在整個切削加工工藝系統(tǒng)中，機床、刀具、夾具和工件是主要組成部分，其中刀具是最為活躍的因素。高性能的刀具與先進的加工設(shè)備相互配合，才能充分發(fā)揮整個切削系統(tǒng)的效能，取得良好的經(jīng)濟效益。

同時，工件材料的發(fā)展，也促進了刀具材料的發(fā)展。很多新型材料和難加工材料的出現(xiàn)，要求市場提供切削性能更好的刀具材料，這樣才能提高切削加工生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。

一、超硬刀具材料介紹

超硬刀具材料，多指金剛石與立方氮化硼，一般沒有嚴格的規(guī)格。理論上來說，硬度接近于金剛石的材料統(tǒng)稱為超硬刀具材料。

超硬刀具材料主要用于硬切削加工（對高硬度材料直接進行切削加工），硬切削技術(shù)在一些應(yīng)用領(lǐng)域得到了極佳的效果，如汽車工業(yè)、模具行業(yè)、機床行業(yè)等領(lǐng)域，直接采用CBN刀具加工鑄鐵件和淬硬鋼件，既縮短了工藝路線，又提高了加工效率，取得了較好的經(jīng)濟效果。

二、超硬刀具材料的種類、特點與應(yīng)用

目前，超硬刀具材料主要包括金剛石、聚晶立方氮化硼（PCBN）、陶瓷、TIC（N）基硬質(zhì)合金等，其中金剛石刀具材料主要用于加工高硬度有色金屬和非金屬材料，聚晶立方氮化硼、陶瓷和硬質(zhì)合金主要加工高硬鋼、鑄鐵和合金等材料。

1、金剛石刀具的種類、特點與應(yīng)用。

金剛石刀具，是指用金剛石材料做成的刀具，金剛石是碳的同素異形體，顯微硬度達10000HV，是目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的、自然界中最硬的一種材料。

（1）金剛石刀具的種類

①單晶金剛石刀具。單晶金剛石刀具是目前超精密加工有色金屬的主要切削刀具，可實現(xiàn)鏡面加工。天然單晶金剛石刀具硬度高，耐磨性好，刀尖和刃口鋒利，可實現(xiàn)超薄切削，加工表面粗糙度極低。

②聚晶金剛石刀具。人造聚晶金剛石（PCD），是20世紀60年代發(fā)展起來的，是以石墨為原料，加入催化劑經(jīng)高溫高壓燒結(jié)而成。成本遠低于天然金剛石，因此目前很多切削加工場合使用的都是人造聚晶金剛石。

③CVD金剛石刀具。CVD金剛石是采用化學氣相沉積的方法，在異質(zhì)基體（如硬質(zhì)合金、陶瓷等）上合成金剛石膜，擁有與金剛石相似的結(jié)構(gòu)和特性。目前在木材加工和修整刀具上有一定的應(yīng)用。

（2）金剛石刀具的特點

①有極高的硬度和耐磨性。金剛石的顯微硬度達10000HV，其耐磨性是硬質(zhì)合金的60~120倍。在加工高硬度材料時，金剛石刀具壽命是硬質(zhì)合金刀具的10~100倍，甚至幾百倍。

②各向異性。單晶金剛石晶體不同晶面及晶向的硬度、耐磨性能、微觀強度、研磨加工的難易程度以及與工件之間的摩擦系數(shù)等相差很大。

③極低的摩擦系數(shù)：金剛石與有色金屬之間的摩擦系數(shù)比其他刀具都低，約為硬質(zhì)合金刀具的一半，通常在0.1~0.3之間，加工時變形小，可減小切削力。

④很高的導熱性。金剛石的熱導率為硬質(zhì)合金的1.5~9倍，為銅的2~6倍。熱導率及熱擴散率高，切削熱容易散出，因此刀具切削部分溫度低。

⑤切削刃非常鋒利。金剛石刀具的切削刃可以磨得非常鋒利，刀刃鈍圓單晶一般達0.1~0.5μm，天然金剛石刀具可高達0.005~0.008μm，因此天然金剛石刀具能進行超薄切削和超精密加工。

⑥較低的熱膨脹系數(shù)。金剛石的熱膨脹系數(shù)為硬質(zhì)合金的幾分之一，約為高速鋼的1/10。因此金剛石刀具不會產(chǎn)生很大的熱變形，因切削熱引起的刀具尺寸變換很小，對于尺寸精度要求高的精密加工刀具來說非常重要。

（3）金剛石刀具的應(yīng)用

金剛石刀具多用于高速狀態(tài)下加工有色金屬和非金屬材料。如各種耐磨有色金屬（硅鋁合金、銅和銅合金、硬質(zhì)合金等）、耐磨非金屬（陶瓷材料、石墨材料、塑料橡膠、玻璃鋼等）。

金剛石刀具的不足之處，就是熱穩(wěn)定性相對較差，在切削溫度超過700℃時，硬度就會變低；并且，金剛石刀具不適合切削黑色金屬，因為金剛石在高溫下容易與鐵原子作用，使碳原子轉(zhuǎn)化為石墨結(jié)構(gòu)，造成刀具損壞。

