超硬材料刀具目前主要有單晶金剛石刀具，聚晶金剛石（PCD）刀具,化學氣相沉積（CVD）的金剛石刀具,聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具等。它不僅是加工高硬度材料的理想刀具，而且用超硬材料刀具替代普通刀具進行切削，可以實現(xiàn)鑄、鍛毛坯件的高速、高效加工和/或一次性完成粗、精加工。超硬材料刀具是完全適用于高速、精密和自動化加工的。尤其是在以車代磨、以銑代磨方面，它適用于成形、仿形及定尺寸的精密磨削，并使磨削質(zhì)量顯著提高、磨削效率得到數(shù)倍乃至數(shù)十倍的提高。它不但能防止工件表面燒傷、微裂紋、缺口、變質(zhì)層過深等缺陷，而且能提高工效、降低消耗和磨削成本。它具有高效、低耗、適應性強、制造周期短等優(yōu)點。目前已在汽車、摩托車、航空、礦山、電子、玻璃等行業(yè)機械加工中得到廣泛應用。

車削鋼件

加工淬硬鋼時，超硬材料刀具能以車代磨。由于切削的深度比磨削高十幾倍，可提高效率4倍以上，加工成本下降到原來的1/5。

用PCBN刀具精車硬度高于45HRC的淬硬鋼效果最好,切削速度一般為80～120m/min。高硬度工件切削速度宜取低值，如硬度為70HRC的工件，切削速度宜選60～80m/min。精車的切削深度在0.1～0.3mm，進給量在0.05～0.025mm/r，加工表面粗糙度為Ra0.3～0.6μm,尺寸精度可達0.013mm。若采用剛性好的標準數(shù)控車床,且PCBN刀具的剛性好、刃口鋒利，則精車表面粗糙度可達Ra0.3μm，尺寸精度0.01mm，可達到數(shù)控磨床加工的水平。

某廠原采用磨削工藝加工小齒輪，一班僅能加工100個；現(xiàn)采用PCBN刀具車削，切削參數(shù)采用：v=60～120mm/min，f≤0.12mm/r，ap≤0.1mm，一班能加工400個小齒輪。此外，分攤到每個齒輪的加工成本也有所下降。

如用PCBN刀具加工滲碳淬火的20CrMnTi汽車變速箱同步器套撥叉(HRC58～62)，切削速度V=150mm/min，進給量ƒ=0.1mm/r，ap=0.2～0.3mm，刀具切削行程達到9.58km[2]。以車代磨后，效率提高4倍以上，加工成本降低為原來磨削工藝的1/3～1/2。

荷蘭Hembrug公司在MikroturnCNC系列超精車床上采用PCBN刀具精車淬硬EN21軸承鋼(HRC62)、美國國家標準工藝研究院Y.KevinChou和ChrisJ.Evans采用SumitomoBN系列PCBN刀具加工AISIM50鋼(HRC62～64)、德國 默克工業(yè)金剛石公司M.A.Fleming在DeltaTurn40車床上采用AMBORITEDBN45刀具車削EN31軸承鋼等，都實現(xiàn)了納米切削。

超硬材料刀具加工鋼件的例子還有使用長城機床廠的CK7820數(shù)控車床加工重型汽車變速器中的二軸的20CrMnTiHA3多檔花鍵沉割槽（HRc58～63）、使用1A616機床加工礦山機械的45號鋼Φ48h6傳動軸（HRc42～45）[3]、在可無級變速的CA6140車床上使用PCBN刀具精密車削GCr15淬硬軸承鋼工件（分別為30HRc、40HRc、50HRc、60HRc和64HRc）等。

將經(jīng)過特殊磨削的PCBN刀具用于超精密車床上，在切削深度為15～20μm、進給量為0.608μm/r轉(zhuǎn)的條件下,切削加工表面光潔度可達Rmax=0.0254μm。在一般精密數(shù)控車床上切削不銹鋼，可獲得Rmax=0.2μm以內(nèi)的表面粗糙度。

