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加工PCD刀具/PCBN刀具/钻石/工业陶瓷的陶瓷金刚石砂轮

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立方氮化硼刀具的种类与使用

2011.01.14  河南恒远超硬材料有限公司 www.kosuperhard.com  浏览次数:
立方氮化硼刀具过去主要用于精加工,近十几年来通过改进生产工艺,控制原料纯度和晶粒尺寸,采用复合材料和热压工艺等,其脆性有了重大改进,韧性提高,使用可靠性大大改善,已可作为常规刀具在生产中应用,对提高工效、保证产品质量起重要作用。关于立方氮化硼,刀具,CBN,PCBN刀具的信息

立方氮化硼刀具的种类与使用

立方氮化硼刀具过去主要用于精加工,近十几年来通过改进生产工艺,控制原料纯度和晶粒尺寸,采用复合材料和热压工艺等,其脆性有了重大改进,韧性提高,使用可靠性大大改善,已可作为常规刀具在生产中应用,对提高工效、保证产品质量起重要作用。

立方氮化硼刀具材料的性能特点

立方氮化硼刀具是指用立方氮化硼(CBN)做成切削部分的刀具。立方氮化硼(CBN)是氮化硼BN的同素异构体之一,结构与金刚石相似,是用超高温超高压技术人工合成的超硬材料。其硬度仅次于金刚石(显微硬度可达8000~9000HV),且热稳定性高(达1250~1350℃),对铁族元素化学惰性大,抗黏结能力强,用金刚石砂轮即可磨削开刃,故适于加工35HRC以上的硬质材料,如各种淬硬钢(碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、轴承钢、模具钢等)、冷硬铸铁、钴基和镍基高温合金、硬质合金、表面喷涂(焊)材料等高硬及耐磨材料,也可用于钛合金、纯镍、纯钨及其它材料的加工。它是以车、铣代替磨削的最佳刀具之一。用立方氮化硼刀具加工淬硬钢的表面粗糙度为Ra1.60.4μm,精度可达IT7IT6。

上海通用汽车公司在一条发动机柔性生产线上,用山高刀具(上海)公司生产的立方氮化硼CBN300刀片面铣刀铣削发动机缸体平面(铸件),切削速度高达1600m/min,进给速度为5000mm/min。

立方氮化硼刀具也有使用上的局限,如其脆性较大,强度和韧性较差,不适用于冲击负荷下的间断表面加工。此外,用它加工软的铁族元素材料时,因易于产生长切屑,擦伤刀具前刀面并形成积屑瘤,会导致切削力的波动而损坏刀具。

为了提高氮化硼刀具的抗冲击性能,目前已研制出以类石墨的六方氮化硼(g-BN或h-BN)为原料,用爆炸法合成出的一种新型WBN材料(WBN是属铅锌矿结构的BN)。它具有很高的韧性和烧结活性,极易转变为CBN,并易于和CBN共同烧结成强度和硬度接近CBN水准的聚晶体。

WBN及CBN的两相烧结体是用WBN的韧性去弥补CBN的脆性,其抗冲击强度较单纯的CBN烧结体提高60%,断裂韧度提高2.53倍,抗挠曲强度提高1倍左右,抗压强度与硬质合金相当,热稳定性为1100~1200℃。可用来加工间断表面的工件,例如齿轮的齿面、堆焊表面或有沟槽的工件。

目前,WBN及CBN的两相烧结体刀具已在美国、日本和俄罗斯等国家的汽车行业中广泛应用,如用於加工连杆、挺柱体、汽缸套、刹车制动轮、曲轴、飞轮、各种泵壳类零件的车、镗和铣削等工序中。

1.立方氮化硼刀具的种类

目前生产上常用的立方氮化硼刀具有三种:整体聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具、聚晶立方氮化硼和硬质合金的复合刀片(PCBN/CC)和电镀立方氮化硼刀具。其中,前两类刀具使用最多。

PCBN是在高温、高压下,将许多CBN单晶粉聚晶成的多晶体材料,是CBN单晶粉的烧结体。PCBN/CC是在强度和韧性较好的硬质合金基体上,烧结或压制一层0.5~1mm厚的PCBN而成的一种复合刀片,它解决了立方氮化硼刀片的抗弯强度低和镶焊困难等问题。PCBN/CC可用焊或机夹方式制作刀具。例如美国GE(通用电器)公司生产的BZN刀片、俄罗斯的Toma-10刀片、日本住友电工公司的BN刀片,以及我国生产的LDP-J-CF、DLS-F、LF和LBN-Y型等系列刀片均为PCBN复合刀片。

