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PCBN 发布于:

聚晶立方氮化硼PCBN(PolycrystallineCubicBoronNitride)是继人造金刚石之后,人工合成的一种新型超硬刀具切削材料,其硬度仅次于金刚石,在切削和磨销加工中得到广泛应用。

PCBN即聚晶立方氮化硼(Polycrystalline Cubic Boron Nitride)作为利用人工方法合成的硬度仅次于天然金刚石的新型刀具材料,是高速切削铁系金属最合适的刀具材料。

从1957年美国GE公司研制出立方氮化硼(CBN)单晶粉末、70年代研制成功PCBN刀具至今,经过30多年的发展,PCBN刀具已逐步趋于成熟。PCBN刀具多由PCBN刀片与刀杆或可转位刀片焊接而成,近年来整体式PCBN刀片种类也越来也多。PCBN刀片是0.5mm左右的PCBN层直接烧结在硬质合金基体上形成的复合整体。这种材料既具有PCBN的高硬度、高热稳定性和高的化学稳定性,同时又具有硬质合金强度好、可焊性好的优点,使PCBN刀具不仅可切削各种硬度的工件,而且也易于生产。PCBN刀片质量的好坏直接影响着刀具切削性能。

PCBN刀片的制作方法主要有两种:一种是一次聚合法,即直接用六方氮化硼(HBN)一次聚合成高密度的烧结体;另一种是二次聚合法,先合成高密度立方氮化硼(CBN),然后再以其为原料经高温高压烧结成聚晶立方氮化硼。较为普遍的是加入粘结剂的二次聚合法:

⑴加入金属粘结剂的CBN烧结

金属粘结剂种类很多,主要有Ni、Co、Ti、Ti-Al等。在烧结温度下,金属粘结剂成为液相,液相的出现对CBN烧结有一定的促进作用,烧结可以在稍低的温度和压力下进行。另外,由于CBN不溶于金属粘结剂,不会发生可以促进收缩和晶体长大的溶解析出过程。在烧结过程中硬质合金中的钴呈液态渗入CBN晶界中,将硬质合金与CBN烧结体紧密粘结在一起。采用金属粘结剂的PCBN刀具的硬度较纯CBN烧结的刀具硬度低,但是韧性好。英国Element six 公司的AMB90、美国GE公司的BZN6000以及日本三菱生产的MB710等牌号都是由金属粘结剂烧结而成。

⑵加入陶瓷粘结剂的CBN烧结

陶瓷粘结剂主要有TiN、TiC、Al2O3等。由于烧结过程中易产生裂纹,因此多在陶瓷粘结剂中加入铁族元素(铁、钴、镍) 以及Mo或Mo2C等增加陶瓷离子间的强度,起到流体传压介质的作用,有利于形成内部无变形的烧结体,钼等还可以改进陶瓷粒子和铁元素之间的润湿性。陶瓷粘结剂PCBN中粘结剂的含量一般较高,韧性较金属粘结剂刀具差,但其抗高温性能更好。这类产品有英国Element six公司的DBA80、DBC50,美国GE公司的BZN7000S、BZN8200,日本住友的NBX300、NBX3200等。

⑶纯CBN烧结

在CBN聚晶体中也可以不加粘结剂直接烧结而成聚晶立方氮化硼。CBN在烧结时发生再结晶和晶粒长大过程, 烧结后的CBN多晶体的晶粒已不是原来的CBN单晶体颗粒。这种PCBN刀具耐磨性好,寿命长,但较脆且温度条件苛刻,难以制成高韧性及大尺寸的刀片。

PCBN刀片的质量受到多种因素的影响,其中烧结过程中各种工艺参数的改变,对PCBN刀片的质量影响最大。粘结剂/催化剂材料、基体材料等组成材料,以及颗粒表面清洁度、颗粒度等都决定了PCBN刀片的性能。

⑴基体的选择

由于碳化钨硬质合金具有较高的硬度,较好的导热性和韧性,因此多采用含有Co的碳化钨硬质合金作为PCBN刀片基体。Co作为一种溶剂和粘结剂可以显著提高CBN的烧结度,增强PCBN的强度[3],但是碳化钨硬质合金中Co的含量不能过高,否则将影响PCBN刀片的耐磨性,缩短刀具的使用寿命。

