国外PCBN切削刀具应用技术

HEATS 发表于 2010-9-12 11:11:44

<DD>立方氮化硼(CBN)是纯人工合成材料，是继人造金刚石之后，美国GE公司于1957年首先宣布利用高温超高压装置合成的另一种新型超硬材料。聚晶立方氮化硼(PCBN)是由CBN微粉与少量结合剂烧结而成的多晶体，PCBN自1973年研制成功以来，经过众多材料专家及刀具专家的努力，PCBN材料及其刀具已完全进入实用阶段，在工业发达国家PCBN刀具已应用于汽车、重型机械等机械加工行业，据资料介绍1995年全世界PCBN刀具的销售额达1.35亿美元，而我国由于对CBN材料及其应用技术的研究不够，PCBN刀具的年产量仅数百万元人民币，年消耗也仅千万元左右，且绝大部分PCBN刀坯或刀具是从国外进口。
<H1>一、PCBN材料的性能</H1>
<OL>
<LI>CBN的主要特性
<DD>氮化硼有多种同分异构体。CBN是氮化硼的致密相，具有很高的硬度，其Knoop硬度47000N/mm2,，仅次于金刚石。同时，CBN具有良好的热导性，其热导率是硬质合金的13倍、铜的3倍。另外，CBN还具有远优于金刚石的热稳定性和化学稳定性，可耐1300～1500℃的高温，并且与Fe族元素有很大的化学惰性。可见CBN是制作切削黑色金属的理想刀具材料。</DD>
<LI>PCBN的特性
<DD>由于受CBN本身特性及其制造技术的限制，生产直接用于切削刀具的大颗粒CBN单晶目前仍很困难。为此，通过结合剂使CBN烧结而成的PCBN多晶材料得到较快发展，其尺寸大小基本不受限制。PCBN组织中各微小晶粒呈无序排序，硬度均匀、没有方向性，具有一致的耐磨性和抗冲击性，克服了单晶CBN易解理和各向异性等不足。
<DD>PCBN属CBN的聚集体，除具有CBN的特点外，PCBN还与CBN的含量、粒径大小及结合剂的种类等因素有关。CBN含量主要影响PCBN的硬度和热导率，含量高，PCBN的硬度和热导率就高。CBN粒径大小是影响PCBN韧性的重要因素，粒径越大，其抗破损性就越弱，用此制作的刀具切削刃锋利性就差。PCBN中的结合剂主要有以Co、Ni为代表的金属型，以TiC、TiN、Al2O3为主的陶瓷型和金属陶瓷混合型。金属材料作结合剂时，PCBN有较好的韧性和导电性；陶瓷材料作结合剂，则有较优的热稳定性。PCBN除具有以上优良的性能外，为进一步提高其强度，目前各PCBN制造商多将0.5mm左右的PCBN层直接烧结或焊接在硬质合金基体上，使之形成一个复合整体(也称PCBN复合片)。这样PCBN材料的高硬度、高热稳定性和高化学稳定性与硬质合金基体的强度优、可焊性好等一起，使PCBN刀具不仅可切削各种硬度的工件，而且也易于生产制造。</DD></LI></OL>
<DD>表1是PCBN材料与其它刀具材料的性能比较。 
<TABLE cellSpacing=0 borderColorDark=#ffffff cellPadding=0 align=right bgColor=#e5ebba borderColorLight=#006600 border=1>
<CAPTION>表1 PCBN与其它刀具材料的性能比较</CAPTION>
<TBODY>
<TR align=middle bgColor=#c5cb9a>
<TD>主要性能
<TD>PCBN
<TD>PCD
<TD>Al2O3
<TD>WC(K20)
<TR align=middle>
<TD>Knoop硬度(GPa)
<TD>30～45
<TD>80～120
<TD>16～24
<TD>17
<TR align=middle>
<TD>抗弯强度(GPa)
<TD>0.8～1.54
<TD>1.1～2.8
<TD>0.4～1.0
<TD>1.7
<TR align=middle>
<TD>弹性模量(GPa)
<TD>680～815
<TD>560～840
<TD>420
<TD>593
<TR align=middle>
<TD>断裂韧性(MPa√m)
<TD>3.7～6.4
<TD>7.0～9.0
<TD>2.3～3.1
<TD>10.5
<TR align=middle>
<TD>热导率(W/(m•K))
<TD>44～100
<TD>200～560
<TD>20.9
<TD>100</TD></TR></TBODY></TABLE>
<H1>二、PCBN刀具切削特点——硬态切削</H1>