电镀立方氮化硼刀具是用电镀埋砂的方法,以金属镍、铜和钴等作结合剂,把CBN的细小颗粒包镶在一定尺寸和几何形状的刀具基体表面上,再经过适当修磨制成。郑州磨料磨具磨削研究所生产的电镀立方氮化硼铰刀即属此类刀具。

正确选用刀片的品种与牌号

不同品种的PCBN刀具,由于其组成成份不同,切削性能有很大差异,选用时须加以注意。目前PCBN刀具不像硬质合金那样在国际上有统一的分类,各生产厂都有各自的品种与牌号,使用时须参照厂家产品样本选择。

PCBN的性能与CBN的粒度、含量及结合剂的种类有关,按其组织大致可分为两大类:一类是不加结合剂由CBN晶粒直接烧结而成,CBN含量多(70%以上),硬度高,适用於耐热合金、铸铁和铁系烧结金属的切削加工;另一类是以CBN晶粒为主体,通过陶瓷结合剂(主要有TiN、TiC、TiCN、AlN、Al2O3等)烧结而成,这类PCBN中CBN含量少(70%以下),硬度低,适用於淬硬钢的连续切削加工。

而对于淬硬钢的高速断续切削加工,可选用国外新开发出来的PCBN新品种Sumiboron BNX25,它具有高的抗月牙洼磨损能力,在高速断续切削时对断裂和折断引起的刀具失效有很高的抵抗能力。用BNX25加工淬硬钢时推荐的切削条件是切削速度为120~200m/min,进给量为0.15~0.3mm/r和背吃刀量为0.2~0.5mm。

CBN的晶粒尺寸大致分为三类:粗晶粒(晶粒的平均尺寸为20~50μm)、中晶粒(10~20μm)和细晶粒(2~10μm)。晶粒尺寸越大,耐磨性越好,刀具寿命越高,但刃口品质差,难以制成高精度刀具。相反,细晶粒刀具,切削刃的刃口品质好,加工表面品质好。因而目前聚晶的晶粒不断细化,并已有1μm、甚至有0.5μm以下的细晶,需根据粗、精加工等不同工序要求,选用不同大小的晶粒。

2.选用合理的刀具几何参数

由于立方氮化硼材料的脆性较大,强度较低,故刀具前角通常取γ0=0°~-5°,后角α0=6°~15°。为了提高刀刃强度,刃口上须磨出负倒棱,倒棱宽度可取br1=0.1~0.3mm,倒棱前角γ0=-6°~-20°;刀尖需适当修圆,修圆半径rε=0.2~0.8mm。但刀尖修圆半径和负倒棱越大,会使切削力增大,发生颤振的机会也增多。因此当机床-夹具-刀具-工件的系统刚性不足时,尤其是在加工细长工件时,不宜采用过大的刀尖半径和负倒棱。

用立方氮化硼可转位面铣刀铣削45HRC以上的钢及铸件时,背前角和侧前角的组合常采用双负前角型结构,一般为-5°~-7°,主偏角为45°~75°,负倒棱尺寸为br1×γ01=0.2mm×-20°,切削刃钝圆半径rn=0.05~0.13mm。

3.选取合适的切削用量

立方氮化硼刀具主要用于精加工和半精加工,因此背吃刀量一般较小,通常在2mm以下;进给量为0.05~0.4mm/r。但由于刀具上作有负倒棱,因此进给量选择时必须大于负倒棱的宽度值。

此外,用立方氮化硼刀具切削淬硬钢及冷硬铸铁等高硬度材料时,当切削速度高于一定数值后,切削速度与刀具寿命之间的关系不再符合泰勒公式,即随切削速度的提高,此时刀具寿命不但不会降低,反而会有所增加。

这是因为,随切削速度的提高和切削温度上升,被切削层金属软化,硬度降低,而立方氮化硼刀具由于热稳定性较高而并不软化,致使刀具与工件二者的硬度差加大,刀具磨损减慢,使切削加工更易于进行,这一特性称为金属软化效应。只有当切削温度超过刀具耐热温度后,刀具寿命才会降低。

因此,在用不同牌号的立方氮化硼刀具切削不同的工件材料时,都有一个最佳切削速度范围,使用时必须注意。例如,用DLS-F刀具切削高速钢(62~64HRC)时的最佳切削速度以60~70m/min为宜。

由于有金属软化效应,所以立方氮化硼刀具最适用于硬态材料的高速切削、干式切削等先进切削加工工艺,如加工60HRC以上硬度的工件,其寿命要高出硬质合金刀具10倍以上。

4.防止水解作用的方法

尽管立方氮化硼刀具能承受1300~1400℃的切削温度,但应注意,CBN在高温(1000℃左右)下,会同水蒸气及空气中的氧起反应,生成氨和硼酸(BN+3H2O→H3BO3+ NH3),这种化学反应称为水解作用,会加速刀具的磨损。因此在湿式切削时,忌用水溶液作切削液,须用带极压添加剂的水溶液或极压切削油以减弱水解作用。