⑵CBN晶粒的清洁度与颗粒度

CBN晶粒的表面清洁度将直接影响着PCBN的烧结质量,因此在烧结前都要对CBN晶粒进行严格地处理,以去掉晶粒表面的水分及氧化物等杂质。采用的方法主要是在真空或氢气、氨气等还原性气体下加热1~2个小时。否则过多的杂质会影响CBN-CBN颗粒间及CBN与粘结剂间的粘结,使得PCBN刀片强度减小,耐磨性能降低。

CBN颗粒的大小不但对PCBN刀具的切削表面质量有影响而且对PCBN烧结时粘结剂的烧结能力起到一定的作用。一般来说,CBN颗粒度越小,PCBN刀具切削表面质量越好,刀具抗冲击能力和耐磨性越好,因此,在加工淬硬钢并且要求高的表面质量(即实现PCBN刀具的“以车代磨”)时,所采用PCBN刀具中的CBN颗粒应取较小值。但另一方面,由于PCBN刀片的烧结是通过“毛细现象”即各种粘结剂元素渗透到CBN颗粒之间实现的,如果CBN颗粒太小,CBN颗粒间的间隙就会减小,从而使得粘结剂元素的渗透量减小。因此,烧结时CBN颗粒又应选得大一些。综合考虑以上两种因素,CBN烧结时应多选择混合粒度,并根据所选粘结剂粘结能力的不同而确定不同的粒度范围。

⑶CBN晶粒含量

CBN含量对PCBN刀具的硬度、导热性有较大的影响。CBN含量越高,刀具的硬度越高,导热性越好。高含量PCBN刀具(一般CBN含量为80%~90%)是以CBN之间的直接结合为主,具有高硬度和高导热性。这类PCBN刀具适合加工高硬度合金和组织中含有高硬质点的材料,如冷硬铸铁、耐热合金等。此类刀具刀片主要有GE公司的BZN6000,Element six公司的AMB90、住友电工公司的BN100、BN600等。低含量PCBN刀片多为陶瓷粘结剂,耐热性好,易于加工淬硬钢(合金钢、轴承钢、模具钢、碳钢等),利用切削区内热滞留高温形成的金属软化效应进行切削。GE公司的BZN8100、BZN8200,Element six公司的DBC50,住友电工公司的NB300、NB220以及山高公司的CBN10、CBN100、CBN150等均属于此类。

⑷粘结剂

CBN烧结所需的粘结剂:①物理化学性能越接近CBN越好,这样不会过多的削弱烧结后PCBN刀具的切削性能;②易于达到熔点温度或在此温度下具有好的塑性;③相对于CBN具有足够的化学活性,具有使六方氮化硼(HBN)向CBN转化的催化性。

常用到的粘结剂按其物理化学性质可分为金属粘结剂(如Ni、Co、Ti、Ti-Al等)和陶瓷粘结剂(如TiN、TiC、TiCN、Al2O3等);按作用可分为催化剂(如,Al、AlN、AlB2、Si等)和溶解剂(如Ti、Ni、Co、TiN、TiC、TiCN等)。粘结剂种类和含量都对PCBN刀片的性能有不同的影响。碳化物、氮化物、碳氮化物可以提高PCBN刀片的抗化学磨损能力和抗冲击能力,但含量过高会降低刀具硬度,使刀具寿命缩短;钴是最常用的粘结剂,可以提高CBN烧结时的烧结度;Ti陶瓷粘结剂可以提高PCBN刀片的韧性;铝及铝的化合物可与CBN颗粒及其它粘结剂发生反应,使CBN颗粒粘结得更加牢固,提高刀具耐磨性;Si和Al、AlN、AlB2的混合物是HBN向CBN转化的有效催化剂,在陶瓷粘结剂里加入少量的Al、Si还可以增强CBN间的粘结,形成连续的陶瓷相[12];以铝化镍作为粘结剂的PCBN复合片导电性好,适于采用低成本电火花进行切割。

由于粘结剂的不同,PCBN刀片趋于两种特性:一种是具有高的耐磨性(高含量CBN,催化粘结剂),另一种是具有好的抗冲击性(低含量CBN,陶瓷粘结剂)。

磨加工质量

除了原材料质量和可靠规范的胚体合成工艺外,PCBN刀片磨加工的工艺和精度直接决定切削时的微观性能,所以采用周边磨床,刀具成本虽然提高不少,但是产品质量和耐用度都会上一个档次。

