刀具材料的发展与应用

1.高速工具钢刀具材料

当前，尽管各种新型刀具材料不断出现，但高速工具钢仍是很受青睐的刀具材料。

高速工具钢就是在合金钢中加入钨、钼、铬、钒等元素，这样，它的强度就会提高，不会发脆，耐磨性也提高了。高速工具钢在热处理后硬度可达62～66HRC，抗弯强度约3.3GPa，在500～650℃时仍能进行切削，600℃时的硬度仍可达到47～55HRC。由于高速工具钢刀具具有一定的强度和冲击韧性，所以常用来加工一些冲击性较大和形状不规则的工件。这种刀具材料还具有热处理变形小、能锻造、刃口易于刃磨锋利等特点。所以，很多成形刀具和复杂刀具是用高速工具钢材料制造的。

（1）普通性能高速工具钢 普通性能高速工具钢有W18Cr4V（W18）和W6Mo5Cr4V2（M2）等牌号。前者磨削性好，但它是一种高钨钢，其颗粒度粗，韧性也不高，特别是热处理塑性差，难以满足当前刀具制造中轧、扭、搓、挤等热塑性成形的少、无切屑方面的工艺要求；后者虽然热塑性好，但成分中含钼量较多，磨削性差。为此，又研制出了W9Mo3Cr4V（W9）高速工具钢，它兼有W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2的优点，并且，其碳化物颗粒度比W18Cr4V细小均匀，热塑性好，能满足刀具制造中扭、轧、搓制钻头等热塑性成形工艺的要求，有较高的硬度和良好的韧性，可加工性和焊接性都比较优良。

由于高速工具钢刀具材料的主要成分（钨、钼等元素）当前资源并不很丰富，因此研制了各种低合金元素高速工具钢（DH）和含有稀土元素的普通高速工具钢，如W4Mo3Cr4VSi和W14Cr4VMnRE（RE为稀土元素总代号）。实践证明，用它们制作的刀具，其性能不低于W6Mo5Cr4V2和W18Cr4V。

我国是高速工具钢生产和消耗大国，近些年开发了多种牌号的DH，如301、F205和D101等。用DH制造的多种刀具，其主要性能都达到了M2的水平。实践证明，DH性能优良，价格低廉，工艺性能好，有广阔的应用前景。

（2）高性能高速工具钢 凡是热处理后硬度能达到68HRC以上的高速工具钢，均称为超硬高速工具钢，它是一种高性能高速工具钢。

超硬高速工具钢是在普通高速工具钢的基础上添加5%～10%的Co（钴），从而提高了材料的硬度、耐磨性和耐热性，可用于高温合金、不锈钢和高强度钢等难加工材料的切削加工。其中，以W2Mo9Cr4VCo8（M42）含钴高速工具钢的应用最为广泛，其硬度可达68～70HRC，600℃时的硬度为55HRC；但因其含钴最高，所以价格较贵。

目前，常用无钴或低钴超硬高速工具钢有W10Mo4Cr4V3Al（5F-6）、W6Mo5Cr4V2Al（501）和W12Mo3Cr4V3Co5Si等。这种刀具材料的耐热性和耐磨性比较高，热处理后的硬度可达67～69HRC，韧性和强度均较好，价格则远比含钴高的高速工具钢要低。实践证明，其性能与M42相当，刀具使用寿命比W18Cr4V长2～3倍，但它的热处理工艺要求较严，磨削性能差。

CW9Mo3Cr4VN（C9341）也是一种无钴超硬型高速工具钢，具有良好的磨削性，是在W9Mo3Cr4V牌号的基础上进一步提高碳的质量分数（w_C=0.9%～1.0%）并加入微量氮（w_N=0.04%～0.08%）而制成的（可提高淬火回火硬度1.5～2.0HRC），其经热处理后的硬度可达66.5～67HRC，600℃时的高温硬度仍很高，并仍具有W9Mo3Cr4V钢的良好磨削性。虽然它在使用中有崩刃的情况，但基本上能适应难加工材料的要求。

目前，高性能超硬高速工具钢尚处于发展阶段，如它的韧性问题还没有得到完满解决，但是，硬度和韧性从来就是一对矛盾，所以超硬高速工具钢不必单纯追求超硬度，因为刀具使用寿命不完全是以硬度为衡量标志的，刀具硬度高不一定寿命长。

