人造金刚石氮化硼(PCBN)刀具详细先容

2017-07-01 10:07| 发布者: | 查看: |

首饰PCBN刀具
PCBN刀具概况

PCBN刀具是人造立方氮化硼刀具,在高温的时候还能保持高硬度的特性,主要做加工铁件之用。立方氮化硼CBN(Cubic Boron Nitride)是20世纪50年代首先由美国通用电气(GE)企业利用人工方法在高温高压条件下合成的,其硬度仅次于金刚石而远远高于其它材料,因此它与金刚石统称为超硬材料。
 
本文将从PCBN刀具的特点、种类、用途、生产流程、生产质量、切削性能、应用领域、使用注意、合理使用、修磨 等方面论述!
 
PCBN刀具的特点
CBN具有较高的硬度、化学惰性及高温下的热稳定性,因此作为磨料CBN砂轮广泛用于磨削加工中。
 
由于CBN具有优于其它刀具材料的特性,因此人们一开始就试图将其应用于切削加工,但单晶CBN的颗粒较小,很难制成刀具,且CBN烧结性很差,难于制成较大的CBN烧结体,直到20世纪70年代,前苏联、中国、美国、英国等国家才相继研制成功作为切削刀具的CBN烧结体——聚晶立方氮化硼PCBN(Polycrystalline Cubic Boron Nitride)。
 
从此,PCBN以它优越的切削性能应用于切削加工的各个领域,尤其在高硬度材料、难加工材料的切削加工中更是独树一帜。经过30多年的开发应用,现在已出现了用以加工不同材料的PCBN刀具材质。
 
PCBN刀具种类
 
按添加成分分:
 
1、直接由CBN单晶烧结而成的PCBN
 
2、添加一定比例粘结剂的PCBN烧结体  
 
按制造复合方式分
 
1、整体PCBN烧结块
 
2、硬质合金复合烧结的PCBN复合片
 
PCBN刀具用途
 
目前应用较广的是带粘结剂的PCBN复合片,根据添加的粘结剂比例不同则PCBN硬度也不同,粘结剂含量越多则硬度越低、韧性越好;粘结剂种类不同,则PCBN的用途也不同,如表所示为常见粘结剂的PCBN刀具及其用途。
 
PCBN刀具的生产流程
 
1、原材料的处理
 
由于CBN微粉中残留有WBN、HBN、叶蜡石、石墨、镁、铁等杂质;另外它和结合剂粉末中均含有吸附氧、水汽等,对烧结不利。因此原材料的净化处理方法是确保合成聚晶性能的重要环节之一。研制时大家采用下列方法对CBN微粉和结合剂材料进行净化处理:首先在300 C左右用NaOH处理CBN徽粉,去除其中的叶蜡石和HBN;然后煮高氯酸去除石墨;最后用HCl在电热板上煮沸除去金属,并用蒸馏水洗至中性。结合剂用的Co、Ni、Al等采用氢还原处理。然后将CBN和结合剂按一定配比混合均匀并参入石墨模具中,送入压力小于1E2的真空炉内,加热800~1000°C处理1h,除去其表面的污垢、吸附氧及水汽等,使CBN晶粒表面很洁净。
 
结合剂材料的选择及加入量方面,总的结合剂加入量应充足但不能过多。实验结果表明,聚晶耐磨性和抗弯强度等与平均自由程(粘结相层厚度)关系密切,当平均自由程为0. 8~1.2μm时,聚晶磨耗比值最高,此时结合剂掺入量为10%~15%(质量比)。
 
除了结合剂的选择之外,CBN粒度及粒度配比的确定也至关重要, 根摒加工精度和表面质量要求,制造切削工具用的CBN粒度大约分为:粗粒度20~30μm;中粒度3~10微米;细粒度2微米。用粗粒度做成的聚晶难以做成精度要求高的刀具,但其耐磨性、抗冲击性较高,细粒度做成的聚晶制成刀具可满足精加工和超精加工的要求
 