检验手段

检验手段:除了尺寸精度和表面质量外,生产立方氮化硼刀具过程中,最容易产生废品的是电镜检测下的微观缺陷。刃口处肉眼看不到的微观缺陷是刀具使用过程报废的导火索,容易造成使用时出现崩刃造成扎刀问题。

立方氮化硼(CBN)在切削加工中的应用

用PCBN刀片精车淬硬钢

加工硬铸铁和灰口铸铁

高速镗削铸件孔

铰削淬硬钢或硬铸件小孔

用于难加工材料的切削加工

采用PCBN刀具精车淬硬钢,其工件硬度高于45HRC,效果最好。其切削速度一般为80~120m/min,工件硬度越高,切削速度宜取低值,如车硬度为70HRC的工件,其切削速度宜选60~80m/min。精车的切深在0.1~0.3mm,进给量在0.05~0.025mm/r,精车后的工件表面粗糙度为Ra0.3~0.6μm,尺寸精度可达0.013mm。若能采用刚性好的标准数控车床加工,PCBN刀具的刚性好和刃口锋利,则精车后的工件表面粗糙度可达Ra0.3μm,尺寸精度可达0.01mm,可达到用数控磨床加工的水平。如果机床刚性好,选用的切削速度较低,则选用PCBN复合刀片可精车断续表面。精车加工余量一般为0.3mm左右,尽可能提高工件淬火前的尺寸精度和减少热变形,以保证精车时切削余量均匀,延长PCBN刀具的使用寿命。精车一般不用切削液,因为在较高的切削速度下,大量的切削热由切屑带走,很少会停留在工件表面而影响加工表面质量和精度。精车刀片宜选用强度和韧性高的80°菱形刀片,刀尖半径在0.8~1.2mm之间,为保护刀具刃口,使用前需用细油石倒棱。精车淬硬工件是一门新工艺,实施前需做工艺试验,可用与工件材料、硬度和大小相同的棒料,在同类机床上进行精加工或粗加工试验,关键是要试验刀具与切削参数的选择及工艺系统是否有足够的刚性。该工艺国内已经采用,如一汽集团用PCBN刀具加工渗碳淬火(58~63HRC)的20CrMnTi变速箱齿轮拨叉槽,采用的工艺参数为Vc=150m/min,f=0.1mm/r,ap=0.2~0.3mm,实现了以车代磨。

间断切削加工和粗加工淬硬钢方面使用 PCBN刀具,在高速切削淬硬钢时,如果淬硬工件有间断切削,刀具会以每分钟100次以上的冲击来完成加工,对刀具的抗冲击性能是个很大的挑战,中国河南超硬材料研究所研制的HLCBN系列可用于强断续切削淬硬钢,在超硬刀具学术界享有很高的声誉,HLCBN作为民族超硬刀具品牌在世界超硬材料刀具中占有重要的地位。

