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新型數(shù)控刀具材料的創(chuàng)新設(shè)計(jì)對(duì)提高企業(yè)效益的影響

2020-4-2 來源：唐山勞動(dòng)技師學(xué)院作者：李海燕，張立城

摘要：簡述了數(shù)控刀具材料的發(fā)展情況，對(duì)熱門技術(shù)進(jìn)行了列舉，對(duì)刀具的研發(fā)方向進(jìn)行了展望，分析了刀具研究對(duì)工業(yè)環(huán)保程度的提升。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；刀具；材料；創(chuàng)新設(shè)計(jì)

數(shù)控刀具是機(jī)械制造中進(jìn)行削切工作的刀具，是數(shù)控加工水平的關(guān)鍵之一，對(duì)新型刀具進(jìn)行研發(fā)，能提升數(shù)控加工技術(shù)，并帶來的巨大經(jīng)濟(jì)效益。

1、數(shù)控刀具材料的新發(fā)展

1.1 超硬材料刀具

超硬刀具的制造需要使用超硬材料，超硬材料主要是人工合成的氮化硼和金剛石，以及通過使用結(jié)合劑將這些粉末燒結(jié)所制造的聚晶金剛石。

1.1.1 聚晶金剛石（PCD）刀具

聚晶金剛石將人造金剛石的多晶聚合物，通過使用結(jié)合劑，對(duì)人造金剛石粉末進(jìn)行燒結(jié)，在 PCD 晶體之間形成 Co、Mo、W 等主要成分的結(jié)合橋，在宏觀上提升硬度和韌性，從而使得由 PCD 制成的刀具擁有更高的切削效率。天然的金剛石十分昂貴，而且性能也不及人造金剛石，其在刀具上的作用，正逐漸被 PCD 所取代。在對(duì)有色金屬、玻璃、陶瓷等高硬度材料加工時(shí)，PCD 刀具已經(jīng)成為了目前的唯一選擇，尤其是在鋁合金部件的加工上。

1.1.2 金剛石鍍膜涂層 (CVD) 刀具

通過使用化學(xué)沉積法，可以在硬質(zhì)合金或者陶瓷上鍍上金剛石薄膜，這種薄膜簡稱為“CVD 金剛石”，使用這種技術(shù)制造的刀具，就是精鋼石鍍膜涂層刀具。CVD 金剛石和天然金剛石有相同的晶體結(jié)構(gòu)和宏觀特性，硬度高、耐磨、韌性好。目前，這種刀具多用于航空航天、汽車和電子信息技術(shù)等行業(yè)。滿足了進(jìn)行高速、高壽命、干式的對(duì)高強(qiáng)度鋁合金、鎂合金、石墨、陶瓷等材料的零部件進(jìn)行加工的要求。

1.1.3 立方氮化硼刀具和聚晶立方氮化硼刀具

立方氮化硼是是一種人工合成物質(zhì)，可以制成單晶體和多晶體兩種結(jié)構(gòu)的材料，分別是 CBN 單晶和聚晶方氮化硼(PCBN)。CBN 是一種氮化硼的同素異構(gòu)體，并具有與金剛石相似的晶體機(jī)構(gòu)，使得 CBN 的硬度很高，同時(shí)還具備比金剛石更好的熱穩(wěn)定性。PCBN 是通過對(duì)微晶的 CBN 進(jìn)行燒結(jié)，加入Al、Ti 作為結(jié)合劑，最終得到的多晶材料，在目前人工合成的材料中，硬度僅次于金剛石。使用 CBN 和 PCBN 的數(shù)控刀具，可用于車、鏜、銑、鉸等對(duì)一些較難加工的材料進(jìn)行加工，具有很高的優(yōu)越性。

1.2 新型陶瓷刀具材料

1.2.1 梯度功能陶瓷刀具

梯度功能陶瓷具有組分、結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性能呈合理梯度變化的特點(diǎn)，用這種方式制成的刀具，能夠?qū)η邢鬟^程中，刀具內(nèi)部的機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力進(jìn)行緩解，具有較高的可靠性和抗震性。梯度功能陶瓷刀具比普通陶瓷刀具具有更好的物理力學(xué)性能和可靠性，在速度越高的條件下，優(yōu)勢(shì)越明顯。

1.2.2 陶瓷 - 硬質(zhì)合金復(fù)合刀片

將陶瓷和硬質(zhì)合金燒結(jié)在一起，就得到了陶瓷 - 硬質(zhì)合金復(fù)合材料，這種技術(shù)也可以用來制造數(shù)控刀具，制成的刀片叫做復(fù)合刀片。復(fù)合刀片的表層是陶瓷，內(nèi)部為硬質(zhì)合金，在發(fā)揮陶瓷硬度優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，還有較大的彎曲載荷承受能力。

1.2.3 粉末表面涂層陶瓷刀具

粉末表面圖層刀具是一種新型刀具，突破了傳統(tǒng)的宏觀涂層方式，通過硬質(zhì)合金粉末和陶瓷制成復(fù)合粉末，進(jìn)行微觀上的涂層，解決了復(fù)合刀片涂層容易剝落的問題。并且性能上也大大由于陶瓷刀具和刀片表面涂層刀具。

2 、數(shù)控刀具材料的發(fā)展前景

刀具作為對(duì)機(jī)械、機(jī)器部件生產(chǎn)的核心部分，不斷取得進(jìn)步，并面臨著更高要求。復(fù)合材料、納米材料在刀具上的使用變得尤為廣泛，一方面提升了刀具的品質(zhì)，另一方面也讓材料科學(xué)研究獲得了提升。

在數(shù)控刀具市場(chǎng)中，涂層刀具已經(jīng)展現(xiàn)出了巨大潛力，并且成為了當(dāng)下刀具研究的一個(gè)重要方向。各大廠商都根據(jù)產(chǎn)品的功能需要，針對(duì)不同的涂層特點(diǎn)的專用涂層牌號(hào)進(jìn)行研發(fā)。對(duì)陶瓷刀具而言，它的優(yōu)勢(shì)在于生產(chǎn)資源儲(chǔ)備量大、資源易開采，低成本的制造讓陶瓷刀具一直會(huì)有很高的潛力；PCD 刀具因?yàn)槠涓哂捕群透唔g性，在有色金屬及合金、和非金屬材料的加工中，仍然會(huì)有很高的地位；PCBN 刀具的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛，除了原本的黑色金屬及其合金的加工，也正在進(jìn)入其他的領(lǐng)域。很對(duì)工件材料品種的種類增加，開性能好、通用性強(qiáng)、耐用的新型刀具材料，成為了行業(yè)的主要發(fā)展方面。同時(shí)，我國對(duì)環(huán)境保護(hù)越來越重視，保護(hù)環(huán)境也成為了全世界關(guān)注的焦點(diǎn)，更高效率的利用資源從而使資源得到節(jié)約，已經(jīng)成為世界對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的要求。

3、結(jié)束語

高性能、高精度、高可靠性一直都是刀具生產(chǎn)的追求，也是數(shù)控刀具進(jìn)行研究的主要目標(biāo)。新時(shí)代為刀具提出了更多的要求，刀具研發(fā)不僅要在“三高”上面下文章，還需要更加綠色環(huán)保。企業(yè)希望能夠擁有通用性強(qiáng)的刀具，保證能夠應(yīng)對(duì)不同的生產(chǎn)情況，通過不同種類材料進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，可以使刀具擁有更為完備的性能，降低企業(yè)的成本，推動(dòng)綠色工業(yè)的發(fā)展。

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