2、胚体合成
 
PCBN 复合片是直接在高温高压下把CBN层与硬质合金衬底复合在一起,经过切割、焊接工艺做成各种焊接成型切削刀具或刀片。
 
3、PCBN刀具的磨加工流程
 
生产出的PCBN刀具胚体需要刃磨才能用于切削,刃磨刀具获得正确的几何形状和表面粗糙度。一般分粗磨、精磨和研磨工序。粗磨采用180~240号树脂结合剂金刚石砂轮,进刀量为0. 01 mm/双行程;精磨用wlo~W14树脂结合剂砂轮,进刀量为0. 005 mm/双行程;研磨用W5~W3的金刚石砂轮或研磨膏,研磨刃磨中应特别注意金刚石砂轮的开刃修整对刃磨的影响。尽管刃磨过程中刀具在砂轮的整个端面来回摆动以使砂轮表面消耗一致,但实际上砂轮表面仍容易产生凹凸不平,须经常修整。
 
4、PCBN刀具的几何参数
 
PCBN刀具的寿命与其几何参数密切相关,合适的前后角可提高刀具的抗冲击性能。排屑能力及散热能力。前角的大小直接影响切削刃的受力情况和刀片的内应力状态。为了避免刀尖承受机械冲击所造成的拉应力过大,一般采用负前角(-5。~- 10。),同时为减少后角磨损,主副后角为6。,刀尖半径为0.4–1.2mm的圆角,并倒棱研磨光滑。
 
5、PCBN刀具的检验
 
除检测硬度指标,抗弯轻度,抗拉强度等物理性能外,更需要用高倍电子显微镜检查PCBN刀具的表面和刃口处理精度。然后是尺寸检验,精度检测,M值,以及形位公差,粗糙度,然后包装入库。
 
 
PCBN刀具的生产质量
 
1、高纯度、高净化率的原材料;可靠规范的胚体合成工艺,这两项直接决定立方氮化硼刀具的性能。当然,这也是市场上立方氮化硼刀具价格参差不齐的最大原因。
 
2、 磨加工:由于立方氮化硼刀具不像硬质合金刀片具备复杂槽型和涂层,性能主要取决于刀具胚体性能,而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,但是立方氮化硼刀具的质量和耐用度都会上一个档次。
 
3、严格检验手段:除了尺寸精度和表面质量外,立方氮化硼刀具生产过程中,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立方氮化硼刀具使用过程中崩刃口的导火索,容易造成使用时出现刀具扎刀问题。
 
从使用角度讲:抗冲击性能好,特别是粗加工领域,使用时不崩刃,不碎裂,这是立方氮化硼刀具使用安全性的最基本保证。耐磨性能好,高效加工的同时,能够低成本的代替硬质合金刀具和陶瓷刀片,这是立方氮化硼刀具使用经济型的保证。
 
由于PCBN刀具多为高端产品,制造强度大,技术门槛高,目前主要为国外制造商所控制,在2009年,复合超硬刀具材料市场全球占有率前几位的企业为清一色的国外企业,分别是元素六(30%)、DI企业(20%)、日本住友(18%)、韩国日进(9%)、MegaDiamond(4.5%)、TomeiDiamond(4.5%)、Dennistools(4%),几大企业就占据了市场的90%。
 
在非复合超硬刀具市场中,立方氮化硼整体聚晶刀片已经是我国的强项,河南超硬材料研究所研的HLCBN作为优势品牌出口到欧洲、美洲等高端用户市场的达20万片,在我国的超硬刀具行业独树一帜,况且随着国内六面顶压机技术的成熟和普及,在整体聚晶氮化硼刀片制造工艺上比国外更有优势。
 
 
PCBN刀具的切削性能
 
由于CBN晶体与金刚石晶体都属闪锌矿型,且晶格常数相近,化学键类型相同,因而CBN具有接近金刚石的硬度和抗压强度,又因为其是由N、B原子所组成,因此具有比金刚石更高的热稳定性和化学惰性。PCBN刀具材料主要性能如下:
 