加工硬铸铁

用PCBN刀具车削淬硬钢时,要求工件淬火硬度高于45~55HRC,加工硬铸铁时,只要硬度达到中等硬度水平(45HRC),就会取得良好的加工效果。如汽车发动机缸盖上的排气阀座,该阀座是采用含铜、钼的高铬合金铸铁材料,其硬度一般约为44HRC,其阀座上孔采用锪(铰)、车两种工艺,大多是在专用自动线上加工,与枪铰导管孔一道进行。所采用的切削用量为:Vc=71.6m/min,Vf=26.5mm/min,ap=1.0mm,采用BC拉削油,自采用PCBN刀具加工后,与以往采用的各种硬质合金刀片加工相比,刀具平均耐用度为1200件,加工表面粗糙度为Ra0.4μm,阀座面摆差≤0.05mm。东风汽车公司发动机厂自1988年使用PCBN刀具后,其效果一直保持稳定,较好地解决了引进设备的刀具国产化问题。随着中国汽车制造业的高速发展,国内刀具行业也异常活跃,蓬勃发展,国内外的刀具公司都看中了中国这个大市场,国际上著名的刀具和刀辅具公司及其产品几乎都进入了中国,如瑞典的Sadvik携旗下Coroman、Titex、Walter,等公司,德国的Mapal、laitz、Guhring,以色列的Iscar、日本的OSG,大昭和等,美国的Valinite、Ingosoll,等。这些外国刀具公司在刚进入中国时,对中国超硬刀具市场的发展估计并不足,有的仅是委托中国代理商销售一部分刀具,售后服务等工作还未能有力跟上,逐渐地他们认识到这个市场的重要性,开始在中国设立办事处,并进而在中国进行直接销售,原来实行的单一代理方式也开始变化,近两年更有了新的本质的变化,很多国外刀具公司开始在中国设厂,直接在中国当地制造刀具、提供各种服务,如山高公司在上海设立了制造工厂,山特维克在廊坊设立了工厂,住友电气在天津设立了工厂,肯纳、欧士机等在上海都设有工厂,蓝帜公司最近在南京新扩建了其工厂,增加了刀具制造和刃磨设备,格林公司在上海的具有珩磨刀具制造和修磨功能的工厂也即将正式开业。专门制造和修磨各种客户需求的特殊刀具,其特点是反应快,不管批量大小,且能及时到现场进行直接技术支持。另外以舒伯哈特公司为首的专业做超硬刀具的公司也同样在上海设立了生产工厂,专门进行超硬刀具如金刚石刀具和CBN刀具的加工和修磨工作,其业务量也很大,帮助不少客户解决了超硬刀具的修磨工作。而与此同时国内PCBN刀具市场随着刀具技术水平的发展也不断扩大。中国第一汽车集团已有一百多个PCBN车刀使用点;国内的各大高校,如清华大学、大连理工大学、华中理工大学等均在积极开展这方面的研究;各专项的研究机构和民族企业为解决中国自给自足PCBN不断探索,如鞍山钢铁集团公司,中国建筑材料集团公司,郑州新亚、南京蓝帜、成都戴梦迪、深圳润祥、成都工具研究所等几十家单位 。

高速铣削灰口铸铁高速铣削灰铸铁时,一般粗加工当然可以使用K类硬质合金,精加工可用氦化硅陶瓷刀片。如在一个装有8块刀片的端铣刀上改用只装对称式的两片PCBN刀片,并将切削速度提高4倍,其结果是金属切除率相同,而切削力却下降3/4,刀具寿命与加工质量超过前者。对珠光体铸铁与冷硬铸铁,也宜采用PCBN刀具进行高速加工,与其它刀具材料比较,可提高切削速度、延长刀具寿命、降低了表面粗糙度。在高速镗杆上采用成对镶片PCBN镗刀与单片镗刀相比,其平衡性好,从而增加了镗杆的刚性,在给定的进给量下,采用PCBN双刀片镗孔可获得高的金属切除率与表面质量。国内已有较多的发动机制造厂,对气缸体的缸孔(或缸套)精加工已使用PCBN刀具。如上海大众和一汽集团的发动机厂,缸孔精镗均采用PCBN刀片并可自动补偿(υc=500m/min,f=0.2mm/r,ap=0.1mm)。所以加工出的缸孔精度高、尺寸稳定,而且生产效率高,刀具寿命长。对于小孔镗削,虽可使用陶瓷或涂层刀片,但刀片应带有负前角,这将增加切削和排屑的阻力,易使细长镗杆产生振动。若用PCBN刀具进行高速镗削,其孔的表面质量好、生产效率高。对这类工件的孔加工宜采用CBN电镀铰刀。这种铰刀是以其硬度为42HRC的45号钢或9CrSi钢作为基体,具有前后导向和切削部分,其基体制造精度要高,设计要合理。如其铰刀的前导向部分直径要小于切削刃部分直径0.04mm,切削区的长度要大于工件孔深,后导向的长度要大于切削区长度,其直径应小于切削刃部直径0.02mm。为了在铰削中能用切削液冲洗切屑和冷却润滑加工表面,其铰刀基体上开有两条较深的螺旋槽。如某厂加工淬火钢工件孔f12.06±0.05mm,硬度为45HRC,底孔尺寸为f12±0.01mm,要求孔的圆柱度为0.005mm,表面粗糙度为Ra0.2μm。采用一组五把的电镀CBN铰刀加工后,取得较好的经济效果。有的发动机制造厂采用金刚石或CBN电镀铰刀对气缸体的主轴承孔进行珩铰,代替原来的珩磨加工,使加工效率提高了数倍,且质量稳定。采用带正前角的PCBN刀具,选用适当的切削参数,即Vc=100m/min,f=0.05~0.2mm,ap=0.1~0.2mm,采用极压型乳化液或油冷却液,可加工奥氏体不锈钢(45HRC)、高温合金钢、高锰钢、高强度钢及高镍合金钢等材料,可获得较高的加工效率和表面质量。

