扩大PCBN应用

魔神

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图1 PCBN可以在3000 sfm以上的切削速度下加工灰铸铁。由于切削刃可以保持锋利，刀具寿命非常高，零件质量也非常好。 多年来，PCBN（多晶立方氮化硼）刀具在加工硬度大于45HRC的合金钢以及各种铸铁和铸钢时具有莫大的优势。现在，PCBN刀具的设计和用途方面出现了诸多的新进展，能够改善加工性能和扩大应用范围。例如新研制的PCBN整体式大粒度厚刀片，可以有效地切削以往只能磨削的硬质铸铁合金。 增大PCBN粒度可以改进耐磨性和抗冲击性，这是有效切削铁素体含量低于10%的铸铁材料的关键。粗加工这些零件时，必须具有足够的抗冲击性，才能对付铸造过程留下的裂纹、砂眼等障碍。精加工则需要非常好的耐磨性，因为零件可能含有28～30%的铬，而且硬度会高达68～72HRC。 最新的PCBN刀片还具有更好的可靠性和经济性，由于横截面从传统的1/8英寸增加到3/16英寸，新刀片可以利用垫片可靠地固定在标准硬质合金刀杆上。另外，整体式PCBN结构在两个侧面提供多重切削刃，从而降低了产品的单位成本。 除了这种新型的整体式厚刀片以外，今天的PCBN刀片还可提供“表面烧结”型和“镶齿（镶刃）”型。表面烧结型是在硬质合金基体上烧结一个完整的PCBN表面，这样的刀片不象整体式PCBN刀片那样昂贵，不过只能在一个侧面提供多重切削刃。今天使用的PCBN刀片大多属于价格比较低廉的镶齿型。 这种刀片在其它硬质合金刀片的一角焊入一小片PCBN，形成单切削刃或双切削刃。表面烧结型和镶齿型PCBN刀片都符合工业标准规格，它们和最新式的整体刀片一样，可以安装在标准硬质合金刀杆和铣刀的刀片槽内。 切削条件和参数 PCBN硬加工比较适合于硬度在45HRC以上的工件，45HRC起码是业内大多数人常用的下限。这并不是说PCBN不能加工比较软的零件，而是说在硬度较低的场合下，刀片月牙洼形磨损是个问题。 PCBN粗加工时，采用整体式刀片的最大切削深度范围是： 白口铁及其它硬度大、铬含量高的铸铁-3/16英寸； 无铬“清洁”铸铁-1/4英寸以上。 精加工速度范围是： 高铬钢：350～400 sfm 灰铸铁：7000 sfm以内。 任何PCBN操作都必须有刚性非常高的机床设置，大体上包括刀具本身、工件装卡和机床。 随工件材料、材料硬度、零件尺寸和形状的不同，适宜于PCBN 精加工的速度将变化迥然，切削60～62HRC硬度范围内的淬火钢时，可采用0.020"的吃刀深度和600 sfm 左右的切削速度，而且在0.002～0.004 ipr的进给速度下，这通常可以达到8 rms 以内的精细光洁度。如果加工比较硬的材料，可能需要把速度提高一点儿，但是即使在这种情况下，650sfm 差不多也是最大极限；速度再高，磨损可能过大。加工普通铸铁时，速度显然可以快得多。 图2 价格较便宜的PCBN镶齿刀片特别适合于硬 车削，因为硬车削要求0.012-0.015英寸的浅切削深度。60-62HRC的钢零件可以达到8微英寸以内的表面光洁度。 选用正确的刀片类型 在PCBN加工中，另一个重要事项是选择整体式、表面烧结式还是镶刃式刀片。就许多粗加工和精加工用途而言，PCBN镶齿刀片既经济又可靠，但是为了某些用途，当然最好还是选用整体刀片或表面烧结刀片。 对中间带有铸造毛刺的汽缸套进行粗镗加工就是一个例子，如果在这里使用镶齿刀片，即使吃刀深度完全正确，飞边依然会冲击PCBN镶刃并最终使之脱落。而采用比较结实的整体式或表面烧结式PCBN刀片一般不会发生这样的事。整体式和表面烧结式还有额外的好处-可以修磨，使刀片的寿命延长，这有助于抵消最初投资的高成本。 整体式和表面烧结式PCBN刀片用来加工带有飞边的汽缸套时性能都很好。整体刀片的初始成本较高，因此为了经济有效地使用之，必须确保两侧切削刃都能够得到利用。 近来，PCBN刀片应用增长最快的是硬车削，尤其是车削汽车发动机的60～65Rc范围内的合金钢零件，如齿轮、轴和轴承等。这些零件过去采用磨削加工到非常小的尺寸公差和很好的表面光洁度。现在可以用CNC车床达到相同的效果，而CNC车床的成本大概只有CNC磨床的一半，维护成本也远远低于CNC磨床。 价格较低的PCBN镶刃刀片可以用于这样的硬车削工序，因为切削深度比较浅，要求0.012～0.015英寸。Carboloy公司在用镶齿刀片进行试验时，始终可以把硬度60～62Rc的淬火钢零件表面加工到8微英寸以内的光洁度。 优化PCBN应用 有效使用PCBN的出发点是机床机构的可靠性和刚性，最新式的PCBN加厚整体刀片（3/16英寸）可以可靠地固定在标准刀杆上。 除此以外，现代CNC车床和加工中心完全具备成功利用PCBN刀具所需要的刚性。随着经济的日益发展，新机床的数量在迅速增加，这给高性能刀具材料的应用提供了良好的环境。一般说来，PCBN切削为干切削。尽管PCBN 材料硬度大、足以承受切削过程所产生的热变形，但是它们也很脆，容易在冷却液的温度影响下发生破裂，这在断续切削情况下更是如此。如果PCBN切削过程可能会中断，切勿使用冷却液。 刀片切削刃的接边加工也是一个大大影响PCBN成功使用的条件。请记住PCBN是一小片硬而脆的切削材料，而它要切削62Rc硬度的工件。 为了达到理想的刀具寿命，PCBN刀片的切削刃必须通过合理的接边加工或刃磨而增加强度。 切削刃的形状可从精加工铸铁的小圆弧，到粗加工白口铁的0.150英寸x 15°T形倒棱。倒棱和圆弧也可以相结合。刀片倒棱可以增大切削刃的角度和强度。例如，在90°角的基础上倒20°棱，就形成110°的刃角。角度越大，切削刃越结实。 合理刃磨PCBN刀片的一般准则是保证倒棱的角度和工件材料的硬度成比例，因为增大角度和强度能改变切削力的方向并减小切削刃的应力。因此，在加工铸铁时，研磨小圆弧适合于精加工，而0.008英寸x 20°左右的T形倒棱最好用于粗加工。若要加工65HRC的高硬度钢零件， T形倒棱的合适范围可能是0.004～0.008英寸x 20°。 今天，为了把PCBN刀具有效地应用于更大范围的硬质零件，可以利用一切专有技术、工具技术和机床刚性，这些刀具在其使用范围内是空前可靠和经济有效的，并且可以在每个制造商为了保持竞争性而必须实现的生产能力改进中发挥重要的作用。