超硬刀具及其在硬车削加工中的应用
立方氮化硼(cbn)
cbn的硬度和耐磨性
仅次于金刚石，有*的高温硬度，与陶瓷相比，其耐热性和化学稳定性稍差，但冲击强度和抗破碎性能较好。它广泛适用于淬硬钢(hrc≥50)、珠光体灰铸铁、冷硬铸铁和高温合金等的切削加工，与硬质合金刀具相比，其切削速度可提高一个数量级。
cbn含量高的复合聚晶立方氮化硼(pcbn)刀具硬度高、耐磨性好、抗压强度高及耐冲击韧性好，其缺点是热稳定性差和化学惰性低，适用于耐热合金、铸铁和铁系烧结金属的切削加工。pcbn刀具中cbn颗粒含量较低，采用陶瓷作粘结剂，其硬度较低，但弥补了前一种材料热稳定性差、化学惰性低的特点，适用淬硬钢的切削加工。
在切削灰铸铁和淬硬钢时，可选择陶瓷刀具或cbn刀具，为此，应进行成本效益和加工质量分析，以确定选择哪一种。图3为al2o3、si3n4和cbn刀具加工灰铸铁后刀面磨损情况，如图3所示，pcbn刀具材料切削性能优于al2o3和si3n4。但在淬硬钢干式切削时，al2o3陶瓷的成本低于pcbn材料。陶瓷刀具有良好的热化学稳定性，但却不及pcbn刀具的韧性和硬度。在切削硬度低于hrc60以下和采用小进给量时，陶瓷刀具是较好的选择。pcbn刀具适于切削硬度高于hrc60的工件，尤其在自动化加工和高精度加工时更为适用。除此之外，在相同后刀面磨损情况下，pcbn刀具切削后的工件表面残余应力也比陶瓷刀具相对稳定，如图4所示。
使用pcbn刀具干式切削淬硬钢还应遵循以下原则：在机床刚性允许条件下尽可能选择大切深，这样切削区生成的热量使得刃前区金属局部软化，能有效降低pcbn刀具的磨损，此外，在小切深时还应考虑采用pcbn刀具导热性差而使得切削区热量来不及扩散，剪切区也能产生明显的金属软化效应，减小切削刃的磨损。
2，超硬刀具的刀片结构及几何参数
刀片形状及几何参数的合理确定对充分发挥刀具切削性能是至关重要的。按刀具强度而言，各种刀片形状的刀尖强度从高到低依次为：圆形、100°菱形、正方形、80°菱形、三角形、55°菱形、35°菱形。刀片材料选定后，应选用强度尽可能高的刀片形状。硬车削刀片也应选择尽可能大的刀尖圆弧半径，用圆形及大刀尖圆弧半径刀片粗加工，精加工时的刀尖圆弧半径约为0.8µm左右。
淬硬钢切屑为红而酥软的缎带状，脆性大，易折断，不粘结，淬硬钢切削表面质量高，一般不产生积屑瘤，但切削力较大，特别是径向切削力比主切削力还要大，所以，刀具宜采用负前角(go≥-5°)和较大的后角(ao=10°~15°)。主偏角取决于机床刚性，一般取45°~60°，以减少工件和刀具颤振。
超硬刀具切削参数及对工艺系统的要求
1，切削参数的选择
工件材料硬度越高，其切削速度应越小。使用超硬刀具进行硬车削精加工的适宜切削速度范围为80～200m/min，常用范围为10～150m/min；采用大切深或强力断续切削高硬度材料，切速应保持在80～100m/min。一般情况下，切深为0.1～0.3mm之间。
加工表面粗糙度低的工件，可选小的切削深度，但不能太小，要适宜。进给量通常可以选择0.05～0.25mm/r之间，具体数值视表面粗糙度值和生产率要求而定。当表面粗糙度ra=0.3～0.4µm时，采用超硬刀具进行硬车削比用磨削经济得多。
2，对工艺系统的要求
除选择合理的刀具外，采用超硬刀具进行硬车削对车床或车削中心并无特殊要求，若车床或车削中心刚度足够，且加工软的工件时能得到所要求的精度和表面粗糙度，即可用于硬切削。为了保证车削操作的平稳和连续，常用的方法是采用刚性夹紧装置和中等前角刀具。若工件在切削力作用下其定位、支承和旋转可以保持相当平稳状态，现有的设备就可采用超硬刀具进行硬车削。
超硬刀具在硬车削中的应用
采用超硬刀具进行硬车削，此项技术经过十几年的发展及推广应用，获得了巨大的经济效益和社会效益。下面以轧辊加工等行业为例，说明超硬刀具在生产中的推广应用情况。
轧辊加工行业