CBN砂轮在磨削加工中的应用

CBN材料除用来制作刀具外,其最大的应用领域还是制成CBN磨具,用于高速高效磨削和珩磨加工,可使磨削效率大大提高,其磨削精度和质量提高一个等级。

磨削汽车零件——凸轮轴和曲轴

CBN砂轮在内孔磨削中的应用

采用CBN砂轮磨削齿轮

应用CBN磨具加工难加工材料及难加工面

汽车发动机上的凸轮轴具有多个凸轮,淬火后的凸轮粗磨及精磨是影响凸轮质量的关键工序。一般都是采用靠模仿形磨削,工件速度的提高受到限制,工件易产生磨削烧伤裂纹,采用靠模仿形磨削,其凸轮表面的轮廓曲线要受砂轮直径大小的影响,所以很难保证凸轮轮廓曲线的正确。生产实践证明,当砂轮直径大时,磨出的凸轮瘦,当砂轮直径小时,磨出的凸轮胖,只有当砂轮直径接近或等于磨削靠模凸轮的滚轮直径时(一般为f570mm),其仿形误差接近于零,即磨出的凸轮表面轮廓曲线接近于靠模凸轮。在实际生产中,所用的砂轮直径一般都是从D600(或610)用到D500,与理想的砂轮直径(570)相差甚多,所以生产中总有大部分凸轮轴的凸轮曲线超标。为解决这个问题,我们在靠模仿形凸轮磨床上采用CBN砂轮磨削,可把CBN砂轮直径制成D575,CBN磨料层厚为4~5mm,其磨轮的磨削最小直径是D565,磨削直径范围虽然只有10mm,但磨削零件数却相当于几十片普通砂轮,不仅可保证凸轮曲线正确,而且也不会产生磨削烧伤现象。如Liton工业自动化公司用CBN砂轮磨削凸轮轴,其成本降低了50%,凸轮表面的疲劳强度提高了30%;东风汽车公司襄樊柴油发动机厂用陶瓷结合剂CBN砂轮粗磨冷激铸铁凸轮轴,其凸轮磨削余量t=4~5mm,V砂=60m/s,工件转速n=100r/min,Vf=0.1mm/s,采用高速磨削液,CBN砂轮的寿命基本相当于20片刚玉磨料砂轮。内圆磨削的效率一直很低,其主要原因就是磨削速度、砂轮材质及磨杆的刚性问题。生产过程中用在修整砂轮、更换砂轮的时间几乎占了单件工时的1/3~1/5。如果内圆或沟槽磨削采用CBN电镀砂轮,并把砂轮速度提高,增大磨杆直径,便可适当提高工件转速与进给速度,不仅可保证孔(弧)径、槽宽尺寸与形位精度,表面粗糙度和避免烧伤,而且还可以成倍地提高加工效率,降低加工成本。如国内某厂加工一个年产60万件的纺机滚动轴承套,磨f15.5+0.04的孔及相邻的弧槽,过去用铬刚玉(GG)砂轮,需用两道工序分别在两台M224内圆磨床上加工,其槽(弧)径差及尺寸与孔的同轴度很难保证,且效率低,采用CBN砂轮后,加粗了磨杆,提高了进给量,节约了修整和更换砂轮的时间,彻底解决了原有问题。后又改为孔、沟同时磨,即在磨杆上装两个砂轮,使磨削效率提高1倍,节省了一台磨床。所加工的工件表面粗糙度为Ra0.63μm采用的磨削工艺参数:V砂=36m/s,V2=19m/min,f粗切=1μm/r,f精切=0.5μm/r,光磨时间t=bs,采用10%浓度的乳化值。齿轮磨削以往是采用单齿面与多齿面磨削,单齿面磨削虽然可获得较高的加工精度,但效率低,成本高,多齿面磨削虽生产效率高,但其加工质量比单齿磨削差。若采用CBN砂轮磨削,无论采用单齿面磨削还是采用多齿面磨削,采用电镀CBN砂轮或陶瓷结合剂砂轮进行磨削,其效果极为显著:

