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。
表1 PCBN與其它刀具材料的性能比較
主要性能
PCBN
PCD
Al2O3
WC(K20)
Knoop硬度(GPa)
30~45
80~120
16~24
17
抗彎強度(GPa)
0.8~1.54
1.1~2.8
0.4~1.0
1.7
彈性模量(GPa)
680~815
560~840
420
593
斷裂韌性(MPa√m)
3.7~6.4
7.0~9.0
2.3~3.1
10.5
熱導率(W/(m•K))
44~100
200~560
20.9
100
#p#分頁標題#e#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。
表2 國外主要PCBN的型號及特點
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 Beers
BZN6000
BZN7000S
BZN8100
BZN8200
90%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GE
BN600
BN100
BN300
BNX20
高含量
80%CBN
<1.0µm、陶瓷相
陶瓷相
日本住友電工Sumitomo
MB710
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
JBN20
80%~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Dijet
KBN30S
KBN30B
KBN10B
重、中切削用
中、輕切削用
精切削用
日本京瓷會社Kyocera
KB90
KB80
KB60
KB50
90%CBN
80%CBN
60%CBN
50%CBN
韓國Korea Tungstem
CBN10
CBN20
CBN10
90%CBN、粗粒度、整體式
80%CBN、中等粒度
00%CBN、細粒度
瑞典seco Tools
CB7050
瑞典Sandvik Coromant
Kusopum-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。
表3 PCBN刀具的經濟切削速度
工件材料
切削速度(m/min)
進給量(mm/r)
切削深度(mm)
淬硬鋼
50~160
0.02~0.2
≤0.3
灰口鑄鐵
200~1500
0.1~0.5
≤1.0
灰口鑄鐵(銑削)
800~1500
0.1~0.1
≤0.5
合金鑄鐵
200~800
0.1~0.4
≤0.5
球墨鑄鐵
100~350
0.1~0.4
≤0.5
鐵基燒結材料
50~250
0.03~0.2
0.1~1.0
冷硬鑄鐵
40~130
0.1~0.5
0.2~3.0
高速鋼
20~80
0.1~0.4
0.1~3.0
Ni基耐熱合金
110~160
0.05~0.2
0.1~1.0
Co基耐熱合金
50~100
0.05~0.2
0.1~1.0
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。