超硬刀具的开发与应用

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  买刀片前要定下的五件事
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  刀具为什么算超硬
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  超硬刀具何时值回价格
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  站得住的切削速度、进给与切深
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  决定成败的机床与装夹条件
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  超硬刀具怎么失效，该改什么
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  刀具系列与工件、切削数据的对应

这里的关键全在硬度。金刚石接近 10,000 HV，立方氮化硼接近 4,500 HV。涂层硬质合金视涂层不同约在 1,600–3,000 HV。这个差距就是超硬刃口在淬硬钢中加工四十分钟后仍保持几何形状、而硬质合金早已钝圆的原因。

代价是韧性。金刚石脆，且在约 700 °C 以上会与铁反应。该反应使刃口石墨化，刀具很快失效。CBN 与钢没有这个问题，所以淬硬钢归 CBN，铝、铜、黄铜和复合材料归金刚石。

无结合剂金刚石和单晶金刚石位于 PCD 系列顶端。它们对有色金属零件镜面加工给出最好的刃口锋利度，价格也相应更高。多数批量加工并不需要。

先选系列，再选牌号，最后选几何形状。先定几何形状、指望牌号扛住的工厂，往往第一个零件就报废刀片。

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  PCD铝、铜、黄铜、石墨、CFRP、MMC。不用于钢或钛。
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  CBN45–65 HRC 淬硬钢、Inconel、钴合金、粉末冶金零件。
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  涂层硬质合金普通钢、不锈钢、45 HRC 以下钛。从这里起步。
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  金属陶瓷高速精加工钢和不锈钢。介于硬质合金与陶瓷之间。

当同一几何形状要跑几千个零件时，超硬刀具才回本。汽车气门座、变速箱壳体、电动车电机壳体和液压阀芯是典型场合。材料要么硬得硬质合金做不了，要么磨蚀性强得硬质合金一个班就磨完。

48 HRC 以上淬硬钢是最明确的判断。用涂层硬质合金车 58 HRC 轴承套圈，每个零件要换两三片刀片，还因尺寸漂移产生大量废品。CBN 刀片在整个批次中保持尺寸，常常还能省掉单独的磨削工序。

磨蚀性有色金属加工是第二个明确判断。含 20% 碳化硅的铝、MMC 刹车盘和碳纤维层压板会迅速磨掉硬质合金刃口，因为增强颗粒比刀具还硬。PCD 对此不敏感。

大批量铝加工是第三种情况。PCD 面铣刀在 6061 或 ADC12 上以 4,000 m/min 运行，可加工出镜面并保持平面度，无需抛光。零件需要一次装夹加工两面时，我们在带 Ø400 mm 转台的五轴加工中心上运行。

第四种情况是钴铬或钛的医疗与航空航天零件。这里的收益不是速度，而是表面完整性。CBN 和 PCD 留下的涂抹材料和微裂纹比磨损的硬质合金刃口少，这对疲劳寿命很重要。

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  批量很重要几百件以下，涂层硬质合金通常总体更便宜。
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  硬度高于 48 HRCCBN 是默认选择。低于此值，先用硬质合金并先验证刀具寿命。
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  磨蚀性增强材料在 SiC 铝、MMC 和 CFRP 上，PCD 每次都胜过硬质合金。
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  表面完整性优先医疗和航空航天零件即使批量小，也值得用超硬刀具。

淬硬钢上的 CBN 采用 100–250 m/min 切削速度、0.05–0.20 mm/r 进给、0.05–0.30 mm 切深。切深超过 0.30 mm，刃口会崩而不是磨损。失效表现为表面突然变差，而不是逐渐漂移。

铝上的 PCD 速度快得多。6061 和 ADC12 上 1,500–5,000 m/min 的切削速度很常见。每齿进给为 0.05–0.20 mm。铝散热快，金刚石刃口保持低温，刀具寿命以数万件计。

切削液取决于材料。淬硬钢上的 CBN 通常干切或少量气吹润滑。浇注切削液的热冲击会使 CBN 层开裂。铝上的 PCD 需要浇注切削液以排屑并控制积屑瘤。

刚性不是可选项。超硬刃口会把每一次振动都传递到工件上，留下痕迹。刀具悬伸保持在刀柄直径的4倍以内，绝不要在小车床上使用200 mm的镗杆。

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  CBN车削100–250 m/min，0.05–0.20 mm/rev，0.05–0.30 mm 切削深度。
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  PCD铣削1,500–5,000 m/min，0.05–0.20 mm/齿，0.2–1.0 mm 轴向切削深度。
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  悬伸限制任何超硬刃口均须低于刀柄直径的4倍。

超硬刀具只有在能将其稳固夹持的机床上才能发挥性能。滚珠丝杠有明显反向间隙、主轴跳动超过5 μm，或刀塔重复定位在20 μm以内，都会在几个零件内毁掉金刚石刃口。在归咎于刀片之前，先检查跳动。

热稳定性与刚性同样重要。一台车床在两小时运行中热伸长30 μm，无论刃口多好都会漂出公差。对于要求±0.005 mm的淬硬钢加工，我们会预热主轴，在首件上检查尺寸，然后在二十件后再次检查。

排屑是PCD加工铝件时不易察觉的杀手。铝会自身焊合，二次切削的切屑会划伤已加工表面。高压内冷，或至少对准切削区的吹气，可保持刃口清洁。

每个PCD面铣刀都要预平衡。不平衡的刀具在8,000 rpm下会振动刃口，留下看似进给问题的颤纹，但实际不是。

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  主轴跳动在刀柄锥面处保持在5 μm以内。
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  预热紧公差加工前，主轴空运转15–20分钟再开始切削。
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  切屑控制吹气或内冷。绝不要让切屑二次切削。
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  平衡PCD刀具在最高运行转速下平衡至G2.5。

微崩刃是最常见的失效形式。在放大镜下表现为刃口出现亮色斑点，表面粗糙度突然变差。原因几乎总是切削深度过大、断续切削或主轴刚性不足。将切削深度减半并检查跳动。

石墨化只在金刚石加工钢或钛时发生。刃口变成暗灰色，磨损在几秒内加速。没有切削参数可以解决。改用CBN或涂层硬质合金。

热裂纹表现为垂直于刃口的细平行裂纹。它来自对正在高温运行的CBN刀片使用大量浇注切削液。改用干切或吹气润滑。

积屑瘤是铝加工杀手。速度过低或缺切削液时，铝会粘在金刚石刃口上，然后脱落并带走一块刃口。提高表面速度并加切削液。

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  微崩刃切削深度减半，检查主轴跳动，避免断续切削。
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  石墨化金刚石用于钢。改用CBN，没有参数可修复。
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  热裂纹停止对高温CBN刃口大量浇注冷却。采用干切或微量润滑。
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  积屑瘤加工铝时提高速度，大量浇注切削液，保持切屑排出。