为了提高高速工具钢刀具的硬度、耐磨性和热硬性，某厂采用了盐浴软氮化方法对刀具进行处理，收到了好的效果，其情况如下：

1）盐浴配方（质量分数）。尿素：30%；碳酸钠：25%；氯化钾：25%；氢氧化钾：20%。

2）工艺规范。温度：（540±10）℃；时间：25～35min（根据刀具形状而定）；冷却介质：油。

图1-88 高速钢刀具磁化装置

（3）高速工具钢刀具材料的磁化处理 用磁化装置对高速工具钢刀具进行磁化（图1-88），刀具上的剩磁便会形成一个磁场，使用这样的刀具进行带磁切削，可有效降低切削力，延长刀具使用寿命，提高生产率和产品质量。

刀具上的剩磁与磁场强度、刀具材料的磁化特性及磁化时间有关。虽然磁化刀具的剩磁会随着时间的推移逐渐变弱，但刀具经磁化后48h内剩磁的退磁不影响其正常使用。普通高速工具钢刀具在切削时，其切削区的温度一般为300～500℃，在切削过程中，刀具剩磁不会因温度的升高而消失。

将新刃磨的刀具置于磁化装置中时，应使刀具切削部分磁化为N极，并根据刀具材料及切削用量等因素设置磁化装置的输出参数和磁化时间，接通电源，在预先设置的规定时间内进行磁化。一次磁化有效时间为48h。磁化的刀具不管用与不用，48h后均需重新磁化。

加工时，经磁化刀具上的剩磁所形成的磁场作用于工件切削区。由于刀具与工件之间存在相对运动，所以对被切削金属层来说，这个磁场是随时间变化的，相当于在一个交变磁场内作幅度不大的回转振动，此微振使得切屑在刀具前刀面上滞留困难，不能形成粘结而排屑流畅。所以，用磁化刀具进行切削时，切屑变形及切削力有明显的降低。

刀具经磁化后硬度升高，耐磨性也得到改善，由于磁场的作用，切削力减小、切削温度降低，从而可延长刀具寿命。由于带磁切削时切削力减小，工艺系统的变形减轻，切削过程中磁畴的转动使得切屑在车刀前刀面滞留困难，从而破坏了积屑瘤和鳞刺的形成，使加工表面的表面粗糙度值明显减小。

2.硬质合金刀具材料

（1）硬质合金分类 硬质合金是由碳化钨（WC）、碳化钛（TiC）和钴（Co）等粉末经高压成形，再放在高温炉中烧结而成的（硬质合金多做成刀片形状或根据要求做成其他形状）。硬质合金很硬（70～75HRC），而且能耐850～1000℃的高温。使用硬质合金车刀可比高速工具钢车刀的切削速度提高5～10倍，从而大大提高生产率。但是，硬质合金和高速工具钢相比显得太脆，其强度只相当于高速工具钢的1/3左右，不容易制成刃形复杂的刀具。

国家标准（GB/T 2075—2007）将切削加工用硬质合金按其加工范围进行了分类。主要切削类别分P、M和K三类，其中，P类适合切削加工长切屑钢铁材料，以蓝色作标志；M类适合切削加工长切屑或短切屑的钢铁材料和非铁金属，以黄色作标志；K类适合切削加工短切屑的钢铁材料、非铁金属和非金属材料，以红色作标志。

1）钨钴类硬质合金（代号为YG，属K类）。YG类硬质合金由碳化钨和钴组成。硬质合金中含钴量越高，韧性越好，越能承受冲击，并且耐磨性越好，但钴的增加会使硬度和耐热性下降。用它来车削铸铁材料工件是比较合适的，因为铸铁工件的切屑是崩碎成小颗粒落下的，对切削刃的冲击很大。用K类硬质合金车削韧性大的普通钢材或不锈钢材料时，将产生带状或节状切屑，其变形是很大的，切削时刀尖处会产生很高的温度。钨钴类硬质合金在约640℃时就会和钢熔结在一起，使车刀前刀面很快地磨出一个“月牙”形状的小坑，车刀容易磨损或崩刃，所以用钨钴类硬质合金车削钢材是不太合适的。但对于一些难加工钢材，或在切削时振动较大的特殊情况下，也可以使用钨钴类硬质合金车刀。