还应指出,由于CBN刀具的热稳定性高,切削液对刀具寿命和加工表面粗糙度的影响不大,加之高速切削硬质材料时金属有软化效应,所以有条件时可采用高速干式切削,并且干式切削还有利于环境保护和操作工人健康,降低生产成本。

5.选用合适的机床设备

使用立方氮化硼刀具的机床必须刚度高、功率大、转速高,才能充分发挥它的性能,取得良好经济效益。此外,机床精度也要好,装夹工件的夹具和夹紧装置,必须可靠性强,以免加工时产生振动,使刀具破损。

必须指出,目前生产中不少机床设备还不能满足立方氮化硼刀具的加工要求,所以立方氮化硼刀具的潜力未能得到充分发挥,今后随着数控机床(NC)和加工中心(MC)等高效设备应用的增多,必将进一步推动立方氮化硼刀具的使用。

6.刀具使用前的刃磨与检验

立方氮化硼刀具使用前,需将前、后刀面进行研磨,以减小切削过程中的摩擦,同时也可提高切削刃的直线度,防止刀具的非正常磨损。另外,在使用前要用50倍以上的放大镜检查切削刃的刃口品质,以控制刃口的锯齿边,不然会影响刀具使用寿命和加工品质。

7.PCBN刀具的非常规使用

人们通常认为,PCBN刀具不适于切削低碳钢类的工件,因为会产生长切屑,擦伤刀具前刀面并产生很高的热量,进而加快刀具的热化学磨损。然而这种情况只有在高温时才会发生,PCBN刀具的硬度在600℃左右时才会降至与室温时的硬质合金相当,在切削温度不高时,PCBN刀具是不会产生热磨损的。

因此,只要选用合适的切削用量,PCBN刀具同样可以切削低碳钢,并且比使用涂层硬质合金刀具和金属陶瓷刀具有更高的使用寿命。

立方氮化硼刀具发展新趋势

立方氮化硼刀具是一种先进的切削刀具,应用前景广阔。首先在精加工和半精加工时,在某些情况下甚至粗加工工序中,用其加工淬硬钢、冷硬铸铁、35HRC以上的钴基和镍基高温合金及其它难加工材料也是有效的。例如,俄罗斯的T-10(PCBN)刀片具有较好的抗冲击性能,它既可用于精加工和半精加工,也可用于背吃刀量达6mm的粗加工。目前世界上立方氮化硼的年耗量大约以10%~15%的速度增长。

人造立方氮化硼超硬刀具材料,目前单晶的向粗颗粒、高强度、多功能方向发展。日本无机材料所生产的单晶CBN直径达3mm。De Beers公司生产的PCBN产品,最大直径达101.6mm,然后用激光切割成所需要的任何形状,可加工70HRC的高硬度材料。

立方氮化硼刀具材料的价格较贵,为了扩大其应用范围,国外已研制出比价格相对较低的立方氮化硼涂层刀具。它是采用化学气相沉积法(CVD)在通用型钨钴(K)类硬质合金基体上(原则上可涂覆在任何基体上)涂覆一薄层立方氮化硼的超硬材料。英国还研制出了一种在PCBN刀片上用CVD法涂覆一层镍、铜、钛、铬、钽、钴的混合物,以及TiN或TiC的防护涂层,其耐磨性可比普通PCBN刀片高3倍。Lellond公司开发出了一种由陶瓷与CBN的超硬复合材料,它兼有上述两种材料优点,是高速加工高硬耐磨铸铁的理想材料。

立方氮化硼刀具的广泛使用取决于高速、高刚性、高抗振性的金属切削机床,以及高强度新品种的刀片牌号,并应根据具体加工条件选取合适的切削用量,使其与被加工材料相“匹配”。当前发展立方氮化硼刀具,一方面要设法提高刀片品质,降低刀片成本;另一方面要进一步研制出晶粒更细的材料,以提高其致密度,减少刃口锯齿边,使其能刃磨得更为锋利,同时要解决提高立方氮化硼刀具的刃磨效率和质量问题。

  1. 超硬刀具刃磨发展新动向
  2. 刀具超硬材料涂层的研究
  3. PCBN刀具的合理使用
  4. 我国刀具制造产业发展现状
  5. PCBN刀具在中国市场的应用现状与思考
  6. 超硬材料刀具在机械制造中的应用与前景
  7. 超硬材料刀具在机械加工中的应用
  8. 超硬刀具材料的主要品种性能及其使用范围

来源: 《中国机械与金属》作者:叶伟昌   网络文档由陶瓷结合剂金刚石砂轮整理

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