具有很高的硬度和耐磨性
 
CBN单晶的显微硬度为HV8000~9000,是目前已知的第二高硬度的物质,PCBN复合片的硬度一般为HV3000~5000。因此用于加工高硬度材料时具有比硬质合金及陶瓷更高的耐磨性,能减少大型零件加工中的尺寸偏差或尺寸分散性,尤其适用于自动化程度高的设备中,可以减少换刀调刀辅助时间,使其效能得到充分发挥。
 
具有很高的热稳定性和高温硬度
 
CBN的耐热性可达1400~1500℃,在800℃时的硬度为Al2O3/TiC陶瓷的常温硬度,因此,当切削温度较高时,会使被加工材料软化,与刀具间硬度差增大,有利于切削加工进行,而对刀具寿命影响不大。
 
具有较高的化学稳定性
 
CBN具有很高的抗氧化能力,在1000℃时也不产生氧化现象,与铁系材料在1200~1300℃时也不发生化学反应,但在1000℃左右时会与水产生水解作用,造成大量CBN被磨耗,因此用PCBN刀具湿式切削时需注意选择切削液种类。一般情况下,湿切对PCBN刀具寿命无明显提高,所以使用PCBN刀具时往往采用干切方式。
 
具有良好的导热性
 
CBN材料的导热系数低于金刚石但大大高于硬质合金,并且随着切削温度的提高,PCBN刀具的导热系数不断增大,因此可使刀尖处热量很快传出,有利于工件加工精度的提高。
 
具有较低的摩擦系数
 
CBN与不同材料的摩擦系数在0.1~0.3之间,大大低于硬质合金的摩擦系数(0.4~0.6),而且随摩擦速度及正压力的增大而略有减小。因此低的摩擦系数及优良的抗粘结能力,使CBN刀具切削时不易形成滞留层或积屑瘤,有利于加工表面质量的提高。
 
 
PCBN刀具的应用领域
 
1、适用于高速及超高速切削加工技术
 
PCBN刀具最适合于铸铁、淬硬钢等材料的高速切削加工。由PCBN刀具切削铸铁及淬硬钢时刀具后刀面磨损与切削距离的关系可以看出:当切削速度超过一定限度后,切削速度越高,PCBN刀具后刀面磨损速度反而越小,即高速切削下刀具的寿命反而高,这一特点尤其适合现代高速切削加工。
 
2、硬态切削加工技术的最佳刀具材料
 
对淬硬件(硬度HRC55以上)的精加工,通常采用磨削加工方法来完成,然而随着刀具材料发展及车床(尤其是数控车床)加工精度的提高,以硬态切削代替磨削来完成零件的最终加工已成为一个新的精加工途径,这种以车代磨的工艺方法有以下优点:
 
(1)可提高加工柔性,突破了砂轮磨削的限制,通过改变切削刃及走刀方式可以加工出几何形状各异的工件;
 
(2)切削加工中的环保问题日益严峻,磨削加工产生的废液和废弃物越来越难以处理和清除,而且对人体有害,而硬态切削无须加冷却液,意义重大;
 
(3)切削效率高,加工时间短,设备投资费用小,可降低加工成本;
 
(4)切除相同体积所消耗的能量仅为磨削的20%,因此产生的切削热较少,加工表面不易引起烧伤和微小裂纹,易于保持工件表面性能的完整性;
 
(5)同样金属去除率情况下,硬态切削较磨削节省能源。
 
通常用于硬态切削的刀具材料有陶瓷、TiC涂层刀片及PCBN刀具材料,但要在较高速度(1000m/min以上)下进行硬态车削,PCBN是最佳刀具材料品种。如在汽车变速箱同步器套拨叉(材料为20CrMnTi,硬度为HRC58~62)加工采用以车代磨后,效率提高4倍以上,加工成本降低为原来磨削工艺的1/3~1/2。
 
3、进行干切削加工工艺的理想刀具材料
 
由于经济与环保方面的原因,近几年干切削加工方法已成为机械制造领域中的重点研究课题。大家首先来看一下湿切工艺由于使用切削液带来的问题:
 