2）钨钛钴类硬质合金（代号为YT，属P类）。在这类硬质合金中碳化钛的含量越高，钴的含量就越低，其硬度、耐磨性和耐热性将越高，但抗弯强度和导热性，特别是冲击韧性会明显下降。

由于钨钛钴类硬质合金中加了碳化钛，耐热性和耐磨性增加了，车刀前刀面和切屑接触时不容易磨损，所以这种硬质合金适合切削钢材。但钨钴钛类硬质合金的脆性比钨钴类硬质合金大，抗弯强度也降低了，所以如果用它加工铸铁等脆性材料，则容易使切削刃崩碎。

3）钨钛钽（铌）钴类硬质合金（代号为YW，属M类）。这类硬质合金是在钨钛钴类硬质合金中加入碳化钽（TaC）或碳化铌（NbC）而组成的。加了碳化钽或碳化铌后，提高了合金的耐磨性、高温硬度和抗弯强度，其韧性好，而且晶粒细化，抗氧化性能也比较好。它比YG类硬质合金的耐热性好，所以综合性能好，既能加工钢类的塑性材料，又能加工铸铁类的脆性材料，因此称其为多用途硬质合金。YW类硬质合金主要用于加工难切削的金属，如耐热钢、奥氏体锰钢、不锈钢、可锻铸铁、球墨铸铁和合金铸铁等。

钨钴类硬质合金的常用牌号为YA6，它可以用于冷硬铸铁、非铁金属及其合金的半精加工，也可用于对奥氏体锰钢、淬火钢等进行半精加工和精加工。

钨钛钽钴类硬质合金的常用牌号有YW1、YW2，主要用于加工高温合金、奥氏体锰钢、不锈钢及可锻铸铁、球墨铸铁和合金铸铁等难加工材料。其中，YW1用于半精加工和精加工，YW2用于半精加工和粗加工。

切削用硬质合金分类和牌号见表1-11。

表1-11 切削用硬质合金分类和牌号

（2）硬质合金刀具材料的选用

1）用于切削普通钢材的硬质合金。粗加工钢材时，宜使用含钴多而含碳化钛少的硬质合金，如YT5合金；半精加工和精加工用YT15合金；精加工连续切削时用YT30合金，YT14合金可用于半精加工或冲击负荷不大的粗加工。YC35用于强力切削，YC45用于重力切削，这两种合金的硬度在90.5HRA以上，抗弯强度大于1800N/mm²。因此，其用于粗加工时不仅有足够的韧性，而且有良好的耐磨性，切削效率比YT5合金高50%～100%，刀具寿命可延长3～5倍。

2）用于切削铸铁和非铁金属的硬质合金。普通铸铁和非铁金属的切削加工主要采用YG类硬质合金。其中，粗加工时用含钴量高的YG8合金，半精加工或精加工时用YG6合金，精加工时用YG3合金。但随着铸铁材料的不断发展，如硼铸铁、钒钛铸铁、高铬合金铸铁和高镍合金铸铁等的出现，其硬度和强度都比一般铸铁高很多，刚性和耐磨性也很好，所以切削难度也比普通铸铁大。这时，可使用细颗粒的YG3X、YG6X、YG6A和加入NbC的YG8N。这几种合金的使用性能优于YG6和YG8合金刀片。为了适应这些材料的切削加工，改善切削条件，提高加工效率，可使用具有极好耐磨性、热硬性和足够强度的YM053、YM052、YD15和YS2等新牌号硬质合金，这些硬质合金在切削过程中能获得更理想的效果。

3.陶瓷刀具材料

（1）陶瓷刀具的使用 陶瓷刀具（图1-89）材料已成为继高速工具钢和硬质合金之后应用最多的刀具材料。

图1-89 常用陶瓷刀片

陶瓷刀具材料分氧化铝矿物陶瓷和金属陶瓷两种。氧化铝矿物陶瓷刀具由于抗弯强度低（只为硬质合金的1/4～1/3，为高速工具钢的1/8～1/6）、韧性差，切削中刀具切削刃容易碎裂，所以在使用和推广中受到了限制。