2、立方氮化硼刀具的種類、特點與應(yīng)用。

立方氮化硼（CBN）是繼人工合成金剛石之后，利用高溫高壓技術(shù)獲得的第二種超硬刀具材料，在硬度和熱導率方面僅次于金剛石，且熱穩(wěn)定性非常好，對于黑色金屬有極強的化學穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于鑄鐵和淬火硬鋼制品的切削加工。

（1）立方氮化硼刀具的種類

由于單晶CBN的粒徑小，且存在易劈裂的“解理面”，因此不能直接用于制造刀具。所以用于切削刀具的大多數(shù)是聚晶立方氮化硼（PCBN）。

PCBN（聚晶立方氮化硼）是在高溫高壓下將細微的CBN材料通過結(jié)合相（TiC、TiN、Al、Ti等）燒結(jié)在一起的多晶材料，與金剛石有著相似的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，主要用來制成刀具。

PCBN刀具可分為整體PCBN刀片和PCBN復合刀片。整體PCBN刀片通體由PCBN燒結(jié)而成，切削刃多，適合大切削高速切削；PCBN復合刀片，是在強度和韌性較好的硬質(zhì)合金基體上焊接PCBN，可以兼顧較好的韌性和較高的硬度及耐磨性，分為整體焊接PCBN刀片、整體復合PCBN刀片及復合焊接PCBN刀片等。

（2）立方氮化硼刀具的特點

 ①很高的硬度和耐磨性。CBN的晶體結(jié)構(gòu)和金剛石相似，化學鍵也相同，因此具有接近金剛石的硬度和強度，顯微硬度可達8000~9000HV，僅次于金剛石，有效保證了刀具的耐磨性。

②很高的熱穩(wěn)定性。CBN的耐熱性為1300~1500℃，比金剛石的耐熱性（700~800℃）高出幾乎一倍。因此，可以用來高速切削高硬度鋼、鑄鐵以及耐熱合金，刀具的黏結(jié)磨損與擴散磨損小。

③優(yōu)良的導熱性。CBN的熱導率為79.54W（m·K），雖然不如金剛石，但比高速鋼和硬質(zhì)合金的熱導率高得多。并且，隨著切削溫度的升高，熱導率也隨之增加，有利于高速高精度加工。

④優(yōu)良的化學穩(wěn)定性。CBN的化學穩(wěn)定性大，與鐵系材料在1200~1300℃時也不起化學反應(yīng)；并且具有很高的抗氧化能力，因此非常適合用于黑色金屬的高速車削加工。

⑤較低的摩擦系數(shù)。CBN與不同材料的摩擦系數(shù)為0.1~0.3，比硬質(zhì)合金的摩擦系數(shù)（0.4~0.6）小的多。低的摩擦系數(shù)使切削力減小，切削溫度降低，不易產(chǎn)生積屑瘤，有利于降低已加工表面的粗糙度。

（3）立方氮化硼刀具的應(yīng)用

鑒于立方氮化硼刀具材料對于鐵族金屬的化學惰性，因此可廣泛應(yīng)用于黑色金屬的高速切削加工，如淬火硬鋼、高錳鋼、灰鑄鐵、冷硬鑄鐵、合金鑄鐵等難切削加工材料。

另外，立方氮化硼刀具不宜用于低速、沖擊載荷較大的粗加工；同時不適合切削塑性大、硬度低的材料，如軟的鐵系金屬、銅合金、鋁合金等，因為切削這些金屬時會產(chǎn)生嚴重的積屑瘤，使加工表面惡化，刀具耐用度降低。

3、陶瓷刀具的種類、特點和應(yīng)用。

陶瓷刀具具有很高的硬度、耐磨性能及良好的高溫力學性能，與金屬親和力小，不易與金屬產(chǎn)生粘結(jié)現(xiàn)象，因此多用來加工傳統(tǒng)意義上難加工的超硬材料。

（1）陶瓷刀具的種類

現(xiàn)代陶瓷刀具材料種類繁多，多為復合陶瓷，一般常分為氧化鋁基陶瓷刀具、氮化硅基陶瓷刀具、復合氮化硅-氧化鋁基陶瓷刀具。目前最為常見的是氧化鋁基和氮化硅基陶瓷刀具材料。

（2）陶瓷刀具的特點

①硬度高、耐磨性好。陶瓷刀具的硬度不如金剛石和立方氮化硼刀具，但要比硬質(zhì)合金和高速鋼刀具高，可以加工傳統(tǒng)刀具難以加工的高硬材料，適合高速切削和硬切削。

②耐高溫、耐熱性好。陶瓷刀具具有很好的高溫力學性能，氧化鋁基陶瓷刀具的抗氧化性能較好，切削熱即使處于紅熱狀態(tài)也能連續(xù)使用。

③化學穩(wěn)定性好。陶瓷刀具不易與金屬產(chǎn)生粘結(jié)，同時也有較好的耐腐蝕性和化學穩(wěn)定性，可以有效減小刀具的黏結(jié)磨損。

④摩擦系數(shù)低。與金屬之間的親和力小，摩擦系數(shù)低，可有效降低切削力和切削溫度。

（3）陶瓷刀具的應(yīng)用。

陶瓷刀具一般多用來高速精加工和半精加工，適合切削加工各種鑄鐵和鋼材，也可用用來切削銅合金、石墨、工程塑料和復合材料等。

陶瓷刀具材料脆性大，抗彎強度低、抗沖擊韌性差，因此不適于在低速、高沖擊載荷下切削。