(1)长期暴露在空气中或切削加工中由切削热造成的切削液雾状挥发,容易污染环境、危害操编辑健康,切削液中的硫、氯等添加剂危害更大,影响加工表面质量;
 
(2)切削液的使用影响加工成本,据统计,切削液占生产成本的15%,而刀具费用仅占3%~4%;
 
(3)切削液的渗漏、溢出会污染环境,易发生安全、质量事故;
 
(4)切削液的传输、回收、过滤等装置及其维护费用较高,增加了生产成本。
 
由于以上原因,干切削加工工艺已在西方工业发达国家有了相当的应用。由美国Makino企业推荐的“红月牙”(Red Crescent)干切工艺,既可以充分发挥刀具的切削性能,与湿切相比又能大大提高生产率。其机理是由于切削速度很高,产生的热量聚集于刀具前部,使切削区附近材料达到红热状态,屈服强度下降,进而达到提高切削效率的效果。采用红月牙干切削工艺的前提条件是在较高切削温度下,被切材料强度有明显下降,变得易切削,而刀具材料的强度在同样状态下要有较好的红硬性及热稳定性,还要有较好的耐磨性和抗粘结性。
 
适用于干切工艺的刀具材料有陶瓷、金属陶瓷、涂层硬质合金及PCBN刀具材料等等,但就红硬性和热稳定性来说,PCBN材料是最适合干切工艺的刀具材料,且由于PCBN刀具材料具有上述优点,更适于高速条件下的干式切削加工,用PCBN刀具切削灰口铸铁干切削和湿切削两种情况下的对比可以看出:PCBN在高速干切情况下,比湿切削具有更高的刀具寿命。
 
4、适应于自动化加工及难加工材料加工
 
PCBN刀具有很高的硬度及耐磨性,能在高切削速度下长时间地加工出高精度零件(尺寸分散性小),大大减少换刀次数和刀具磨损补偿停机所花费的时间。因此,很适合于数控机床及自动化程度较高的加工设备,并且能使设备的高效能得到充分发挥。
 
在难加工材料应用方面,PCBN刀具也显示了其卓越的性能,如表面喷焊(涂)材料的加工,用其它材料刀具加工,刀具寿命极低,也无法采用磨削方法加工,而PCBN是惟一适合的刀具材料;又如,在石油电站设备中使用的高合金耐磨铸铁,采用PCBN刀具较硬质合金刀具提高切削效率4倍以上,单件刀具成本下降为原来的1/5。另外在硬质合金等烧结材料的切削加工方面,PCBN刀具也显示了很好的切削性能。
 
附加:PCBN刀具的应用事例
 
由于PCBN具有较高的硬度和耐磨性,在高温下不与铁族金属起反应的化学惰性,因此主要用于高硬度材料及难加工材料的切削加工,如淬硬钢、高合金耐磨铸铁、高温合金、高速钢、表面喷焊材料、烧结金属材料等难加工材料的切削加工。
 
(1)加工淬硬钢,可起到以车代磨的效果,由于切削深度比磨削深度大十几倍以上,因此加工效率高,表面不产生烧伤。如以车代磨加工变速滑动齿轮(20CrMnTi,硬度为HRC58~62)时,切削比原磨削加工效率提高4倍以上。
 
(2)加工高合金(含钨或铬18%)耐磨铸铁,切削速度较硬质合金刀具提高10倍以上,切削效率提高4倍以上。
 
(3)加工高钴铬钼耐蚀耐热合金,PCBN刀具切削速度为160m/min,是硬质合金刀具的8倍。
 
(4)加工热喷涂(喷焊)材料,表面喷焊件无法用磨削加工,而用硬质合金刀具切削效率极低,改用PCBN刀具后可提高加工效率,节省加工费用50%以上。PCBN刀具还可用于有色金属的精密切削及烧结金属的切削加工等等。
 
