硬質(zhì)合金*早于1926年由德國(guó)人研制發(fā)明，硬質(zhì)合金工具也逐漸革新為鍍附硬質(zhì)合金工具，成為80多年來*為重要的切削工具之一。PCD和PCBN也是較為重要的工具。本論文討論了超硬材料的三種新穎技術(shù)，用于鑄鐵高速加工的新型PCBN等級(jí)、鉆削CFRP用的金剛石鍍附硬質(zhì)合金和硬質(zhì)合金直接銑削用的BL-PCD端面銑削。
鑄鐵高速銑削用CBN
? ? ? ?立方氮化硼（CBN）硬度高、導(dǎo)熱性能好，且不易和鐵質(zhì)材料發(fā)生反應(yīng)，性能僅次于金剛石。聚晶立方氮化硼（PCBN）是利用陶瓷結(jié)合劑對(duì)CBN顆粒進(jìn)行燒結(jié)而成；PCBN促成了硬化鋼加工工藝由磨削革新為切割。Sumitomo Electric Hardmetal公司生產(chǎn)出的PCBN切割工具在鐵質(zhì)材料如鑄鐵的精加工和半精加工工藝中能夠明顯提高生產(chǎn)效率，降低成本。另一方面，由于PCBN的強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性能好而應(yīng)用于鑄鐵的**高精密加工。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)組和油泵的表面加工通常用PCBN切割工具來完成。本論文主要討論新型PCBN工具對(duì)鑄鐵的銑削。
? ? ? ?PCBN燒結(jié)體有兩種類型：一種是將CBN顆粒粘結(jié)在結(jié)合劑上；另一種是利用少量粘結(jié)劑材料將CBN顆粒粘結(jié)在一起。前者耐磨性好，用與硬化鋼切割加工；否則CBN含量高，導(dǎo)熱性能好，用于鑄鐵加工、耐熱合金和PM部件。BN7000就劃歸為后者。
? ? ? ?圖一為新型PCBN等級(jí)BN7000刀具。BN7000的CBN含量比其他傳統(tǒng)PCBN等級(jí)的刀具都要高，強(qiáng)度大、韌性好、硬度高，熱導(dǎo)性能好。圖二為BN7000的微結(jié)構(gòu)圖和屬性。利用高于常用5GPa的燒結(jié)壓力，CBN含量由90 vol%增至93vol%。為降低粘結(jié)劑的磨粒磨損，BN7000燒結(jié)體的結(jié)合劑量降低了30%。燒結(jié)過程中CBN顆粒反應(yīng)的加快改善了粘結(jié)劑的組份，從而使粘結(jié)劑的結(jié)合力度比傳統(tǒng)結(jié)合劑要大許多。?

? ? ? ?為對(duì)比BN7000和傳統(tǒng)等級(jí)在耐熱裂紋性能方面的異同，實(shí)驗(yàn)采用FMU4100R銑刀和SNEW1203ADTR切削刀具對(duì)兩塊鑄鐵盤（長(zhǎng)寬高：150*100*25mm；硬度HB200-300）進(jìn)行銑削實(shí)驗(yàn)，如圖三所示：Vc=1500m/min，f=0.2mm’rev，ap=0.3mm，無冷卻液。圖四為加工后的對(duì)比圖，BN7000切削刃上出現(xiàn)的熱裂紋明顯要比傳統(tǒng)等級(jí)的少，耐熱裂紋性能有明顯改善。

? ? ? ?利用新型PCBN等級(jí)BN7000對(duì)鑄鐵進(jìn)行加工，可以實(shí)現(xiàn)**切削，保持工具較長(zhǎng)的使用壽命。BN7000的CBN含量高、硬度高、熱導(dǎo)性能好，適宜加工難切割材料，對(duì)于降低切削成本費(fèi)用和實(shí)現(xiàn)高精密**切削加工有重要作用。
?CFRP加工用金剛石鍍附工具
? ? ? ?適宜地將基體和增強(qiáng)材料結(jié)合起來從而形成可控性機(jī)械特征是復(fù)合材料的一個(gè)特色。碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）由于其優(yōu)越的抗拉強(qiáng)度、比濕度、抗腐蝕性而廣泛應(yīng)用在工業(yè)機(jī)械如汽車、直升機(jī)、醫(yī)療器械和鐵路車輛等領(lǐng)域。此外，CFRP材料在航天領(lǐng)域是一種基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)材料，可以減輕飛機(jī)機(jī)身重量從而提高燃料效率，節(jié)省維護(hù)成本。

? ? ? ?在航天領(lǐng)域，和CFRP材料有關(guān)的加工都會(huì)應(yīng)用金剛石鍍附工具。圖五為Sumitomo金剛石鍍附鉆，用于CFRP材料的精密鉆孔。由于軸向力沿著纖維板疊層方面施力，鉆孔時(shí)CFRP材料容易出現(xiàn)分層，如圖6、7所示。隨著切削工具磨損的加劇和碎屑粘附在切削刃上，鉆削時(shí)的抗鉆強(qiáng)度也逐漸增大，CFRP材料過度受熱，強(qiáng)度也由此降低。為解決這一問題，就不可避免地要應(yīng)用到金剛石鍍附鉆。