国内许多大型轧辊企业已使用超硬刀具对冷硬铸铁、淬硬钢等各类轧辊进行荒车、粗车和精车，均取得了良好的效益7平均提高加工效率2～6倍，节约加工工时和电力50%～80%。如武汉钢铁公司轧辊厂对硬度为hs60～80的冷硬铸铁轧辊粗车、半精车时，切削速度提高了3倍，每车1根轧辊，节约电力、工时费四百多元，节约刀具费近一百元，取得了巨大的经济效益。如我校用fd22金属陶瓷刀具车削hrc58～63的86crmov7淬硬钢轧辊时(vc=60m/min，f=0.2mm/r，ap=0.8mm)，单刃连续切削轧辊路径达15000m(刀尖后刀面磨损带的zui大宽度vbmax=0.2mm)，满足了以车代磨的要求。
工业泵加工行业
目前国内碴浆泵生产厂的70%～80%已采用超硬刀具。碴浆泵广泛应用于矿山、电力等行业，是国内外急需的产品，其护套、护板是hrc63～67的cr15mo3高硬铸铁件。过去由于各种刀具难以车削这种材料，所以只得采用退火软化后粗加工，然后再淬火加工的工艺。采用超硬刀具以后，顺利实现了一次硬化加工，免除了退火再淬火2道工序，节约了大量工时和电力。
汽车加工行业
在汽车、拖拉机等行业中的曲轴、凸轮轴、传动轴的加工，刃具、量具的加工和设备维修中，经常会碰到淬硬工件的加工难题。如我国某机车车辆厂，在设备维修中需要对轴承内圈进行加工，轴承内圈(材料gcr15钢)的硬度为hrc60，内圈直径为f285mm，采用磨削工艺，磨削余量不均匀，需2h才能磨好；而先用超硬刀具，仅用45min就加工成一个内环。
结语
经过多年的研究和探索，我国在超硬刀具方面取得了很大的进展，但是，超硬刀具在生产中的应用还不广泛。原因主要有以下几个方面：生产企业、操作者对采用超硬刀具进行硬车削的效果了解不够，普遍认为硬材料只能磨削；认为刀具成本太高。硬车削zui初的刀具成本比普通硬质合金刀具高(如pcbn比普通硬质合金贵十多倍)，但其分摊在每个零件上的成本比磨削还低，且带来的效益比普通硬质合金要好得多；对超硬刀具加工机理研究不够；超硬刀具加工的规范不足以指导生产实践。
因此，除了对超硬刀具加工机理进行深入研究外，还必须加强超硬刀具加工知识的培训、成功经验演示及严格操作规范，使这种、洁净的加工方法更多地应用于生产实际。
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仅次于金刚石，有*的高温硬度，与陶瓷相比，其耐热性和化学稳定性稍差，但冲击强度和抗破碎性能较好。它广泛适用于淬硬钢(hrc≥50)、珠光体灰铸铁、冷硬铸铁和高温合金等的切削加工，与硬质合金刀具相比，其切削速度可提高一个数量级。
cbn含量高的复合聚晶立方氮化硼(pcbn)刀具硬度高、耐磨性好、抗压强度高及耐冲击韧性好，其缺点是热稳定性差和化学惰性低，适用于耐热合金、铸铁和铁系烧结金属的切削加工。pcbn刀具中cbn颗粒含量较低，采用陶瓷作粘结剂，其硬度较低，但弥补了前一种材料热稳定性差、化学惰性低的特点，适用淬硬钢的切削加工。
在切削灰铸铁和淬硬钢时，可选择陶瓷刀具或cbn刀具，为此，应进行成本效益和加工质量分析，以确定选择哪一种。图3为al2o3、si3n4和cbn刀具加工灰铸铁后刀面磨损情况，如图3所示，pcbn刀具材料切削性能优于al2o3和si3n4。但在淬硬钢干式切削时，al2o3陶瓷的成本低于pcbn材料。陶瓷刀具有良好的热化学稳定性，但却不及pcbn刀具的韧性和硬度。在切削硬度低于hrc60以下和采用小进给量时，陶瓷刀具是较好的选择。pcbn刀具适于切削硬度高于hrc60的工件，尤其在自动化加工和高精度加工时更为适用。除此之外，在相同后刀面磨损情况下，pcbn刀具切削后的工件表面残余应力也比陶瓷刀具相对稳定，如图4所示。
使用pcbn刀具干式切削淬硬钢还应遵循以下原则：在机床刚性允许条件下尽可能选择大切深，这样切削区生成的热量使得刃前区金属局部软化，能有效降低pcbn刀具的磨损，此外，在小切深时还应考虑采用pcbn刀具导热性差而使得切削区热量来不及扩散，剪切区也能产生明显的金属软化效应，减小切削刃的磨损。