<DD>硬态切削是指在铁族零件淬硬热处理后的切削加工，而过去磨削仍是其唯一的加工方法。随着陶瓷刀具，特别是PCBN刀具(PCBN材料有优良的红硬性。在1000℃下的硬度仍高于硬质合金在室温下的硬度)的研制成功，硬态切削得到飞速飞展。
<DD>PCBN刀具进行硬态切削时，由于PCBN不粘刀、磨损小，可获得极高的加工精度和表面质量( Ra0.2～2.0µm)，实现以车代磨。据日本切削协会对本国53个大公司的调查表明，日本PCBN刀具的应用有55%是替代原来的磨削和珩磨。
<DD>PCBN刀具主要适用于切削45HRC以上的淬硬钢、耐磨铸铁，35HRC以上的耐热合金或其它刀具很难加工的特殊铸铁。如果被加工材料硬度过低，则PCBN刀具的优势将不大明显。 
<TABLE cellSpacing=0 borderColorDark=#ffffff cellPadding=0 align=right bgColor=#e5ebba borderColorLight=#006600 border=1>
<CAPTION>表2 国外主要PCBN的型号及特点</CAPTION>
<TBODY>
<TR align=middle bgColor=#c5cb9a>
<TD>型号
<TD>特点
<TD>公司
<TR>
<TD>AMBORITE DBA80 AMB90 DBC50
<TD>高含量、粗粒度、陶瓷相、整体式 80%CBN、中等粒度 90%CBN、Al/AlB2相 50%CBN、细粒度、陶瓷相
<TD>英国De Beers
<TR>
<TD>BZN6000 BZN7000S BZN8100 BZN8200
<TD>90%CBN、0.3µm、金属相 82%CBN、陶瓷相、整体式 65CBN、0.3µm、TiN相 65%CBN、TiN相
<TD>美国GE
<TR>
<TD>BN600 BN100 BN300 BNX20
<TD>高含量 80%CBN <1.0µm、陶瓷相 陶瓷相
<TD>日本住友电工Sumitomo
<TR>
<TD>MB710 MB710 MB810 MB810
<TD>陶瓷相 高含量、金属相 粗粒度 细粒度
<TD>日本三菱マテリアル
<TR>
<TD>JBN500 JBN300 JBN330 JBN20
<TD>80%～90%CBN、2～3、金属相 55%～65%CBN、4～5µm、TiN相 45%～55%CBN、3～4µm、TiN相 40%～00%CBN、2～3µm、Al2O3相
<TD>日本黛杰工业Dijet
<TR>
<TD>KBN30S KBN30B KBN10B
<TD>重、中切削用 中、轻切削用 精切削用
<TD>日本京瓷会社Kyocera
<TR>
<TD>KB90 KB80 KB60 KB50
<TD>90%CBN 80%CBN 60%CBN 50%CBN
<TD>韩国Korea Tungstem
<TR>
<TD>CBN10 CBN20 CBN10
<TD>90%CBN、粗粒度、整体式 80%CBN、中等粒度 00%CBN、细粒度
<TD>瑞典seco Tools
<TR>
<TD>CB7050
<TD> 
<TD>瑞典Sandvik Coromant
<TR>
<TD>Kusopum-p
<TD> 
<TD>乌克兰超硬材料所</TD></TR></TBODY></TABLE>
<H1>三、国外主要PCBN刀坯的种类和型号</H1>
<DD>国外主要PCBN刀坯的种类和型号，大致可分为两大类，即高含量PCBN和低含量陶瓷结合剂PCBN(也称陶瓷CBN)。高含量PCBN(一般CBN含量80%～90%)是以CBN之间直接结合为主，具有高硬度、高热导性和良好韧性，这类PCBN刀具适合于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、硬质合金、耐热合金等。目前此类PCBN刀坯主要有GE公司的BZN6000，De Beers公司的Amborite、DBC80，住友电工的BN100、BN600等。
<DD>在切削淬硬钢(合金钢、轴承钢、模具钢、碳钢等)时，由于切削温度较高，要求PCBN刀具不仅有高的硬度，还要求有较高抗氧化能力和抗扩散磨损的能力，对此应采用陶瓷作结合剂的低含量PCBN刀坯。尽管此类PCBN较高含量PCBN的硬度、热导率和韧性稍低，但是正因为陶瓷材料的耐热性好与热导性差的特点，使切削区形成热滞留温度升高，工件局部迅速形成塑性变形而易于切削，可获得较好的效果(也称软化效应)。目前此类刀坯主要有GE公司的BZN8100、BZN8200，De Beers公司的DBC50，住友电工的BN300、BN220 等。