金属陶瓷刀具是以氧化铝（Al₂O₃）或氮化硅（Si₂N₄）为基体，添加少量镍、铁、铬、钼、钛、钨、钴等金属，在高温下烧结而成的，常温下硬度可达91～95HRA。虽然这种刀具材料的硬度与硬质合金相近，但它具有较低的亲和性、良好的摩擦性及较好的耐磨性，因此能以比硬质合金更高的切削速度（比硬质合金刀具高2～10倍）进行钢类工件的精车或半精车，还可用来切削不锈钢之类的难加工材料。此外，金属陶瓷刀具的耐高温性能好，在1200～1500℃的高温下仍能进行切削，其摩擦因数低，不易使切屑粘附在刀具上，故不易产生积屑瘤，有利于保证工件的表面质量，并可以减少切削过程中的粘结磨损。但是，金属陶瓷刀具材料在一定程度上仍然有着脆性大、抗弯强度低、冲击韧性差和易崩刃等缺点。

由于陶瓷刀具材料具有优异的物理、化学性能和力学性能，所以其对车削冷硬铸铁、高合金耐磨铸铁、高铬铸铁、淬火钢、奥氏体锰钢、高强度钢、热喷焊镀层等高硬度材料都有特殊功能。

保证陶瓷刀具正常切削的关键在于对其的合理使用，所以根据加工要求合理地选择车刀角度和切削用量对于工件车削质量和加工效率都起着决定性的作用。陶瓷刀片具有硬度高、耐磨和耐热性高等优点，但其性脆，在选择切削用量时，一般取较高的切削速度、大的背吃刀量和小的进给量。表1-12中列举了使用陶瓷车刀车削耐磨白口铸铁、硬镍和高硬度合金结构钢时的切削用量，在车削同类材料或其他高硬度材料时可作为参考。

表1-12 陶瓷车刀切削用量

（2）晶须增韧陶瓷刀具 前面讲到，陶瓷刀具材料具有脆性大、冲击韧性差、使用中易崩刃等缺点，使陶瓷刀具的推广使用受到了限制。因此，陶瓷刀具材料能否像高速工具钢和硬质合金那样得到大量应用，关键在于不断改善和提高其韧性或抗弯强度。

改善陶瓷刀具材料的韧性大致有三种方法：相变增韧、弥散强化和晶须增韧。前两种方法为一般的传统方法，晶须增韧方法则是20世纪80年代末至90年代初发展起来的新技术。

目前，晶须增韧陶瓷刀具主要是以Al₂O₃（或其他氧化物）或Si₃N₄（或其他氮化物）为基体，加入一定量的SiC_w晶须粉末，形成两类晶须增韧陶瓷刀具材料，即Al₂O₃基和Si₃C₄基晶须增韧陶瓷刀具材料。当以Al₂O₃或Si₃N₄为基体材料加入SiC_w时，其刀具材料的韧性和强度都有所提高，特别是断裂韧度一般可比同类基体材料提高20%～30%，有的甚至提高一倍多，而韧性的提高可使陶瓷刀具由半精加工、精加工过渡到粗加工，由车削加工扩展到铣削、镗削加工和刨削、钻削加工。随着时间和技术发展的需要，将会有更多更先进的陶瓷刀具材料出现。

4.涂层刀具材料

涂层刀具是在硬质合金基体或高速工具钢刀具表面上涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属（或非金属）化合物，它有效地解决了长期以来刀具材料硬度和耐磨性越高、其强度及韧性越低的矛盾。

通常，涂层硬质合金刀片的切削速度可提高25%～70%，涂层高速工具钢刀具的寿命可延长5倍甚至10倍。目前，切削加工中使用的各种刀具都可采用涂层工艺来提高其使用性能。

目前生产上常用的涂层方法有两种，一种是物理气相沉积法（PVD），一种是化学气相沉积法（CVD）。前者的沉积温度为500℃，涂层厚度为2～5μm；后者的沉积温度为900～1100℃，并且设备简单，涂层均匀。高速工具钢刀具一般采用PVD法，硬质合金一般采用CVD法。

用CVD涂层时，切削刃须预先进行钝化处理（钝圆半径一般为0.02～0.08mm，切削刃强度随钝圆半径的增大而提高），故其刃口没有未涂层刀片锋利。PVD法适合涂覆要求切削刃锋利的刀具。涂层除可涂覆在普通切削刀片上外，还可涂覆在整体刀具上，目前已发展到涂覆在钎焊的硬质合金刀具上。