2，超硬刀具的刀片结构及几何参数
刀片形状及几何参数的合理确定对充分发挥刀具切削性能是至关重要的。按刀具强度而言，各种刀片形状的刀尖强度从高到低依次为：圆形、100°菱形、正方形、80°菱形、三角形、55°菱形、35°菱形。刀片材料选定后，应选用强度尽可能高的刀片形状。硬车削刀片也应选择尽可能大的刀尖圆弧半径，用圆形及大刀尖圆弧半径刀片粗加工，精加工时的刀尖圆弧半径约为0.8µm左右。
淬硬钢切屑为红而酥软的缎带状，脆性大，易折断，不粘结，淬硬钢切削表面质量高，一般不产生积屑瘤，但切削力较大，特别是径向切削力比主切削力还要大，所以，刀具宜采用负前角(go≥-5°)和较大的后角(ao=10°~15°)。主偏角取决于机床刚性，一般取45°~60°，以减少工件和刀具颤振。
超硬刀具切削参数及对工艺系统的要求
1，切削参数的选择
工件材料硬度越高，其切削速度应越小。使用超硬刀具进行硬车削精加工的适宜切削速度范围为80～200m/min，常用范围为10～150m/min；采用大切深或强力断续切削高硬度材料，切速应保持在80～100m/min。一般情况下，切深为0.1～0.3mm之间。
加工表面粗糙度低的工件，可选小的切削深度，但不能太小，要适宜。进给量通常可以选择0.05～0.25mm/r之间，具体数值视表面粗糙度值和生产率要求而定。当表面粗糙度ra=0.3～0.4µm时，采用超硬刀具进行硬车削比用磨削经济得多。
2，对工艺系统的要求
除选择合理的刀具外，采用超硬刀具进行硬车削对车床或车削中心并无特殊要求，若车床或车削中心刚度足够，且加工软的工件时能得到所要求的精度和表面粗糙度，即可用于硬切削。为了保证车削操作的平稳和连续，常用的方法是采用刚性夹紧装置和中等前角刀具。若工件在切削力作用下其定位、支承和旋转可以保持相当平稳状态，现有的设备就可采用超硬刀具进行硬车削。
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采用超硬刀具进行硬车削，此项技术经过十几年的发展及推广应用，获得了巨大的经济效益和社会效益。下面以轧辊加工等行业为例，说明超硬刀具在生产中的推广应用情况。
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国内许多大型轧辊企业已使用超硬刀具对冷硬铸铁、淬硬钢等各类轧辊进行荒车、粗车和精车，均取得了良好的效益7平均提高加工效率2～6倍，节约加工工时和电力50%～80%。如武汉钢铁公司轧辊厂对硬度为hs60～80的冷硬铸铁轧辊粗车、半精车时，切削速度提高了3倍，每车1根轧辊，节约电力、工时费四百多元，节约刀具费近一百元，取得了巨大的经济效益。如我校用fd22金属陶瓷刀具车削hrc58～63的86crmov7淬硬钢轧辊时(vc=60m/min，f=0.2mm/r，ap=0.8mm)，单刃连续切削轧辊路径达15000m(刀尖后刀面磨损带的zui大宽度vbmax=0.2mm)，满足了以车代磨的要求。
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结语
经过多年的研究和探索，我国在超硬刀具方面取得了很大的进展，但是，超硬刀具在生产中的应用还不广泛。原因主要有以下几个方面：生产企业、操作者对采用超硬刀具进行硬车削的效果了解不够，普遍认为硬材料只能磨削；认为刀具成本太高。硬车削zui初的刀具成本比普通硬质合金刀具高(如pcbn比普通硬质合金贵十多倍)，但其分摊在每个零件上的成本比磨削还低，且带来的效益比普通硬质合金要好得多；对超硬刀具加工机理研究不够；超硬刀具加工的规范不足以指导生产实践。
因此，除了对超硬刀具加工机理进行深入研究外，还必须加强超硬刀具加工知识的培训、成功经验演示及严格操作规范，使这种、洁净的加工方法更多地应用于生产实际。
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