CBN砂轮可以制成精度较高的齿形,由于耐用度高,不频繁修整,不需经常调整机床,可获得稳定的齿廊、导程和节距精度。

可实现高速磨削与高进给率磨削齿面,粗糙度低且不会烧伤,可在提高磨削效率的条件下获得较高的齿轮精度(6~7级)。

CBN砂轮寿命长,磨削性能好,节约了砂轮更换修整、机床调整和工件检测等许多辅助时间。

对淬硬钢件或冷硬铸铁件孔的珩磨,可采用CBN珩磨油石,对高强度、高硬度和高热敏性的合金钢、不锈钢、耐热钢与合金,宜采用高硬度、高强度的CBN砂轮,采用极压乳化液或高速磨削液进行冷却。对较长的导轨面或复杂型面、凸轮磨床的靠模轴等均宜采用CBN砂轮。

CBN材料在机械加工中的应用

CBN材料无论制作刀具或制作磨具,应用于高速切削或磨削,都可收到提高产品质量、提高加工效率、缩短加工周期和降低加工成本等显著效果。因此,在加工中,大力推广CBN刀(磨)具是提高制造技术的有力措施。但若普遍推广使用,尚有许多问题。为了在生产中更好地推广使用CBN刀(磨)具,应做以下几方面的工作:

发挥CBN刀(磨)具研究院(所)的主导作用

实现三点一线联合开发,即CBN——工具制造——用户或CBN与工具制造——机床——用户共同开发CBN的应用

积极开展CBN刀(磨)具制造与使用技术的研究

用户需要提高产品质量意识,勇于提高制造技术

国内CBN材料生产厂家很多,产量也不少,但高质量的不多,CBN刀(磨)具的稳定用户更少。究其原因主要是机械加工部门对价格昂贵的CBN刀(磨)具缺乏选择与使用的知识,采购来的CBN工具实效不多,在其经济紧缩的条件下,不敢轻易投资进行工艺试验。要想解决这个问题,只有CBN刀(磨)具研究院(所)主动深入机械制造的生产单位,选择生产效率与质量的薄弱环节,且已具有或易于创造CBN加工条件的点,与用户协商签订共同开发CBN应用合同。由工具研制单位负责免费提供试验用的CBN刀(磨)具,用户负责提供试验所需条件下组织生产试验。这就发挥了多方积极性,从CBN质量选择到工具制造,都会以最优、最快的速度进行,用户从准备试验条件到使用,见到了达到合同目标值的成果,不花试验费便解决了生产难题,很容易推广。而工具院(所)亦可在以后的供货中逐步回收利润,只要双方保持互惠、互利,协作关系便会更加巩固。该厂就是利用这种方式与多家研究院校开发了很多新技术。在机械加工中的许多加工难点,虽然可用CBN工具来解决,但不是国内哪家所能单独做到的,因为并非凡是CBN工具都有奇特的和万能的加工能力。我们也曾用过CBN刀片精镗硼缸套,其效果并不比新型陶瓷刀片好。其原因是多方面的,如CBN质量、含量、品牌规格及结合剂等是否适合硼铸铁的加工。至于CBN磨具影响的磨削效果的因素就更多了,除自身原材料的质量、配比和磨具制造技术外,还有使用条件与技术。如磨削速度(应用高速磨削速度)、磨床刚性好、无振动、有自动精细进给及修整补偿机构、适当的磨削参数和冷却液等,这些都是相辅相成的重要因素,靠有关方面共同努力,各自提高自家产品的质量,相互促进,才能使CBN工具与专用设备成功地用于生产。用户希望使用具有实效的CBN工具,为此,要求工具制造单位,除了尽快提高CBN工具的制造技术外,还应对产品的质量建立明确的鉴定标准与方法,分布某些性能参数,如刀具的CBN含量与品牌、磨具的硬度与CBN精度、浓度等,在此基础上进行生产使用试验,以便充分发挥用户的生产经验,对不同的切削参数与冷却液所取得的加工结果进行对比分析,使CBN工具得到质的提高。CBN工具的适用范围、使用条件和应用的技术配套(如设备和冷却液等),用户可正确选用和使用CBN工具。21世纪是高科技时代,产品必须是有高性能、高质量才有市场,企业才有生命力。为此,应尽快提高制造技术水平,而推广使用CBN工具提高制造技术是一种有力措施,这不仅需要有关主管部门的有力资助和支持,有组织、有计划地逐步推广CBN工具的技术配套与使用,同时也要求用户勇于接受新材料、新技术,改变过去陈旧的生产观念与管理方法,即刀(磨)具均消耗费用指标很低,只许占产品成本的1/100左右,而不是以提高生产效率和保证产品质量为准,这样会限制优质高效的刀(磨)具应用与先进设备生产能力的发挥。实践证明,CBN刀(磨)具的成效不仅可提高产品的加工质量,而且也可提高经济效益。