 
PCBN刀具使用时注意事项
 
如果正确选择切削用量、刀具几何参数及其他加工条件,则PCBN是一种高效长寿命刀具,能创造很高的经济效益,但如果使用方法不当,则会造成很大的浪费。
 
(1)合理选择切削用量:切削速度要根据被加工材料进行选择,一般要大大高于硬质合金刀具。切削硬度HRC55~65的淬硬钢可选切削速度为80~120m/min,由于PCBN切削硬材料是将切削区内微小区域的金属软化而进行的,因此切削速度过低时,就不能发挥PCBN刀具的切削性能。进给量一般不能大于0.2mm/r,背吃刀量一般选择小于0.3mm。
 
(2)合理选择刀具几何参数:由于PCBN刀具的韧性高于陶瓷,低于硬质合金,因此刀具几何参数的选择主要考虑的就是保证刃口强度,刀具前角一般选择(0°~-10°),后角选择较小,为10°左右。除特殊要求外,为保证刀尖强度,刀尖角一般不要小于90°;刃口要磨出负倒棱,一般取为0.2mm×(-15°~-30°),使用前要用30~50倍放大镜对刀具进行检查,确保刃口无崩刃。
 
(3)冷却与润滑:对其他材料刀具,采用冷却润滑液有利于提高加工表面和延长刀具寿命,但对PCBN刀具除极特殊情况下,不加冷却液同样可达到理想的加工质量和较长的刀具寿命,对PCBN刀具来说是怕软不怕硬。若使用冷却液,则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。
 
(4)对机床的工艺系统:由于PCBN刀具多用于淬硬钢及耐磨铸铁等难加工材料的切削加工,且刀具有负倒棱,因而径向力较大。这就要求机床刚度和精度要好,系统振动要小,刀具安装时悬臂要小,PCBN刀具不宜用于荒面加工。
 
目前,虽然PCBN刀具材料的价格相对硬质合金及陶瓷刀具的价格还偏高,但均摊到每个工件上的刀具成本却低于其他材料刀具,采用先进切削加工工艺时,若将磨削机床等设备投资摊入生产成本,则PCBN刀具的使用会带来更大经济效益。对一般中小企业来说,精加工工序的磨削加工始终是制造过程的瓶颈,若购置性能好的车床,采用PCBN刀具,应用以车代磨等先进切削加工工艺,即可节省设备投资、提高生产率,又可大大增加加工过程的柔性。另外,目前由于人员费用的增大及环境保护方面的要求,大力推广使用PCBN刀具,充分发挥其潜在效能,提高切削加工技术水平也是具有重要意义的。
 
PCBN刀具该如何合理使用
 
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。
 
1. 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。
 
2.PCBN 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。
 
3. 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。
 
4. 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。
 
5.PCBN 刀具不适于加工较软的黑色金属材料。
 
6. 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。
 
7. 使用 PCBN 刀具时,可加冷却液,也可不加,使用冷却液时则一定要充分冷却。
 
有关使用 PCBN 刀具常见的磨损,磨损原因及预防措施见表
 
PCBN刀具的修磨
 
陶瓷结合剂金刚石砂轮结合金刚石和陶瓷结合剂的共同特点,具有磨削力强,磨削时温度比较低,磨具磨损比较小;可以适应各种冷却液的作用;磨削时磨具的形状保持性好,磨出工件的精度高;磨具内有较多的气孔,磨削时有利于排屑和散热,不易堵塞、不易烧伤工件;磨具的自锐性比较好,修整间隔的时间长,修整比较容易等优点。
 
 
选择合理的工艺参数,陶瓷结合剂金刚石砂轮在磨削PCBN刀具方面,由于树脂结合剂较软,磨削时容易变形,不能有效地磨削PCBN刀具;金属结合剂由于对磨粒的结合能力太强而使磨具自锐性差,磨削效率低,而且金属结合剂砂轮会造成PCBN刀具边缘产生最最严重的破坏;综合磨削效率、磨具耐用度及工件表面的加工质量,陶瓷结合剂金刚石砂轮是磨削PCBN刀具理想的选择。
 
 
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