（1）高速工具钢涂层刀具材料 高速工具钢涂层刀具是在高速工具钢刀具表面上，采用物理气相沉积法沉积2～5μm厚的涂层材料，其硬度可达2000HV（超硬型高性能高速工具钢的硬度仅为900～1000HV），具有很高的耐磨性。切削过程中能减小刀具摩擦因数，因而能降低切削力，改善工件加工表面的质量，显著地延长刀具的使用寿命，提高切削效率，适用于难加工材料的切削。

物理气相沉积法（PVD）是在高真空室中，将涂层材料（如TiN）等活性金属熔融蒸发，使之与CH₄或N₂在辉光（或弧光）放电场中进行离子化学反应，然后沉积到基体表面形成膜层的方法。PVD法目前已发展为真空蒸发沉积、真空溅射沉积和离子镀三种方式。由于离子镀可获得高的结合强度，所以高速工具钢刀具多采用离子镀法（离子镀法按离化金属原子的方式不同，可以分为辉光型和弧光型）。

高速工具钢刀具涂层材料有TiC和TiN。TiC（碳化钛）为铁灰色，其显微硬度高，但和基体的粘结强度不如TiN；TiN（氮化钛）为金黄色，其摩擦因数小，化学稳定性强，不容易扩散。目前，90%的涂层为TiN。

影响涂层质量的因素很多，除涂覆参数（真空度、电弧电流和涂镀温度）外，刀具涂前状态的影响也很大，如表面粗糙度、毛刺、油污、锈斑、磨削退火层和水分等。因此，刀具的涂前检查、清洗非常重要。(www.xing528.com)

在确定高速工具钢TiN涂层刀具的切削用量时，可采用增加进给量来提高切削效率的方法。这是由于进给量的增加对高速工具钢TiN涂层刀具寿命的影响不大，所以在工艺条件允许的前提下，应首先考虑增加进给量，再考虑提高切削速度。通常，高速工具钢TiN涂层刀具的进给量可增加10%～100%，其切削速度可提高20%～30%。

用高速工具钢涂层刀具进行切削时，若遇到断续切削与重力切削，要注意防止涂层剥落，这时可视具体情况选用合适的涂层刀具。例如，离子镀TiN高速工具钢刀具主要用作车削刀具，在产生融合磨损的场合，使用TiN涂层较好，因为TiN的润滑性好；而在重负荷切削和断续切削时，使用TiC涂层较为合适。

（2）硬质合金涂层刀具材料 该类刀具材料是选用一些韧性好的硬质合金做基体，用化学沉积法（CVD），将超硬涂层材料涂覆到刀片表面上的一种新型刀具材料。其目的是使硬质合金既有好的韧性，又有高的耐磨性，从而解决了硬质合金韧性与耐磨性不相匹配的矛盾。

硬质合金涂层材料主要采用Al₂O₃、TiC、TiN和TiCN（氮碳化钛）等，并且已从早期的单涂层发展到现在的双涂层、三涂层及多涂层。

表1-13所列为硬质合金涂层的形式及材料。其中，TiC涂层适用于中速半粗加工；TiC-TiN-Al₂O₃等涂层适用于产生热量的高速精加工；TiN-TiC-TiN涂层则适用于精密加工。

表1-13 硬质合金涂层的形式及材料

几种常用国产硬质合金涂层刀片的性质见表1-14。其中，CN15涂层刀片可用于钢材的高速连续精加工，CN25用于钢材的半精车和精车，CN35用于钢材的半精加工与连续粗加工，CN16主要用于铸铁与非铁金属的精加工。另外，还应在使用过程中掌握和了解涂层的厚度情况。车削加工中，在对热磨损影响较大的切削速度区，涂层越厚、刀具寿命越长。试验表明，Al₂O₃涂层的厚度对TiC-Al₂O₃涂层刀具的耐后刀面磨损起着重要作用，当Al₂O₃涂层的厚度大于3μm时，可得到较好的耐磨性。

表1-14 国产硬质合金涂层刀片的性质

为了提高工作效率，实际使用涂层硬质合金刀具时，可优先采用将切削速度提高30%～50%的方法。

下面举例说明硬质合金涂层刀具的使用情况。某厂在中型卧式车床上半精车调质热处理的40Cr钢件（硬度为336～390HBW，R_m≥980MPa，A=9%）外圆时，先使用YW3硬质合金刀具，后来改用硬质合金Al₂O₃涂层刀具（基体材料为YW3），在进给量、背吃刀量及刀具角度相同而切削速度不同的情况下，两种刀具后刀面磨损和刀具寿命大不相同，对比情况见表1-15。