車削鑄鐵件

加工硬鑄鐵時，只要硬度達到中等硬度水平(HRc45)，采用超硬材料刀具刀具就會取得良好的加工效果,非常適合于大批量生產(chǎn)線上高速加工，在汽車行業(yè)得到廣泛應用。 

發(fā)動機缸蓋上的排氣閥座，采用銅、鉬高鉻合金鑄鐵（HRC44）材料，其加工方法一般有銑、車兩種工藝,大多在自動線上，與拉鉸導管孔一道加工，v=71.6m/min，ƒ=26.5mm/min，ap=1.0mm，采用PCBN整體刀片加工，平均耐用度為1,200個閥座，加工表面粗糙度Ra0.4μm，錐面擺差≤0.05mm，刀具壽命高，質(zhì)量穩(wěn)定。 

在汽車發(fā)動機生產(chǎn)線上，灰鑄鐵缸體的缸孔精加工要求缸孔加工尺寸精度高、表面粗糙度小、穩(wěn)定性好；由于生產(chǎn)線加工節(jié)拍快，要求切削速度高(通常V≥500m/min)，刀具壽命長(加工孔數(shù)≥1000)，且倒角、止口、粗精鏜等多個工位的刀片壽命均應滿足耐用度要求。采用PCBN刀具即可實現(xiàn)發(fā)動機缸孔的高速切削及高穩(wěn)定性加工；其典型切削參數(shù)為：V=500m/min，f=0.2～0.4mm/r，ap=0.2～0.7mm；加工表面粗糙度Ra≤1.6μm，刀具壽命>1,000件。 

采用PCBN刀具加工含硼鑄鐵缸套，切削參數(shù)：V=200m/min，f=0.1mm/r，ap=0.2～1mm，加工表面粗糙度Ra≤1.6μm，精度IT6，兩次刃磨之間，刀具壽命>100件，可實現(xiàn)“以車代磨”。由于采用干式切削，避免了切削液及砂輪灰塵對環(huán)境的污染,切屑也可回收再利用,符合清潔化生產(chǎn)要求。 

用PCBN刀具車削灰鑄鐵剎車盤,切削速度一般700～2,000m/min，如上海通用汽車公司采用mooktool刀具公司PCBN型刀片，切削速度可以達到2，000m/min。

車削合金工件

采用PCD刀具車削鋁合金輪轂,切削速度可為V=500～1000m/min，ƒ推薦0.05～0.5mm/r，ap一般為0.5mm～3mm。 

PCBN刀具車削高鈷鉻鉬耐蝕耐熱合金，切削速度達160m/min，是硬質(zhì)合金刀具的8倍。 

一般含硅量低于10%的鋁合金，用硬質(zhì)合金切削工具即可。但含硅量超過10%,就只能借助PCD。當前采用的高硅鋁合金含硅量均在12%以上，有些已超過18%，因此車削高硅鋁合金汽車發(fā)動機活塞等非PCD莫屬。 

車削粉末高溫合金FGH95也使用PCBN刀片。

車削其它材料

氧化鋁陶瓷密度3.9g/cm3，硬度HV2100～2300，抗彎強度300MPa，抗壓強度300MPa，用PCD刀具采用濕式切削，V=20～70m/min，ƒ=0.025～0.10mm/r，ap=0.2mm；加工效率明顯提高，是金剛石砂輪磨削的3～5倍，刀具壽命可達10～30min[6]。

用PCD刀具車削電動機整流子的紫銅換向器，典型切削參數(shù)為：V=300m/min，ƒ=0.08mm/r，ap≤0.15mm；加工表面粗糙度Ra0.1～0.2μm，刀具壽命>5,000件。而采用硬質(zhì)合金刀具只能加工幾件。

