在現代機械加工中，刀具材料以硬質合金和高速鋼用得最多，幾乎各占一半。高速鋼的發(fā)明和應用，已有整整一個世紀的歷史，硬質合金則已有半個世紀。但二者均研制出許多新品種，其性能不斷提高，在機械加工中發(fā)揮著重要作用。近年來，隨著數控加工技術的迅猛發(fā)展以及數控機床的普遍使用，要實現高效率、高穩(wěn)定性、長壽命加工。超硬刀具的應用也日漸普及起來，同時引入了許多先進的切削加工概念，如高速切削、硬態(tài)加工、高穩(wěn)定性加工、以車代磨、干式切削等。超硬刀具已成為現代切削加工中不可缺少的重要手段。
　　
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　　超硬刀具主要包括金剛石刀具和立方氮化硼刀具，其中以人造金剛石復合片(PCD)刀具及立方氮化硼復合(PCBN)刀具占主導地位。
　　
　?。?）PCD金屬切削刀具
　　
　　PCD金屬切削刀具可利用PCD材料的高硬度、高耐磨性、高導熱性及低摩擦系數實現有色金屬及耐磨非金屬材料的高精度、高效率、高穩(wěn)定性和高表面光潔度加工。此類刀具從結構上主要可分為焊接式PCD刀具和可轉位式PCD刀片。近年來焊接式PCD刀具中發(fā)展較快的品種是帶標準刀柄的PCD刀具，如帶柄PCD銑刀、PCD鏜刀、PCD鉸刀等，刀柄型式主要為圓柱柄、錐柄和HSK柄。這種刀具(尤其是多齒刀具)的特點是切削刃對刀柄的跳動小(如刃長為30mm的HSK柄PCD銑刀的切削刃跳動僅為0.002mm)，尤其適合于對各種有色金屬零件的成形面、孔、階梯孔等進行大批量高速加工。例如，采用鋁基體刀盤的PCD高速銑刀(六刃，直徑100mm)，最高轉速可達20,000r/min以上，切削速度可達7,000m/min。
　　
　　可轉位式PCD刀片是在硬質合金可轉位刀片上鑲裝一塊PCD刀坯再經刃磨而成，可裝夾在各種數控機床的刀桿、刀夾或刀盤上，用于高可靠性的大批量加工。隨著數控機床、加工中心及自動生產線的日益普及，可轉位式PCD刀片的使用越來越多，其刀具耐用度較硬質合金刀具可提高幾十倍。
　　
　　（2）PCBN金屬切削刀具
　　
　　PCBN金屬切削刀具也可分為焊接式PCBN刀具和可轉位式PCBN刀片兩類。
　　
　　焊接式PCBN刀具是將PCBN刀坯焊接在鋼基體上經刃磨而成，主要有車刀、鏜刀、鉸刀等。PCBN刀具大多用于耐磨黑色金屬的加工，因此其刀尖角不能太小，刀具前角一般為-5°～5°，后角一般為3°～10°，斷續(xù)切削時一般采用負倒棱。
　　
　　轉位結構的PCBN刀片(主要為車刀片和銑刀片)一般是在可轉位硬質合金刀片的一個角上鑲焊一塊PCBN刀坯，經刃磨而成。考慮到刀坯較貴及重磨等原因，一般只做成一個刀尖。隨著焊接工藝質量的提高，其剪切強度可達0.78kg/m2。隨著PCBN刀坯尺寸越做越小，不重磨PCBN刀片的價格也隨之降低。
　　
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　　（1）硬態(tài)加工，以車代磨
　　
　　由于PCBN刀具具有極高的硬度及紅硬性，可使被加工的高硬度零件獲得良好的表面粗糙度，所以采用PCBN刀具車削淬硬鋼可實現“以車代磨 ”。應用實例如汽車、摩托車齒輪孔的加工，此類零件材料一般為20CrMnTi，滲碳淬火，表面硬度為60～62HRC，齒輪孔精度為IT6，表面粗糙度 Ra≤0.8μm。傳統(tǒng)加工工藝為：機加工->熱處理->磨削。采用超硬刀具“以車代磨”的加工工藝為：粗加工->熱處理->精加工。新工藝可大幅度提高加工效率，降低加工成本，原采用磨削工藝一班僅能加工100個小齒輪，現采用PCBN刀具車削(切削參數 V=60～120m/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。
　　
　　（2）高速切削，高穩(wěn)定性加工
　　
　　在汽車發(fā)動機生產線上，灰鑄鐵缸體的缸孔精加工是關鍵工序之一，要求缸孔加工尺寸精度高、表面粗糙度值小、穩(wěn)定性好；由于生產線加工節(jié)拍快，要求切削速度高(通常V≥500m/min)，刀具壽命長(加工孔數≥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。