表1-15 YW3合金刀片和Al₂O₃涂层刀具使用情况对比

注：刀具为45°机械夹固式外圆车刀，刀片型号为41605G；刀具几何参数为γ_o=14°，α_o=6°，κ_r=45°，λ_s=-6°。

实践表明，在相同的切削条件下，当车刀后刀面磨损为0.3mm时，硬质合金涂层刀片的寿命是YW3硬质合金刀片寿命的4.5～6倍，并且切屑不易粘刀，无积屑瘤，加工表面质量得到了改善。

涂层刀具的出现为刀具材料的改进和提高开辟了一条新的道路，涂层技术的发展已从当初单一的TiC、TiN涂层，经历了TiC、TiN、Al₂O₃复合涂层和TiCN、TiAlN等多元复合涂层的发展阶段，使涂层的性能有了重大改进，使用范围也不断扩大。目前，涂层刀具已由原来的高速工具钢、硬质合金扩展到氮化硅陶瓷及涂层焊接式硬质合金刀具，并且出现了金刚石涂层的硬质合金刀具，这种刀具既有硬质合金的性质，又有金刚石的耐磨性，是两者的极佳结合。

5.金刚石刀具材料

（1）金刚石刀具材料的特性 金刚石是目前已知的最硬物质（约为硬质合金硬度的6倍），并有极高的耐磨性。做成刀具后，其切削刃非常锋利，抗粘结性好，切削时不易产生积屑瘤，因此加工质量很高。

金刚石刀具的最大缺点是热稳定性差，切削温度不宜超过700～800℃，并且强度低、脆性大，对冲击振动敏感，同时与铁有强烈的化学亲和力。所以，金刚石刀具不适合加工普通钢材，用它切削镍基合金时也会迅速磨损，也不推荐用金刚石刀具加工高熔点金属。它最适合加工铍青铜、磷青铜等非铁金属合金耐磨材料和超耐磨石墨，以及玻璃、陶瓷、高硅铝合金热喷涂材料、高强度钢及硬质合金等难切削材料。其在加工非铁金属和高耐磨非金属材料时能采用高的切削速度，加工铜合金和铝合金时，切削速度可达400m/min以上，表面粗糙度可低于Ra0.1μm，刀具寿命可达几百小时。由于天然金刚石的价格昂贵，所以生产中大多采用聚晶人造金刚石（PCD）。

目前生产的PCD刀片大多是以含钴量高的YG类硬质合金为基体的聚晶金刚石复合刀片，这种刀片的工作表面既具有金刚石的高硬度和高耐磨性，其基体又具有YG类硬质合金的较好拉弯强度，能承受冲击载荷，进行断续车削。聚晶金刚石刀具的切削用量见表1-16。

表1-16 聚晶金刚石刀具的切削用量推荐值

图1-90 45°聚晶金刚石外圆车刀

（2）PCD金刚石车刀及其使用 图1-90所示为45°聚晶金刚石外圆车刀，其主偏角为45°，它具有加强结构的刀柄，前角为0°，后角为5°～7°，刀尖处有0.5～0.7mm宽的修光刃，与主切削刃和副切削刃连接处为R₁=R₂=0.1～0.2mm的小圆弧。它不但可以用于精加工，而且可在断续切削时使用。其精车表面粗糙度值可达Ra1.6～0.8μm。

图1-91所示为主偏角为90°的聚晶金刚石外圆车刀，其前角为0°，后角为5°～7°，主切削刃和副切削刃交接处有0.75mm的过渡刃和R0.5mm的圆弧，用于精加工和有台阶且需清根的工件。

图1-92所示是聚晶金刚石车孔刀刀体部分，使用时，将其插入大刀柄的方孔内。为增强刀体部分的刚性，其材料为高速工具钢，刀尖部分由0.5～0.7mm的修光刃和两个小圆弧组成，前角为3°～5°、后角为8°～10°。使用时将刀体夹固在刀柄上。其精车表面粗糙度值可达Ra0.8～0.4μm。PCD金刚石车刀与硬质合金车刀使用对比情况见表1-17。