? ? ? ?圖8為金剛石鍍附鉆的構(gòu)造。頂角從鉆頭的中心到邊緣有三個(gè)變化，這樣就減小了鉆頭外刃在鉆削時(shí)的軸向力，把CFRP材料分層降到了*低。螺旋角和溝槽外形設(shè)計(jì)之間得到了優(yōu)化處理，切削刃帶有三個(gè)頂角且長(zhǎng)度得到了縮短處理；這種設(shè)計(jì)使鉆削深孔時(shí)的溫度得到了控制，不至于過高。

? ? ? ?圖9為金剛石鍍附薄膜的表面。通過改善金剛石的微結(jié)構(gòu)并對(duì)鍍附預(yù)處理技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，解決了金剛石鍍附薄膜和硬質(zhì)基體很難結(jié)合在一起的問題。圖10所示為CRFP鉆削用SDC型鉆頭。加工出的孔質(zhì)量精確、沒有分層和未切割纖維。金剛石鍍覆層耐磨性好，提高了工具壽命，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定鉆削。
?硬質(zhì)合金的直接銑削
? ? ? ?在模具制備工藝中，為提高模具的精確度，通常采用鍍附硬質(zhì)合金端面銑削來進(jìn)行直接銑削。隨著制造商對(duì)模具硬質(zhì)要求的提高，出現(xiàn)了聚晶金剛石（PCD）刀具、金剛石鍍附硬質(zhì)合金刀具和單晶金剛石（SCD）刀具，都可以用于硬質(zhì)材料的直接銑削。
? ? ? ?對(duì)于硬質(zhì)合金模具的直接銑削，傳統(tǒng)PCD刀具的硬度不足以滿足其要求；SCD的強(qiáng)度也不夠，PCD和金剛石鍍附工具的鋒利度也不夠。因此，無粘結(jié)劑納米聚晶金剛石（BL-PCD）便應(yīng)運(yùn)而生。BL-PCD的硬度比PCD和SCD高、鋒利度要比PCD和金剛石鍍附都要好；適宜硬質(zhì)合金模具的直接銑削，特別是精加工。

? ? ? ?圖11為BL-PCD和傳統(tǒng)PCD的微結(jié)構(gòu)。在超高溫高壓條件下，將納米石墨直接轉(zhuǎn)化為無粘結(jié)劑的納米金剛石。本研究合成的BL-PCD牢固地結(jié)合在一起，金剛石顆粒直徑為10納米左右。
? ? ? ?圖12所示為BL-PCD的硬度對(duì)比。傳統(tǒng)PCD含有粘結(jié)劑Co，硬度約40-60GPa；SCD的硬度約60-120GPa。

? ? ? ?圖13為BL-PCD球端面銑削，單切削刃、球半徑R為0.5mm；在硬質(zhì)合金柄上對(duì)BL-PCD進(jìn)行釬焊。
? ? ? ?圖14為硬質(zhì)合金直接銑削實(shí)驗(yàn)的其中一項(xiàng)結(jié)果。該試驗(yàn)的目的是研究BL-PCD端面銑削如何加工出精細(xì)表面粗糙度的。工件材料為超精細(xì)顆粒硬質(zhì)合金，HRA92.5，WC顆粒尺寸為0.5μm。BL-PCD端面銑削用于精細(xì)加工；金剛石鍍附端面銑削用于粗糙、半精細(xì)加工。在該實(shí)驗(yàn)中，主軸速度N=4000，進(jìn)給速率Vf=120mm/min，切割深度ap=0.003mm，精銑總時(shí)間為150分鐘。工件表面粗糙度在凹形中心處為8nm,45°處為7nm。切削刃損傷很輕微，側(cè)面磨損僅4μm，沒有出現(xiàn)碎屑和嚴(yán)重?fù)p傷。

? ? ? ?圖15為直接銑削的另外一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖茄芯坑操|(zhì)合金模具實(shí)際生產(chǎn)中**銑削工藝。工件材料為精細(xì)顆粒硬質(zhì)合金A1，91.4HRA，WC顆粒尺寸為0.7μm。主軸速度為4000，切割深度ap=5μm，進(jìn)給速度Vf=800mm/min，精磨總時(shí)間為38分鐘。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，工件獲得良好的表面整體質(zhì)量，Ra低于15nm。
5 結(jié)論
? ? ? ?本論文討論了超硬材料的三個(gè)方面，結(jié)論如下：
? ? ? ?（1）新型PCBN等級(jí)BN7000強(qiáng)度高、韌性好，熱導(dǎo)性能好，CBN含量可以從90vol %提高到93vol%。實(shí)現(xiàn)了鑄鐵高速銑削加工，Vc=1500m/min。
? ? ? ?（2）研制出CFRP材料精細(xì)鉆孔用SDC型金剛石鍍附鉆頭。在CFRP鉆削案例中，減少了分層和未切割纖維的出現(xiàn)。經(jīng)優(yōu)化的金剛石薄膜結(jié)構(gòu)鍍附和涂覆預(yù)處理實(shí)現(xiàn)了工具壽命的提高，比傳統(tǒng)工具改善了許多。
? ? ? ?（3）實(shí)驗(yàn)利用超高壓技術(shù)研制出BL-PCD（無粘結(jié)劑納米聚晶金剛石）工具，硬度和韌性都要比SCD的高，切削刃比傳統(tǒng)PCD工具要高。BL-PCD球端面銑削可以應(yīng)用在硬質(zhì)合金模具的直接銑削中，實(shí)現(xiàn)較好的表面粗糙度，小于10nm。