在銑削加工中的應用

用PCBN刀具銑削灰鑄鐵，切削速度達1,000～000m/min；用PCD刀具銑削鋁合金，速度可達3，000～4，000m/min。 

加工鋁合金缸蓋的PCD面銑刀，銑削速度已達4，021m/min，進給速度5，670mm/min，效率是我國20世紀90年代初引進生產(chǎn)線的兩倍。 

精加工灰鑄鐵缸體的CBN面銑刀，銑削速度達2，000m/min，是硬質(zhì)合金面銑刀的10倍

銑削玻璃的PCD螺旋內(nèi)排液面銑刀，直徑有10mm、12mm、16mm、20mm多種規(guī)格，在玻璃深加工中得到廣泛應用。 

在X53K立式銑床上，用PCBN立銑刀銑削Cr12MoV（HRc59～61）和45鋼（HRc50～53）材料的研究，為該類刀具的實際應用提供了有益的參考數(shù)據(jù)。 

PCD刀具在銑削石墨時有很高的耐磨性，很多專家已將PCD銑刀用在瑞士MikronNidau高速切削銑床上。一次裝夾刀具加工20件牙刷電極，仍可達到形位公差小于0.01mm的要求。PCBN刀具硬銑淋浴器噴嘴柄鋼模，精度高，銑削后只需略作手工拋光即可。

在鏜削加工中的應用

目前國內(nèi)已有較多發(fā)動機制造廠用PCBN刀具對氣缸缸V套精加工，如上海大眾和一汽集團的發(fā)動機廠，缸孔精鏜所采用的默克精密工具PCBN刀片，且可自動補償(V=500m/min，ƒ=0.2mm/r，ap=0.1mm)。刀具壽命長，加工精度高、尺寸穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高。 

一汽公司用PCD刀具精鏜硅鋁合金活塞銷孔(V＝160m/min，ƒ＝0.08～0.10mm/r，ap＝0.05mm。)，耐用度達42，500件，是硬質(zhì)合金刀具的90倍；加工表面粗糙度Ra值由原來的1.12降為0.15；每班可減少裝調(diào)刀具等輔助時間30min，成本比硬質(zhì)合金刀具下降約85％。

PCBN刀具耐磨性比硬質(zhì)合金刀具高50倍，比涂層的硬質(zhì)合金刀具高數(shù)倍，比陶瓷刀具高25倍，是加工非金屬材料唯一的高效刀具。最高切削速度達7，000m/min；效率顯著提高。

CVD刀具用于鏜削鎢硬質(zhì)合金(含25%Co)的汽缸（內(nèi)徑20mm、長40mm），加冷卻液,切削速度0.5m/s、切削深度0.12mm，一次裝夾刀具可加工8個零件[10]。

用PCD刀具對鑄造硅鋁合金SAE327(Si7～8.6%，Cu1～2%，Mg0.25%～0.6%，Mn0.5%～0.8%；抗拉強度>230MPa，硬度110～130HB，延伸率>1%)制冷壓縮機連桿進行高速干式鏜削孔,切削速度140～180m/min,Ra0.02～0.32μm，精度可達5～7級[11]。

1.4在拉削加工中的的應用

用復合式漸開線跳齒內(nèi)孔超硬材料拉刀加工工件孔，優(yōu)點為：(1)由于能夠可靠保證工件內(nèi)孔各形面間的同軸度，因而可以后續(xù)加工工序中統(tǒng)一用小徑圓面作為定位基準，大大方便了后序定位心軸和檢驗心軸的制作，并可靠保證所有加工表面的位置精度；(2)由于采用了合理的跳齒排布方式和花鍵刃開側(cè)隙的刀齒結(jié)構(gòu)，保證了拉刀的制造質(zhì)量，且制造方便，成本幾乎和普通復合式漸開線拉刀相同。

在鉸削加工中的應用

PCBN電鍍鉸刀在淬硬鋼或硬鑄件小孔的鉸削加工中已發(fā)揮作用。此類鉸刀以硬度為42HRc的45鋼或9CrSi鋼作基體，具有前后導向和切削部分。其基體制造精度要高，設計要合理，前導向部分直徑要比切削刃部分直徑小0.04mm，切削區(qū)長度要大于工件孔深；后導向長度要大于切削區(qū)長度，直徑應比切削刃部直徑小0.02mm。為了在鉸削中用切削液沖洗切屑、冷卻潤滑加工表面，基體上開有兩條較深的螺旋槽。