PCBN刀具的制造主要通过CBN粉末和结合剂经超高压高温烧结而成.大致步骤有;混合粉末--模压成型/与硬质合金底层组装成整体--超高压高温烧结--深加工.

关键技术在于CBN与结合剂的选择与配比,超高压高温烧结工艺参数的确定.

⑴切削速度高:用HLCBN立方氮化硼刀片切削硬铸铁时,可以使用较高的切削速度。当Vc=60 m/min,切削160 min后,后刀面只磨损了0.16 mm。而使用YG6X硬质合金刀具的切削速度只有6.6 m/min,仅为立方氮化硼刀具的1/9。

⑵耐用度高:用立方氮化硼圆刀片,以Vc=40 m/min、f=0.16 mm/r的切削用量加工HRC55的冷硬铸铁,刀具耐用度为500 min,而用陶瓷刀具加工时刀具耐用度只有5 min。立方氮化硼刀具的耐用度是陶瓷刀具的100倍。

⑶加工精度和表面质量好:用硬质合金刀具车削HRC50的表面喷涂冷硬铸铁轧辊,当Vc=20 m/min、αp =0.3 mm、f=0.22 mm/r时,圆度误差高达0.5 mm,表面粗糙度Ra为12.5μm;而使用立方氮化硼刀具车削,切削速度提高了,圆度误差很小,表面粗糙度Ra小于0.8μm。

⑷金属切除率高:河南超硬材料研究所研制的立方氮化硼整体聚晶刀片开始在重载粗加工的应用,立方氮化硼刀具开始应用到大进给,大吃深的粗加工中,比硬质合金刀具的切除率更高。譬如用立方氮化硼刀具切削冷硬铸铁轧辊,可以获得极高的金属切除率。例如,当Vc=6l m/min、αp =/mm、f=0.94 mm/r时,金属切除率达400 cm3/min,刀具几乎没有磨损。

⑸可以代替磨削:ASH离心式泥浆泵是用极耐磨的镍铬白口铁制造的。这种材料极难切削,以前认为只能用磨削加工,但磨削时的高温会使工件产生热裂纹。可以采用立方氮化硼刀具以车代磨。这种刀具抗弯强度高,经得起冲击载荷。采用立方氮化硼圆形刀片,粗车时,Vc=55 m/min,αp =3 mm,f=0.25 mm/r;精车时,f=0.2 mm,表面粗糙度Ra为0.8μm。

此外,还可以铣代磨加工镍铬白口铁,也采用圆形带倒棱的立方氮化硼刀片做成铣刀,以Vc=175~225 m/min、αf =0.1~0.25 mm/z、αp =0.5~2.5 mm的用量进行铣削,表面粗糙度Ra可达2~2.5μm。

由于 PCBN 刀具材料具有优良的切削性能,所以特别适合加工其硬度在 HRC45 以上的淬火钢、耐磨铸铁、 HRC35 以上的耐热合金以及 HRC30 以下而其它刀片很难加工的珠光体灰口铸铁。

为了充分发挥 PCBN 刀片的优越性,取得满意的加工效果,在实际使用时,除参照表 1 所推荐的 PCBN 刀片选用的切削用量外,还应根据机床、工件及其它有关条件的具体情况全面考虑,合理选择。

⒈ 硬态切削时,径向力很大,这就要求机床功率要大,机床系统刚性要好,这既可保护 PCBN 刀具,又可获得满意的加工效果。装夹 PCBN 刀具时,刀具的悬伸长度要尽量短,以防止刀杆颤振和变形,使 PCBN 刀具保持良好的加工状态。

表 1 PCBN 刀片常用切削用量

工件材料 切削速度 (m/min) 进给量 (mm/r) 切削深度 (mm)