图1-91 90°聚晶金刚石外圆车刀

图1-92 聚晶金刚石车孔刀刃体

表1-17 PCD金刚石车刀与硬质合金车刀使用对比

表1-18中所列为加工夹铜箔环氧树脂玻璃钢材料时，两种车刀的切削情况。使用一般硬质合金刀具易磨损，而用PCD金刚石车刀加工时，车床转速可提高到1400r/min，切削总行程达65000m，且刀尖未出现任何磨损，加工表面质量也很理想。

表1-18 两种车刀加工玻璃钢材料的情况

表1-19中所列是加工渗树脂耐磨石墨材料时，两种车刀的切削情况。

表1-19 两种车刀加工耐磨石墨材料的情况

金刚石刀片在刀体上固定时，同样可以采用前面介绍过的焊接法、粘结法和机械夹固法。粘结时可采用无机粘结法，这时，可按每4～4.5g氧化铜粉加入1mL磷酸铝溶液的比例，将其置于中间稍凹的调胶铜板或铝板上，用竹签反复调和均匀，使胶体成稀糊状，然后将刀片位置放正进行粘结。粘结后将其放入烘箱内或酒精灯上烘烤，待胶层凝固后即可使用。

6.立方氮化硼刀具材料

除了金刚石，目前使用的最硬的刀具材料为立方氮化硼（CBN）。它的显著特点是可用于加工硬材料（如工具钢、渗碳硬化钢、淬硬钢、冷硬铸铁、高温合金和硬质合金等），而不宜用于加工软性非铁金属（金刚石刀具适合超高速切削软性非铁金属材料），以及软钢、铬镍铁合金、镍铬钛合金和奥氏体不锈钢等。该刀具材料的热稳定性好（金刚石刀具的热稳定性差），在1200～1350℃的高温下仍可保持硬度不变，所以可用于高速高效加工。

作为切削用的立方氮化硼CBN，大多使用聚晶立方氮化硼PCBN复合刀片，将其焊接于刀柄上。PCBN是在强度和韧性较好的硬质合金上烧结或压制一层0.5～1.0mm厚的立方氮化硼，这种复合刀片既是工作表面硬度高、耐磨性好的超硬材料，又有较好的抗弯强度。

图1-93所示为机械夹固式立方氮化硼车刀，其切削速度v_c=100～160m/min，背吃刀量a_p=0.2～0.5mm，进给量f=0.1～0.2mm/r。该刀具的前角均由刀体的制造工艺所保证，切削刃口磨损后将刀片转过一个角度即可继续进行车削。

图1-93 机械夹固式立方氮化硼车刀

a）形式Ⅰ b）形式Ⅱ

某厂在CA6140型卧式车床上加工如图1-94所示的淬硬模具钢工件时，使用立方氮化硼车刀取得了良好效果。其刀具几何角度为：外圆车刀，κ_r=90°，κ′_r=5°，α_o=8°，γ_o=-5°，刀尖半径r=0.5mm；车孔刀，κ_r=45°，κ′_r=5°，α_o=8°，γ_o=0°，刀尖半径r=0.05mm。

由于立方氮化硼刀具有很高的热硬性和耐磨性，所以其切削速度不能过低，一般可取80～120m/min，这样，切削时刀尖部分与工件的摩擦力小，切屑处于软化状态。加工如图1-94所示的工件时，选择的切削用量为v_c=90m/min，a_p=0.15mm，f=0.08mm/r。

使用PCBN刀具时应注意以下事项。

1）使用前应检查刀具刃口，装刀具时要小心，不要人为地撞击刀尖，以免崩刃。因刀片上立方氮化硼的厚度仅有0.5～1mm，所以磨刀时不能磨出负前角。因此，装刀时应人为地将刀柄后端垫高，使刀尖有2°～4°的负前角，以提高切削刃的强度。

图1-94 淬硬模具钢工件

2）切削中一般不需要加切削液，因为切削中进给量和背吃刀量都很小，工件发热很微弱。如必须加切削液，则应保证整个刀具在有充分冷却的状态下进行切削。

3）切削过程中，车床不应有振动和不正常的摩擦噪声，排出的切屑应呈翠蓝色的卷屑，不应有火星飞溅。当排出的铁屑完全是红色或接近熔化状态时，应重磨切削刃。如车刀磨损情况轻微，可用金刚石整形锉修磨刃口，然后用金刚石磨石将其研磨锋利。