如某廠加工淬火鋼工件孔φ12.06±0.05mm，硬度45HRc，底孔尺寸φ12±0.01mm，要求孔圓柱度0.005mm，表面粗糙度Ra0.2μm。采用一組五把電鍍CBN鉸刀加工，取得較好經(jīng)濟效果[12]。

有的發(fā)動機制造廠用PCD或PCBN電鍍鉸刀對氣缸體的主軸承孔進行珩鉸，代替珩磨，加工效率提高了數(shù)倍，且質(zhì)量穩(wěn)定。

現(xiàn)代汽車變速箱因減輕重量和多功能化的要求，越來越多地采用壓鑄鋁合金來制造，其上設置有許多階梯狀的成型孔，這些孔對表面粗糙度、圓度、圓柱度、同心度、無毛刺等質(zhì)量要求非常嚴格。為滿足高效、高精度加工成型孔的需要，日本公司開發(fā)了一種PCD成型階梯鉸刀。選用優(yōu)質(zhì)PCD刀片材料，用高精度成形磨削技術(shù)來保證切削刃形狀，獲得優(yōu)良一致的尺寸精度和表面粗糙度，使所有切削刃在不同加工負荷下具有優(yōu)良的切削性能。該刀具可獲得滿意的加工質(zhì)量，消除了粘刀弊病，延長了刀具壽命，加工成本可降低一半。

在鉆削加工中的應用

用PCD鉆頭來加工玻璃、工程陶瓷和石材，已屢見不鮮。許多玻璃深加工企業(yè)和玻璃店大都使用PCD鉆頭來鉆削玻璃和鏡子的孔。市場上金剛石鉆頭的直徑從3～130mm。玻璃鉆頭有鑲嵌金剛石的，也有樹脂金剛石的。用PCD鉆頭來加工工程陶瓷和石材，效率高，加工質(zhì)量好。

金剛石電解鉆削可用來成形各種難加工導電材料(大多為燒結(jié)硬質(zhì)合金)上的圓柱孔(通孔和盲孔)、圓錐孔和特形孔。可在一臺機床上用同一工具進行加工,無需重調(diào)工具和毛坯[13]。

最值得一提的是在Z5125立式鉆床上用釬焊金剛石套料鉆鉆削“凱芙拉復合材料-特種陶瓷-鋁合金”復合層板通孔。該材料是近幾年出現(xiàn)的一種新型輕質(zhì)復合材料,既具有凱芙拉復合材料的高強度、高斷裂韌性、高吸能緩沖防護能力,又具有陶瓷的高硬度、高模量、高抗壓、耐磨損、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)良性能,同時兼具鋁板的防銹、防滲透、高韌性等優(yōu)點。用釬焊金剛石套料鉆，連續(xù)鉆削10個孔,切削部位無明顯變化。

結(jié)束語 

PCD刀具使用壽命一般高于硬質(zhì)合金刀具10～500倍。PCBN刀具耐用度為硬質(zhì)合金刀具的10～100倍[9]。傳統(tǒng)的金屬刀具在加工某些工件時存在崩口、起層、毛刺、燒傷等缺陷，采用超硬材料刀具加工不僅可消除上述缺陷，而且高速高效、綜合成本低。隨著國家綜合實力的增強，隨著國家對大飛機、神舟系列飛船、交通能源等重大項目的投入，隨著與之相適應的裝備制造業(yè)制造、加工技術(shù)的不斷完善，制造超硬材料刀具的技術(shù)水平將會大幅度提高，新品種將不斷涌現(xiàn)，超硬材料刀具將朝系列化、標準化、專業(yè)化、高品質(zhì)、多元化方向發(fā)展，各生產(chǎn)企業(yè)將形成自己的產(chǎn)品特色和市場定位。超硬材料刀具的應用領域?qū)⒃谄囍圃�、計算機與微電子元件、光電子元件、通訊器材、家電制造行業(yè)、新型陶瓷加工、礦物鉆探與開采、航空航天等產(chǎn)業(yè)獲得更多的拓展。