　　
　?。?）有色金屬的高速、高穩(wěn)定性、低粗糙度加工及鏡面加工
　　
　　采用PCD刀具加工有色金屬時，由于金剛石硬度高，表面與金屬親合力小，且刀具一般拋光成鏡面，不易產生積屑瘤，因此加工尺寸穩(wěn)定性及表面質量都很好，刀具壽命也較長。
　　
　　例如，采用PCD刀具加工電機整流子的紫銅換向器，典型切削參數為：V=300m/min，f=0.08mm/r，ap≤0.15mm，加工表面粗糙度Ra0.1～0.2μm，刀具壽命>5,000件，而采用硬質合金刀具則只能加工幾件。
　　
　　采用PCD刀具加工各種硅鋁合金零件，表面粗糙度Ra≤0.1μm，刀具壽命可達幾千～幾萬件，尤其適合汽車、摩托車零件的大規(guī)模生產。
　　
　　采用單晶金剛石刀具，在超精密車床上可實現鏡面球形加工。機床采用超精密氣體靜壓主軸及回轉工作臺，跳動量≤0.3μm，工件采用高精度氣動卡盤，可實現快速高精度定位。加工無氧銅材料時，表面粗糙度Ra≤0.025μm，圓度≤0.3μm；加工鋁件時，表面粗糙度Ra≤0.025μm。
　　
　?。?）干式切削，清潔化加工
　　
　　采用PCBN刀具加工含硼鑄鐵缸套，切削參數：V=200m/min，f=0.1mm/r，ap=0.2～1mm，加工表面粗糙度 Ra≤1.6μm，精度IT6，兩次刃磨間刀具壽命>100件，可實現“以車代磨”。由于采用干式切削，避免了切(磨)削液及砂輪灰對環(huán)境的污染，切屑也可回收再利用，符合清潔化生產要求。
　　
　　以上所說的刀具價格比較貴一些小型生產廠家由于成本的問題不會去大量購買。
　　
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　　這種添加稀土元素的硬質合金是刀具材料新品種之一。稀土元素是指化學元素周期表中原子序數57～71(從La到Lu)，再加上21和 39(Sc和Y)，共17個元素。將某些稀土元素，以一定方式，微量添加到傳統(tǒng)的硬質合金牌號中，即可有效地提高它們的機械性能與切削性能。我國稀土元素資源豐富，對稀土硬質合金的研究開發(fā)，領先于其他國家。已研制出下列牌號的刀具用稀土硬質合金：YG8R(相當于ISOK30級別)、 YG6R(K20)、YW1R(M10)、YW2R(M20)、YT5R、YT14R(P20)、YT15R(P10)、YS25R(P25)。還有礦山、地質工具牌號YG11CR。在YG8、YT14、YW1硬質合金中添加了Ce、Y等稀土元素后，形成了稀土硬質合金YG8R、YT14R、YW1R。 YG8R主要用于鑄鐵和有色金屬的粗加工；YT14R主要用鋼材的半精加工；YW1R則為通用牌號，可用于各種工件材料的半精加工。
　　
　　經過測試，添加稀土元素后硬質合金的組織比較致密；室溫硬度和高溫硬度有所改善；斷裂韌性和抗彎強度顯著提高，分別提高20%和10%以上。
　　
　　稀土硬質合金的耐磨損和使用壽命試驗
　　
　　通過一些試驗，稀土硬質合金與無稀土元素的原刀片相比，YG8R、YT14R、YW1R刀片的耐磨性和使用壽命均有不同程度的提高。稀土硬質合金與無稀土元素的原刀片相比，在車削花鍵軸鋼件，便刀尖受沖擊，直至刀尖破損為止。經多次重復試驗，在刀尖破損前，YG8R、YT14R、YW1R刀片所能承受的沖擊次數分別比YG8、YT14、YW1刀片提高1～2倍以上等優(yōu)勢。
　　
　　稀土元素存在于(W,Ti)C或(W,Ti,Ta,Nb)C固溶體中，能強化硬質相；并能抑制WC晶粒不均勻長大，使之趨向均勻，平均晶粒尺寸有所減小。少量稀土元素還固溶在粘結相Co中，使粘結相得到強化。稀土元素富集在WC/Co的相界面處及(W,Ti)C/(W,Ti)C等相界面間，常與雜質S、O等化合形成RE2O2S等化合物，改善了界面上潔凈狀況并提高了硬質相與粘結相的潤濕性。由此，稀土硬質合金的沖擊韌性、抗彎強度及工作時的抗沖擊能力明顯得到提高。其硬度、耐磨性及刀具表面上抗擴散和抗氧化的能力亦有一定提高。
　　
　　經過電鏡測試，還發(fā)現稀土硬質合金刀片在切削時表層有富鈷現象，故能降低切屑、工件與刀具間的摩擦系數，從而可以降低切削力。
　　
　　稀土元素在自然界蘊藏豐富，價格不高，添加在硬質合金中可以明顯地提高機械、物理性能和使用性能，故有廣闊的應用前景。