國外PCBN切削刀具應用技術

時間:2011-05-30 08:39:44 來源:未知

立方氮化硼(CBN)是純人工合成材料，是繼人造金剛石之后，美國GE公司于1957年首先宣布利用高溫超高壓裝置合成的另一種新型超硬材料。聚晶立方氮化硼(PCBN)是由CBN微粉與少量結合劑燒結而成的多晶體，PCBN自1973年研制成功以來，經過眾多材料專家及刀具專家的努力，PCBN材料及其刀具已完全進入實用階段，在工業發達國家PCBN刀具已應用于汽車、重型機械等機械加工行業，據資料介紹1995年全世界PCBN刀具的銷售額達1.35億美元，而我國由于對CBN材料及其應用技術的研究不夠，PCBN刀具的年產量僅數百萬元人民幣，年消耗也僅千萬元左右，且絕大部分PCBN刀坯或刀具是從國外進口。

一、PCBN材料的性能

CBN的主要特性
氮化硼有多種同分異構體。CBN是氮化硼的致密相，具有很高的硬度，其Knoop硬度47000N/mm²,，僅次于金剛石。同時，CBN具有良好的熱導性，其熱導率是硬質合金的13倍、銅的3倍。另外，CBN還具有遠優于金剛石的熱穩定性和化學穩定性，可耐1300～1500℃的高溫，并且與Fe族元素有很大的化學惰性。可見CBN是制作切削黑色金屬的理想刀具材料。
PCBN的特性
由于受CBN本身特性及其制造技術的限制，生產直接用于切削刀具的大顆粒CBN單晶目前仍很困難。為此，通過結合劑使CBN燒結而成的PCBN多晶材料得到較快發展，其尺寸大小基本不受限制。PCBN組織中各微小晶粒呈無序排序，硬度均勻、沒有方向性，具有一致的耐磨性和抗沖擊性，克服了單晶CBN易解理和各向異性等不足。
PCBN屬CBN的聚集體，除具有CBN的特點外，PCBN還與CBN的含量、粒徑大小及結合劑的種類等因素有關。CBN含量主要影響PCBN的硬度和熱導率，含量高，PCBN的硬度和熱導率就高。CBN粒徑大小是影響PCBN韌性的重要因素，粒徑越大，其抗破損性就越弱，用此制作的刀具切削刃鋒利性就差。PCBN中的結合劑主要有以Co、Ni為代表的金屬型，以TiC、TiN、Al₂O₃為主的陶瓷型和金屬陶瓷混合型。金屬材料作結合劑時，PCBN有較好的韌性和導電性；陶瓷材料作結合劑，則有較優的熱穩定性。PCBN除具有以上優良的性能外，為進一步提高其強度，目前各PCBN制造商多將0.5mm左右的PCBN層直接燒結或焊接在硬質合金基體上，使之形成一個復合整體(也稱PCBN復合片)。這樣PCBN材料的高硬度、高熱穩定性和高化學穩定性與硬質合金基體的強度優、可焊性好等一起，使PCBN刀具不僅可切削各種硬度的工件，而且也易于生產制造。

表1是PCBN材料與其它刀具材料的性能比較。
主要性能PCBNPCDAl₂O₃WC(K20)Knoop硬度(GPa)30～4580～12016～2417抗彎強度(GPa)0.8～1.541.1～2.80.4～1.01.7彈性模量(GPa)680～815560～840420593斷裂韌性(MPa√m)3.7～6.47.0～9.02.3～3.110.5熱導率(W/(m•K))44～100200～56020.9100

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二、PCBN刀具切削特點——硬態切削

硬態切削是指在鐵族零件淬硬熱處理后的切削加工，而過去磨削仍是其唯一的加工方法。隨著陶瓷刀具，特別是PCBN刀具(PCBN材料有優良的紅硬性。在1000℃下的硬度仍高于硬質合金在室溫下的硬度)的研制成功，硬態切削得到飛速飛展。

PCBN刀具進行硬態切削時，由于PCBN不粘刀、磨損小，可獲得極高的加工精度和表面質量( Ra0.2～2.0µm)，實現以車代磨。據日本切削協會對本國53個大公司的調查表明，日本PCBN刀具的應用有55%是替代原來的磨削和珩磨。

PCBN刀具主要適用于切削45HRC以上的淬硬鋼、耐磨鑄鐵，35HRC以上的耐熱合金或其它刀具很難加工的特殊鑄鐵。如果被加工材料硬度過低，則PCBN刀具的優勢將不大明顯。
型號特點公司AMBORITE
DBA80
AMB90
DBC50高含量、粗粒度、陶瓷相、整體式
80%CBN、中等粒度
90%CBN、Al/AlB₂相
50%CBN、細粒度、陶瓷相英國De BeersBZN6000
BZN7000S
BZN8100
BZN820090%CBN、0.3µm、金屬相
82%CBN、陶瓷相、整體式
65CBN、0.3µm、TiN相
65%CBN、TiN相美國GEBN600
BN100
BN300
BNX20高含量
80%CBN
<1.0µm、陶瓷相
陶瓷相日本住友電工SumitomoMB710
MB710
MB810
MB810陶瓷相
高含量、金屬相
粗粒度
細粒度日本三菱マテリアルJBN500
JBN300
JBN330
JBN2080%～90%CBN、2～3、金屬相
55%～65%CBN、4～5µm、TiN相
45%～55%CBN、3～4µm、TiN相
40%～00%CBN、2～3µm、Al₂O₃相日本黛杰工業DijetKBN30S
KBN30B
KBN10B重、中切削用
中、輕切削用
精切削用日本京瓷會社KyoceraKB90
KB80
KB60
KB5090%CBN
80%CBN
60%CBN
50%CBN韓國Korea TungstemCBN10
CBN20
CBN1090%CBN、粗粒度、整體式
80%CBN、中等粒度
00%CBN、細粒度瑞典seco ToolsCB7050 瑞典Sandvik CoromantKusopum-p 烏克蘭超硬材料所

