新型數控刀具材料的創新設計對提高企業效益的影響
2020-4-2 來源： 唐山勞動技師學院 作者： 李海燕，張立城
摘要：簡述了數控刀具材料的發展情況，對熱門技術進行了列舉，對刀具的研發方向進行了展望，分析了刀具研究對工業環保程度的提升。
關鍵詞：數控機床；刀具；材料；創新設計
數控刀具是機械制造中進行削切工作的刀具，是數控加工水平的關鍵之一，對新型刀具進行研發，能提升數控加工技術，并帶來的巨大經濟效益。
1、數控刀具材料的新發展
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，以及通過使用結合劑將這些粉末燒結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，通過使用結合劑，對人造金剛石粉末進行燒結，在 PCD 晶體之間形成 Co、Mo、W 等主要成分的結合橋，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。在對有色金屬、玻璃、陶瓷等高硬度材料加工時，PCD 刀具已經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
通過使用化學沉積法，可以在硬質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構和宏觀特性，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等行業。滿足了進行高速、高壽命、干式的對高強度鋁合金、鎂合金、石墨、陶瓷等材料的零部件進行加工的要求。
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，可以制成單晶體和多晶體兩種結構的材料，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體，并具有與金剛石相似的晶體機構，使得 CBN 的硬度很高，同時還具備比金剛石更好的熱穩定性。PCBN 是通過對微晶的 CBN 進行燒結，加入Al、Ti 作為結合劑，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 的數控刀具，可用于車、鏜、銑、鉸等對一些較難加工的材料進行加工，具有很高的優越性。
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、結構和物理力學性能呈合理梯度變化的特點，用這種方式制成的刀具，能夠對切削過程中，刀具內部的機械應力、熱應力進行緩解，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性能和可靠性，在速度越高的條件下，優勢越明顯。
1.2.2 陶瓷 - 硬質合金復合刀片
將陶瓷和硬質合金燒結在一起，就得到了陶瓷 - 硬質合金復合材料，這種技術也可以用來制造數控刀具，制成的刀片叫做復合刀片。復合刀片的表層是陶瓷，內部為硬質合金，在發揮陶瓷硬度優勢的同時，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，突破了傳統的宏觀涂層方式，通過硬質合金粉末和陶瓷制成復合粉末，進行微觀上的涂層，解決了復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 、數控刀具材料的發展前景
刀具作為對機械、機器部件生產的核心部分，不斷取得進步，并面臨著更高要求。復合材料、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，另一方面也讓材料科學研究獲得了提升。
在數控刀具市場中，涂層刀具已經展現出了巨大潛力，并且成為了當下刀具研究的一個重要方向。各大廠商都根據產品的功能需要，針對不同的涂層特點的專用涂層牌號進行研發。對陶瓷刀具而言，它的優勢在于生產資源儲備量大、資源易開采，低成本的制造讓陶瓷刀具一直會有很高的潛力；PCD 刀具因為其高硬度和高韌性，在有色金屬及合金、和非金屬材料的加工中，仍然會有很高的地位；PCBN 刀具的應用將會更加廣泛，除了原本的黑色金屬及其合金的加工，也正在進入其他的領域。很對工件材料品種的種類增加，開性能好、通用性強、耐用的新型刀具材料，成為了行業的主要發展方面。同時，我國對環境保護越來越重視，保護環境也成為了全世界關注的焦點，更高效率的利用資源從而使資源得到節約，已經成為世界對工業生產的要求。
3、結束語
高性能、高精度、高可靠性一直都是刀具生產的追求，也是數控刀具進行研究的主要目標。新時代為刀具提出了更多的要求，刀具研發不僅要在“三高”上面下文章，還需要更加綠色環保。企業希望能夠擁有通用性強的刀具，保證能夠應對不同的生產情況，通過不同種類材料進行協同設計，可以使刀具擁有更為完備的性能，降低企業的成本，推動綠色工業的發展。
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