<DD>表2 为国外主要PCBN刀坯的型号及特点。
<H1>四、PCBN刀具的应用范围</H1>
<OL>
<LI>按行业来分，汽车工业占50.37%、重型机械～20.74%、泵业8.89%、轴承齿轮5.93%、轧滚5.19%、航空航天2.90%，其它5.93%。
<LI>按加工材料来分，淬火钢占65%、铸铁28%、耐热钢7%。
<LI>按加工工序来分，车削占60%、镗削32.5%、端铣7.5%。
<LI>按替代原加工来分，50%为替代磨削、30%替代硬质合金刀具、10%替代金属陶瓷刀具、5%替代陶瓷刀具、5%替代珩磨加工。</LI></OL> 
<TABLE cellSpacing=0 borderColorDark=#ffffff cellPadding=0 align=right bgColor=#e5ebba borderColorLight=#006600 border=1>
<CAPTION>表3 PCBN刀具的经济切削速度</CAPTION>
<TBODY>
<TR align=middle bgColor=#c5cb9a>
<TD>工件材料
<TD>切削速度(m/min)
<TD>进给量(mm/r)
<TD>切削深度(mm)
<TR>
<TD>淬硬钢
<TD>50～160
<TD>0.02～0.2
<TD>≤0.3
<TR>
<TD>灰口铸铁
<TD>200～1500
<TD>0.1～0.5
<TD>≤1.0
<TR>
<TD>灰口铸铁(铣削)
<TD>800～1500
<TD>0.1～0.1
<TD>≤0.5
<TR>
<TD>合金铸铁
<TD>200～800
<TD>0.1～0.4
<TD>≤0.5
<TR>
<TD>球墨铸铁
<TD>100～350
<TD>0.1～0.4
<TD>≤0.5
<TR>
<TD>铁基烧结材料
<TD>50～250
<TD>0.03～0.2
<TD>0.1～1.0
<TR>
<TD>冷硬铸铁
<TD>40～130
<TD>0.1～0.5
<TD>0.2～3.0
<TR>
<TD>高速钢
<TD>20～80
<TD>0.1～0.4
<TD>0.1～3.0
<TR>
<TD>Ni基耐热合金
<TD>110～160
<TD>0.05～0.2
<TD>0.1～1.0
<TR>
<TD>Co基耐热合金
<TD>50～100
<TD>0.05～0.2
<TD>0.1～1.0</TD></TR></TBODY></TABLE>
<H1>五、PCBN刀具应用技术</H1>
<DD>硬态切削时，径向力很大，机床和系统的刚性必须很好、功率足够大。装夹PCBN刀具时，刀具的悬伸长度要尽可能短，以防止刀杆的颤振和变形，使PCBN刀具保持良好的状态。
<DD>PCBN刀具比硬质合金刀具韧性差，因此在切削时，一般都采用负前角(0°～-10°)、较小的后角(6°～8°)和负倒棱[(0.1～0.2)×(10°～30°)]。若进一步对切削刃适当钝化处理，则会更好。另外，在可能的情况下，尽可能采用小主偏角和大的刀尖圆弧半径，这有助于保护切削刃、延长刀具使用寿命。
<DD>合理使用PCBN刀具，准确判断PCBN刀具的耐用度是关键。建议PCBN刀具后刀面磨损标准达0.3～0.5mm(精车时取小值)，进行定期重磨为好。但是重磨需要一定的设备和技巧，大多数工厂的机床不具备适合的条件，PCBN刀具重磨应由专业厂商来完成。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。通常情况下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，使被加工材料的塑性增大，有利于降低切削力。表3是PCBN刀具的经济切削速度。
<DD>PCBN刀具在使用时以干切削为好，如果需要切削液时，一定要冷却充分，禁用水溶性切削液。
<DD>随着技术的进步，PCBN刀坯系列越来越多，专用性越来越强，对于不同材质和要求的工件应选用相应的PCBN材料，以取得满意的加工效果。 </DD>

页: [1]

磨削技术网's Archiver

国外PCBN切削刀具应用技术