摘要：
       超硬材料諸如金剛石和立方氮化硼等常用于高速加工工藝和難切割材料的加工。本論文討論分析了超硬材料的三個方面。首先，利用PCBN對鑄鐵進行高速銑削使其硬度高、導熱性能好，且不易和鐵質材料發生反應。高速銑削過程中由于熱梯度差引起的熱裂縫是技術難題之一。其次，利用金剛石鍍附工具對碳纖維增強塑料（CFRP）進行鉆削。CFRP材料用于飛機機身、主結構和零部件制備等。CFRP中的碳纖維的硬度高，因此適宜用金剛石鍍附的硬質合金工具來加工。最后還討論了模具制備工藝中BL-PCD（無粘結劑納米聚晶金剛石）工具對硬質合金的直接銑削。
       關鍵詞：CBN,金剛石鍍附,納米聚晶金剛石,高速銑削,CFRP
1. 引言：
       硬質合金最早于1926年由德國人研制發明，硬質合金工具也逐漸革新為鍍附硬質合金工具，成為80多年來最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，用于鑄鐵高速加工的新型PCBN等級、鉆削CFRP用的金剛石鍍附硬質合金和硬質合金直接銑削用的BL-PCD端面銑削。
2. 鑄鐵高速銑削用CBN
       立方氮化硼（CBN）硬度高、導熱性能好，且不易和鐵質材料發生反應，性能僅次于金剛石。聚晶立方氮化硼（PCBN）是利用陶瓷結合劑對CBN顆粒進行燒結而成；PCBN促成了硬化鋼加工工藝由磨削革新為切割。Sumitomo Electric Hardmetal公司生產出的PCBN切割工具在鐵質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效率，降低成本。另一方面，由于PCBN的強度高、導熱性能好而應用于鑄鐵的高效高精密加工。例如，發動機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工具對鑄鐵的銑削。
       PCBN燒結體有兩種類型：一種是將CBN顆粒粘結在結合劑上；另一種是利用少量粘結劑材料將CBN顆粒粘結在一起。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BN7000刀具。BN7000的CBN含量比其他傳統PCBN等級的刀具都要高，強度大、韌性好、硬度高，熱導性能好。圖二為BN7000的微結構圖和屬性。利用高于常用5GPa的燒結壓力，CBN含量由90 vol%增至93vol%。為降低粘結劑的磨粒磨損，BN7000燒結體的結合劑量降低了30%。燒結過程中CBN顆粒反應的加快改善了粘結劑的組份，從而使粘結劑的結合力度比傳統結合劑要大許多。 

       為對比BN7000和傳統等級在耐熱裂紋性能方面的異同，實驗采用FMU4100R銑刀和SNEW1203ADTR切削刀具對兩塊鑄鐵盤（長寬高：150*100*25mm；硬度HB200-300）進行銑削實驗，如圖三所示：Vc=1500m/min，f=0.2mm’rev，ap=0.3mm，無冷卻液。圖四為加工后的對比圖，BN7000切削刃上出現的熱裂紋明顯要比傳統等級的少，耐熱裂紋性能有明顯改善。

       利用新型PCBN等級BN7000對鑄鐵進行加工，可以實現高效切削，保持工具較長的使用壽命。BN7000的CBN含量高、硬度高、熱導性能好，適宜加工難切割材料，對于降低切削成本費用和實現高精密高效切削加工有重要作用。
3. CFRP加工用金剛石鍍附工具
       適宜地將基體和增強材料結合起來從而形成可控性機械特征是復合材料的一個特色。碳纖維增強塑料（CFRP）由于其優越的抗拉強度、比濕度、抗腐蝕性而廣泛應用在工業機械如汽車、直升機、醫療器械和鐵路車輛等領域。此外，CFRP材料在航天領域是一種基礎的結構材料，可以減輕飛機機身重量從而提高燃料效率，節省維護成本。

       在航天領域，和CFRP材料有關的加工都會應用金剛石鍍附工具。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CFRP材料容易出現分層，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，鉆削時的抗鉆強度也逐漸增大，CFRP材料過度受熱，強度也由此降低。為解決這一問題，就不可避免地要應用到金剛石鍍附鉆。

       圖8為金剛石鍍附鉆的構造。頂角從鉆頭的中心到邊緣有三個變化，這樣就減小了鉆頭外刃在鉆削時的軸向力，把CFRP材料分層降到了最低。螺旋角和溝槽外形設計之間得到了優化處理，切削刃帶有三個頂角且長度得到了縮短處理；這種設計使鉆削深孔時的溫度得到了控制，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構并對鍍附預處理技術進行優化，解決了金剛石鍍附薄膜和硬質基體很難結合在一起的問題。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，實現了穩定鉆削。
4 硬質合金的直接銑削
       在模具制備工藝中，為提高模具的精確度，通常采用鍍附硬質合金端面銑削來進行直接銑削。隨著制造商對模具硬質要求的提高，出現了聚晶金剛石（PCD）刀具、金剛石鍍附硬質合金刀具和單晶金剛石（SCD）刀具，都可以用于硬質材料的直接銑削。
       對于硬質合金模具的直接銑削，傳統PCD刀具的硬度不足以滿足其要求；SCD的強度也不夠，PCD和金剛石鍍附工具的鋒利度也不夠。因此，無粘結劑納米聚晶金剛石（BL-PCD）便應運而生。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；適宜硬質合金模具的直接銑削，特別是精加工。

       圖11為BL-PCD和傳統PCD的微結構。在超高溫高壓條件下，將納米石墨直接轉化為無粘結劑的納米金剛石。本研究合成的BL-PCD牢固地結合在一起，金剛石顆粒直徑為10納米左右。
       圖12所示為BL-PCD的硬度對比。傳統PCD含有粘結劑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；在硬質合金柄上對BL-PCD進行釬焊。
       圖14為硬質合金直接銑削實驗的其中一項結果。該試驗的目的是研究BL-PCD端面銑削如何加工出精細表面粗糙度的。工件材料為超精細顆粒硬質合金，HRA92.5，WC顆粒尺寸為0.5μm。BL-PCD端面銑削用于精細加工；金剛石鍍附端面銑削用于粗糙、半精細加工。在該實驗中，主軸速度N=4000，進給速率Vf=120mm/min，切割深度ap=0.003mm，精銑總時間為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，側面磨損僅4μm，沒有出現碎屑和嚴重損傷。

       圖15為直接銑削的另外一項實驗結果。該實驗目的是研究硬質合金模具實際生產中高效銑削工藝。工件材料為精細顆粒硬質合金A1，91.4HRA，WC顆粒尺寸為0.7μm。主軸速度為4000，切割深度ap=5μm，進給速度Vf=800mm/min，精磨總時間為38分鐘。實驗結果顯示，工件獲得良好的表面整體質量，Ra低于15nm。
5 結論
       本論文討論了超硬材料的三個方面，結論如下：
       （1）新型PCBN等級BN7000強度高、韌性好，熱導性能好，CBN含量可以從90vol %提高到93vol%。實現了鑄鐵高速銑削加工，Vc=1500m/min。
       （2）研制出CFRP材料精細鉆孔用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。經優化的金剛石薄膜結構鍍附和涂覆預處理實現了工具壽命的提高，比傳統工具改善了許多。
       （3）實驗利用超高壓技術研制出BL-PCD（無粘結劑納米聚晶金剛石）工具，硬度和韌性都要比SCD的高，切削刃比傳統PCD工具要高。BL-PCD球端面銑削可以應用在硬質合金模具的直接銑削中，實現較好的表面粗糙度，小于10nm。（編譯：中國超硬材料網）