灰铸铁 180 ~ 230HB 400 ~ 1000 0.15 ~ 0.5 0.12 ~ 2.0

硬铸铁 400HB 70 ~ 150 0.15 ~ 0.5 0.12 ~ 2.0

淬火钢 45HRC 60 ~ 140 0.15 ~ 0.5 0.2 ~ 2.5

耐热合金 35HRC 100 ~ 240 0.05 ~ 0.3 0.1 ~ 2.5

⒉PCBN 刀具的强度比硬质合金刀具低,因此在硬态切削加工时,一般都采用负前角、较大的后角和负倒棱,这不仅有利于对切削刃进行补强,而且具有很好的耐磨性。通常负倒棱尺寸取 (0.1 ~ 0.5)× (10° ~ 30°)为宜。若切削进行适当的钝化处理,效果会更好。此外,在可能的情况下,尽量采用小主偏角和大的刀尖圆弧半径,这有助于保护刀刃,延长刀具的使用寿命。

⒊ 为很好地使用 PCBN 刀具,稳定地控制工件质量,准确判断 PCBN 刀具的耐用度至关重要。如果一直使用磨损已很严重的刀具,那么切削力及切削温度增加、切削不畅,就难以控制工件尺寸及表面完整性,甚至使 PCBN 刀具无法继续修磨而报废。为保证刀具的正常使用,建议 PCBN 刀具后刀面磨损量达 0.3 ~ 0.6mm(精车时取小值) 时应进行重磨。但重磨需要一定的设备和技巧,多数工厂的机床不具备适合的条件,一般 PCBN 刀具的重磨都应由专业厂来完成。

⒋ 对于硬度高和不规则的工件,由于 PCBN 刀片较脆、怕冲击。从工件端面切入、切出,尤其在表面有夹渣、砂眼、凹凸不平的时候,最易发生冲击,使刃口破裂,造成耐用度降低。所以在使用 PCBN 刀具前,最好先将冷硬层粗车一次,并在工件切入切出端先倒角,以减小 PCBN 刀具冲击力。

⒌PCBN 刀具不适于加工较软的黑色金属材料。

⒍ 确定切削速度、进给量及切削深度要综合考虑生产效率和加工成本。一般来讲,其切削速度可比硬质合金刀具高 2 倍左右,高的切削速度产生大的切削热量,使被加工材料的塑性增大,有利于控制切屑和降低切削力。

⒎ 使用 PCBN 刀具时,如果使用冷却液由于热应力作用,PCBN刀具容易产生热裂纹,特别是高速切削中。如果使用冷却液时则一定要充分冷却,且不能使用水溶性冷却液,因为CBN易在1000℃产生水解作用,造成刀具严重磨损。

有关使用 PCBN 刀具常见的磨损,磨损原因及预防措施见表 2。

表 2 PCBN 刀片的磨损形式、原因及预防措施

磨损形式 主要原因 预防措施

月牙洼磨损 工件硬度太软;切速太快;产生化学和扩散磨损 改用硬质合金刀具或陶瓷刀具;降低切速 使用冷却液

压力面磨损 切削速度太快;进给量太大;刀具后角太小 增大切速和进给量;增大后角

边界磨损 主偏角太大;进给量太大;切速太小 减小主偏角;减小进给量;增大切速

断裂磨损 系统刚性差;刀尖角太小;进给量与切速太大;刀具刃口脆 提高系统刚性,增大刀尖角;降低进给量和切速并采用负倒棱刀具

PCBN 层破裂 系统刚性差;工件冲击太大; PCBN 层太薄,刀具刃口过脆 提高工艺系统刚性;工件表面预加工和倒角;采用厚的 PCBN 层;采用负倒棱刀具

陶瓷金刚石刀磨砂轮主要用于PCD、CVD、PCBN、硬质合金、陶瓷刀具以 及其它刃具铣刀、钻头、铰刀等切削工具的研磨和快速高效低损伤磨削。KO系列陶瓷结合剂的 杯型刀磨砂轮,适合作为PCD及PCBN工具之精密研磨。KO系列陶瓷金刚石刀磨砂轮 ,解决了大多数刀具生产厂家磨刀效率低、刃口质量差 的问题。陶瓷金刚石刀磨砂轮其极高的锋利度可使刀具制作商的磨刀效率提 高1.5~3倍,且刃口质量也会大大提高。

陶瓷金刚石刀磨砂轮研磨部位:包括端面、周面、断屑槽沟、斜面、孔穴等加工研磨。


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