刀具，在大尺寸或精密電極加工方面應用有限。TiAlN涂層刀具加工石墨時壽命未見明顯提高。聚晶金剛石刀具磨損較小，但刀具形狀難以滿足復雜電極要求，在高速加工精密復雜石墨電極方面應用有限。由于常規(guī)刀具高速加工石墨時磨損嚴重，因此需要尋找高性能超硬刀具替代常規(guī)刀具。而金剛石是精密和超精密加工的超硬刀具材料之一，可以嘗試金剛石刀具來高速銑削石墨，但金剛石刀具本身類型繁多，性能差異顯著。用金剛石涂層刀具高速干切削各向石墨時，實驗過程如表4，其使用壽命遠高于硬質合金刀具，而且石墨表面質量也大大提高。

圖2 各向同性高性能石墨應用實例

表4 CVD金剛石薄膜涂層刀具加工石墨壽命驗證

4.2 發(fā)動機缸體缸蓋高速銑削PCBN刀具應用

發(fā)動機缸體是發(fā)動機的基礎零件，通過它把發(fā)動機的曲柄連桿機構（包括活塞、連桿、曲軸、飛輪等零件）和配氣機構（包括缸蓋、凸輪軸等）以及供油、潤滑、冷卻等機構連接成一個整體。缸體的結構形狀復雜、薄壁、顯箱體，如圖3所示。鑄鐵成本低廉，生產工藝簡單，鑄造及切削加工性能良好，且具有較高的耐磨減摩性、消振性以及較低的缺口敏感性等，因此是機械制造業(yè)中廣泛應用的重要材料，故商用乘務車發(fā)動機缸體常選材為HT200-250。

圖3 發(fā)動機4H箱體組（資料來源：東風汽車有限公司商用車發(fā)動機廠）

缸體加工主要為平面和孔系，其中粗銑缸體平面面是效率最低、生產成本最高的加工工序。切削鑄鐵時刀具切削刃處的溫度最高，壓應力變大，被切材料頻繁的無規(guī)則斷裂使切削過程不太平穩(wěn)，對刀刃產生很大的沖擊，因此要求刀具材料具有較高的強度及沖擊韌性。用于高速切削鑄鐵零件的刀具材料主要有超細晶粒硬質合金、金屬陶瓷、陶瓷、立方氮化硼和涂層刀具等。PCBN刀具其高速切削鑄鐵的切削性能則遠遠優(yōu)于硬質合金刀具，是高速切削鑄鐵的理想刀具之一。朱從容分別用硬質合金刀片和CBN30立方氮化硼刀片干切珠光體灰口鑄鐵GG25。用陶瓷刀片和CBN30立方氮化硼刀片干式加工閘輪內圓表面，工件材料同樣是珠光體灰口鑄鐵GG25。切削條件ap=2.5 mm，f=0.3 mm/r，Vc=400 m/min。CBN30刀具壽命：550件。CC650陶瓷刀具壽命：60件。切削條件ap=2 mm，f=0.3 mm/r，Vc=330 m/min。CBN30刀具壽命：1 000件，硬質合金TX150：60件。對比后得出用整體立方氮化硼刀片加工珠光體灰口鑄鐵GG25刀具壽命分別是硬質合金刀片和陶瓷刀片的16倍和22倍，具有較高的生產效率和高的刀具使用壽命。

上汽通用五菱發(fā)動機工廠采用高速銑削加工發(fā)動機中缸體、使用銑削加工缸蓋大平面。以鑄鐵材料的缸體在高速銑削加工中心上的銑削加工為例，采用了立方氮化硼（CBN）刀片，其切削速度可達到700～1 500 m/min。采用德國MAG公司的EX-CELL-O高速銑削加工中心，在發(fā)動機缸體缸蓋線總共布置了104臺。完成全部缸體、缸蓋線的銑削、鉆孔、攻絲加工，其參數(shù)對比如表5。

4.3 航空用鈦合金高速車削PCBN刀具應用

在航空工業(yè)中，大型框、梁和壁板類鈦合金零件得到廣泛應用，這些零件的余量通常是采用銑削加工方式來去除。目前國內航空企業(yè)常用硬質合金刀具來銑削加工鈦合金，而當切削速度升高以后會導致硬質合金刀具的磨損加劇，只能在低切速（粗加工30 m/min，精加工100 m/min）下加工導致加工效率低（材料去除率3～13 cm3/min）。在鈦合金零件的制造過程中切削加工性很差，具體表現(xiàn)為：（1）加工效率低；（2）刀具磨損嚴重；（3）加工精度和表面質量不穩(wěn)定。超硬刀具材料具有高熱導率、高硬度、高耐磨性等優(yōu)點，合理利用超硬材料刀具會顯著改善鈦合金材料的切削加工性，在生產中有著廣闊的應用前景。目前，在我國超硬刀具材料主要用于汽車和木材加工領域，在航空航天領域應用較少。近年來國外已開展超硬刀具高速切削鈦合金的研究，國內相關研究報道甚少。2003年，法國Corduan等分別采用PCD、PCBN、TiB2涂層硬質合金刀具高速車削鈦合金TC4，觀察刀具磨損形貌研究磨損機理。在Vc=120 m/min、f=0.1 mm/r、ap=1 mm條件下，PCBN刀片的前后刀面均出現(xiàn)溝槽且有黏結層；在Vc=250 m/min、 f=0.15 mm/r、ap=0.94 mm條件下，PCD前刀面上有黏結層但沒有PCBN刀片嚴重；在Vc=100 m/min、f=0.15 mm/r、ap=0.9 mm條件下，刀具表面無溝紋，但有后刀面磨損和月牙洼磨損。2005年，新加坡A.RahmathZareena利用BCBN、PCBN、PCD刀片對鈦合金TC4進行了高速銑削對比試驗，對刀具磨損進行了研究。指出普通PCBN刀具的主要磨損原因為擴散磨損。高溫下PCD刀片會與鈦合金材料發(fā)生化學反應，刀具材料中的C元素和Co元素會擴散到切屑中，從而影響刀具耐用度。PCBN中沒有易與鈦合金發(fā)生反應的Co元素，切屑中沒有發(fā)現(xiàn)刀具材料中元素的擴散，使得PCBN提高了刀具耐用度和表面質量。2007年，Ezugwu等還采用PCD刀具對TC4進行了高速精車試驗，指出高壓射流輔助切削加工表面粗糙度Ra均小于1.6μm，且得到的刀具耐用度更長。山東大學劉戰(zhàn)強等采用PCBN刀具對鈦合金TC4進行了高速車削試驗，對刀具的磨損機理進行了研究。能譜分析顯示刀具前刀面上還存在氧元素，故刀具主要磨損機理為黏結磨損和氧化磨損，且PCBN刀具相對未涂層和涂層硬質合金刀具壽命更高。

表5 PCBN與硬質合金銑削鑄鐵缸體的切削參數(shù)對比

5 結語

本文對高速切削加工用金剛石刀具、立方氮化硼刀具和涂層刀具的類型和制造現(xiàn)狀進行綜述。超硬材料刀具有不同的應用場合，對影響高速切削刀具磨損壽命的因素進行了綜合分析，研究結論對實際加工中高速切削刀具的合理選用及磨損控制具有指導、參考和借鑒作用。隨著高速加工技術的不斷發(fā)展，以及金剛石/PCBN刀具性能的不斷改善，應用將更為廣泛。

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