新型数控刀具材料的创新设计对提高企业效益的影响
2020-4-2 来源： 唐山劳动技师学院 作者： 李海燕，张立城
摘要：简述了数控刀具材料的发展情况，对热门技术进行了列举，对刀具的研发方向进行了展望，分析了刀具研究对工业环保程度的提升。
关键词：数控机床；刀具；材料；创新设计
数控刀具是机械制造中进行削切工作的刀具，是数控加工水平的关键之一，对新型刀具进行研发，能提升数控加工技术，并带来的巨大经济效益。
1、数控刀具材料的新发展
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刚石，以及通过使用结合剂将这些粉末烧结所制造的聚晶金刚石。
1.1.1 聚晶金刚石（PCD）刀具
聚晶金刚石将人造金刚石的多晶聚合物，通过使用结合剂，对人造金刚石粉末进行烧结，在 PCD 晶体之间形成 Co、Mo、W 等主要成分的结合桥，在宏观上提升硬度和韧性，从而使得由 PCD 制成的刀具拥有更高的切削效率。天然的金刚石十分昂贵，而且性能也不及人造金刚石，其在刀具上的作用，正逐渐被 PCD 所取代。在对有色金属、玻璃、陶瓷等高硬度材料加工时，PCD 刀具已经成为了目前的唯一选择，尤其是在铝合金部件的加工上。
1.1.2 金刚石镀膜涂层 (CVD) 刀具
通过使用化学沉积法，可以在硬质合金或者陶瓷上镀上金刚石薄膜，这种薄膜简称为“CVD 金刚石”，使用这种技术制造的刀具，就是精钢石镀膜涂层刀具。CVD 金刚石和天然金刚石有相同的晶体结构和宏观特性，硬度高、耐磨、韧性好。目前，这种刀具多用于航空航天、汽车和电子信息技术等行业。满足了进行高速、高寿命、干式的对高强度铝合金、镁合金、石墨、陶瓷等材料的零部件进行加工的要求。
1.1.3 立方氮化硼刀具和聚晶立方氮化硼刀具
立方氮化硼是是一种人工合成物质，可以制成单晶体和多晶体两种结构的材料，分别是 CBN 单晶和聚晶方氮化硼(PCBN)。CBN 是一种氮化硼的同素异构体，并具有与金刚石相似的晶体机构，使得 CBN 的硬度很高，同时还具备比金刚石更好的热稳定性。PCBN 是通过对微晶的 CBN 进行烧结，加入Al、Ti 作为结合剂，最终得到的多晶材料，在目前人工合成的材料中，硬度仅次于金刚石。使用 CBN 和 PCBN 的数控刀具，可用于车、镗、铣、铰等对一些较难加工的材料进行加工，具有很高的优越性。
1.2 新型陶瓷刀具材料
1.2.1 梯度功能陶瓷刀具
梯度功能陶瓷具有组分、结构和物理力学性能呈合理梯度变化的特点，用这种方式制成的刀具，能够对切削过程中，刀具内部的机械应力、热应力进行缓解，具有较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学性能和可靠性，在速度越高的条件下，优势越明显。
1.2.2 陶瓷 - 硬质合金复合刀片
将陶瓷和硬质合金烧结在一起，就得到了陶瓷 - 硬质合金复合材料，这种技术也可以用来制造数控刀具，制成的刀片叫做复合刀片。复合刀片的表层是陶瓷，内部为硬质合金，在发挥陶瓷硬度优势的同时，还有较大的弯曲载荷承受能力。
1.2.3 粉末表面涂层陶瓷刀具
粉末表面图层刀具是一种新型刀具，突破了传统的宏观涂层方式，通过硬质合金粉末和陶瓷制成复合粉末，进行微观上的涂层，解决了复合刀片涂层容易剥落的问题。并且性能上也大大由于陶瓷刀具和刀片表面涂层刀具。
2 、数控刀具材料的发展前景
刀具作为对机械、机器部件生产的核心部分，不断取得进步，并面临着更高要求。复合材料、纳米材料在刀具上的使用变得尤为广泛，一方面提升了刀具的品质，另一方面也让材料科学研究获得了提升。
在数控刀具市场中，涂层刀具已经展现出了巨大潜力，并且成为了当下刀具研究的一个重要方向。各大厂商都根据产品的功能需要，针对不同的涂层特点的专用涂层牌号进行研发。对陶瓷刀具而言，它的优势在于生产资源储备量大、资源易开采，低成本的制造让陶瓷刀具一直会有很高的潜力；PCD 刀具因为其高硬度和高韧性，在有色金属及合金、和非金属材料的加工中，仍然会有很高的地位；PCBN 刀具的应用将会更加广泛，除了原本的黑色金属及其合金的加工，也正在进入其他的领域。很对工件材料品种的种类增加，开性能好、通用性强、耐用的新型刀具材料，成为了行业的主要发展方面。同时，我国对环境保护越来越重视，保护环境也成为了全世界关注的焦点，更高效率的利用资源从而使资源得到节约，已经成为世界对工业生产的要求。
3、结束语
高性能、高精度、高可靠性一直都是刀具生产的追求，也是数控刀具进行研究的主要目标。新时代为刀具提出了更多的要求，刀具研发不仅要在“三高”上面下文章，还需要更加绿色环保。企业希望能够拥有通用性强的刀具，保证能够应对不同的生产情况，通过不同种类材料进行协同设计，可以使刀具拥有更为完备的性能，降低企业的成本，推动绿色工业的发展。
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