三、國外主要PCBN刀坯的種類和型號

國外主要PCBN刀坯的種類和型號，大致可分為兩大類，即高含量PCBN和低含量陶瓷結合劑PCBN(也稱陶瓷CBN)。高含量PCBN(一般CBN含量80%～90%)是以CBN之間直接結合為主，具有高硬度、高熱導性和良好韌性，這類PCBN刀具適合于加工高硬度合金和組織中含有高硬質點的材料，如冷硬鑄鐵、硬質合金、耐熱合金等。目前此類PCBN刀坯主要有GE公司的BZN6000，De Beers公司的Amborite、DBC80，住友電工的BN100、BN600等。 #p#分頁標題#e#

在切削淬硬鋼(合金鋼、軸承鋼、模具鋼、碳鋼等)時，由于切削溫度較高，要求PCBN刀具不僅有高的硬度，還要求有較高抗氧化能力和抗擴散磨損的能力，對此應采用陶瓷作結合劑的低含量PCBN刀坯。盡管此類PCBN較高含量PCBN的硬度、熱導率和韌性稍低，但是正因為陶瓷材料的耐熱性好與熱導性差的特點，使切削區形成熱滯留溫度升高，工件局部迅速形成塑性變形而易于切削，可獲得較好的效果(也稱軟化效應)。目前此類刀坯主要有GE公司的BZN8100、BZN8200，De Beers公司的DBC50，住友電工的BN300、BN220 等。

表2 為國外主要PCBN刀坯的型號及特點。

四、PCBN刀具的應用范圍

按行業來分，汽車工業占50.37%、重型機械～20.74%、泵業8.89%、軸承齒輪5.93%、軋滾5.19%、航空航天2.90%，其它5.93%。
按加工材料來分，淬火鋼占65%、鑄鐵28%、耐熱鋼7%。
按加工工序來分，車削占60%、鏜削32.5%、端銑7.5%。
按替代原加工來分，50%為替代磨削、30%替代硬質合金刀具、10%替代金屬陶瓷刀具、5%替代陶瓷刀具、5%替代珩磨加工。

工件材料切削速度(m/min)進給量(mm/r)切削深度(mm)淬硬鋼50～1600.02～0.2≤0.3灰口鑄鐵200～15000.1～0.5≤1.0灰口鑄鐵(銑削)800～15000.1～0.1≤0.5合金鑄鐵200～8000.1～0.4≤0.5球墨鑄鐵100～3500.1～0.4≤0.5鐵基燒結材料50～2500.03～0.20.1～1.0冷硬鑄鐵40～1300.1～0.50.2～3.0高速鋼20～800.1～0.40.1～3.0Ni基耐熱合金110～1600.05～0.20.1～1.0Co基耐熱合金50～1000.05～0.20.1～1.0

五、PCBN刀具應用技術

硬態切削時，徑向力很大，機床和系統的剛性必須很好、功率足夠大。裝夾PCBN刀具時，刀具的懸伸長度要盡可能短，以防止刀桿的顫振和變形，使PCBN刀具保持良好的狀態。

PCBN刀具比硬質合金刀具韌性差，因此在切削時，一般都采用負前角(0°～-10°)、較小的后角(6°～8°)和負倒棱[(0.1～0.2)×(10°～30°)]。若進一步對切削刃適當鈍化處理，則會更好。另外，在可能的情況下，盡可能采用小主偏角和大的刀尖圓弧半徑，這有助于保護切削刃、延長刀具使用壽命。

合理使用PCBN刀具，準確判斷PCBN刀具的耐用度是關鍵。建議PCBN刀具后刀面磨損標準達0.3～0.5mm(精車時取小值)，進行定期重磨為好。但是重磨需要一定的設備和技巧，大多數工廠的機床不具備適合的條件，PCBN刀具重磨應由專業廠商來完成。確定切削速度、進給量及切削深度要綜合考慮生產效率和加工成本。通常情況下其切削速度可比硬質合金刀具高2 倍左右，高的切削速度產生大的切削熱，使被加工材料的塑性增大，有利于降低切削力。表3是PCBN刀具的經濟切削速度。 #p#分頁標題#e#

PCBN刀具在使用時以干切削為好，如果需要切削液時，一定要冷卻充分，禁用水溶性切削液。

隨著技術的進步，PCBN刀坯系列越來越多，專用性越來越強，對于不同材質和要求的工件應選用相應的PCBN材料，以取得滿意的加工效果。

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