CBN刀具材料在數(shù)控機床上及不同應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用
發(fā)布日期:2012-08-29 蘭生客服中心 瀏覽:2896
本文對PCBN刀具用于高速與超高速切削、硬態(tài)干式切削、在數(shù)控機床上加工淬火鋼加工以及不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)CBN刀具材料的要求均有描述。指出,為達到我國未來工業(yè)經(jīng)濟的高速發(fā)展,超硬刀具的成功應(yīng)用是一個關(guān)鍵因素。
1.引言
單晶立方氮化硼的顆粒很小,目前人工合成的單晶立方氮化硼的最大粒徑為3mm左右。鑒于培育立方氮化硼大單晶在技術(shù)上存在難度,所以,蘇聯(lián)、美國、英國、日本和中國相繼研制出聚晶立方氮化硼[1]。
聚晶立方氮化硼可以分為整體PCBN燒結(jié)塊和帶硬合金基體的PCBN復(fù)合片。整體PCBN燒結(jié)塊是由CBN顆粒在高壓高溫下燒結(jié)而成的;PCBN復(fù)合片是由 CBN層與硬質(zhì)合金基體在高壓高溫下燒結(jié)而成的。多晶體的結(jié)構(gòu)使聚晶立方氮化硼具有各向同性,克服了單晶存在解理面的缺陷,同時,PCBN具有硬質(zhì)合金基體的抗沖擊韌性[2]。這些優(yōu)點使聚晶立方氮化硼的應(yīng)用廣泛,特別是作為刀具材料在切削加工方面發(fā)揮了極大作用,被廣泛應(yīng)用于汽車、機床、航空航天、儀器儀表等制造領(lǐng)域。PCBN刀具可以實現(xiàn)以車代磨,并且刀具壽命比硬質(zhì)合金刀具提高幾十倍到幾百倍。隨著科技的進步和技術(shù)水平的提高,它的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)粩鄶U大。PCBN刀具的1/2用于汽車制造業(yè),約20%用于重型設(shè)備(如軋輥等)的加工[3]。
2.PCBN刀具的應(yīng)用
2.1常用刀具的綜合性能及PCBN刀具的應(yīng)用范圍
圖1大致說明了幾種刀具材料的硬度、耐磨性和韌性、強度的關(guān)系,可見理想的刀具材料應(yīng)位于該圖右上角,即應(yīng)既具有極高的耐磨性,有利于延長刀具耐用度,同時又具有好的斷裂韌性,使得其能夠承受大的切削力。
圖1 常用刀具材料綜合性能
PCBN刀具按加工方式分,車削占60%,鏜削占32.5%,端銑占7.5%。按加工材料分,淬火鋼占65%,鑄鐵占28%,耐熱鋼占7%。按替代原加工分,50%替代磨削,30%替代硬質(zhì)合金刀具,10%替代金屬陶瓷刀具,5%替代陶瓷刀具。
PCBN刀具按加工方式分,車削占60%,鏜削占32.5%,端銑占7.5%。按加工材料分,淬火鋼占65%,鑄鐵占28%,耐熱鋼占7%。按替代原加工分,50%替代磨削,30%替代硬質(zhì)合金刀具,10%替代金屬陶瓷刀具,5%替代陶瓷刀具,5%替代磨加工。
PCBN已廣泛用于數(shù)控機床、多用途機床、自動化、專用高速機床、柔性生產(chǎn)單元或柔性生產(chǎn)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的自動化生產(chǎn)線,用于各種高硬度材料(如冷熱作工具鋼、高速鋼、軸承鋼、粉末冶金鋼、粉末冶煉金屬、馬氏體不銹鋼、高強度鋼、高錳鋼、白口鑄鐵、奧氏體軟鐵等)的切削加工[4]。
2.2 不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?PCBN刀具材料的要求
圖2勾畫出了不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)CBN刀具材料的要求。硬質(zhì)鋼的加工對PCBN性能要求的范圍最廣,這是因為硬質(zhì)鋼成分多樣和加工材料量大。
圖2是不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)CBN強度、抗磨損性和抗化學(xué)摩擦性的要求[5]
2.3與應(yīng)用領(lǐng)域相對應(yīng)的PCBN材料的組成
2.4.PCBN刀具的高速與超高速切削
現(xiàn)代切削加工技術(shù)的發(fā)展趨勢是切削加工的高速、超高速發(fā)展。高速、超高速加工技術(shù)是指采用超硬材料的刀具,通過極大地提高切削速度和進給速度來提高材料切除率、加工精度和加工質(zhì)量的現(xiàn)代加工技術(shù)。超高速加工的切削速度范圍因不同的工件材料、不同的切削方式而異。目前,一般認為,超高速切削各種材料的切削速度范圍為:鋁合金巳超1600m/min,鑄鐵1500m/min,超耐熱鎳合金達300m/min,鈦合金達150~1000m/min,纖維增強塑料為 200~9000m/min。各種切削工藝的切削范圍:車削為7007000m/min,銑削為300~6000m/min,鉆削為200~1100m /min,磨削為250m/s以上。因此,對刀具適用性和使用壽命提出了更高的需求,而PCBN刀具是迄今世界上最能滿足這一要求的首選刀具。
高速切削是一個相對的概念,通常認為,高速加工時切削速度要比常規(guī)切削高5~10倍以上。高速切削時隨切削速度的提高,切削力降低,切削溫度的增加逐漸緩慢,可以提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量,降低制造成本,加快產(chǎn)品的開發(fā)周期。一般來說,切削力降低15%~30%以上,表面質(zhì)量提高1~2級,切削速度和進給速度提高15%~20%,可降低制造成本10%~15%[6]。
高速切削現(xiàn)已廣泛用于航天航空、汽車和摩托車、模具、機床等工業(yè)中的鋼、鑄鐵、有色金屬及其合金、高溫耐熱合金以及碳纖維增強塑料等材料的加工,其中以鋁合金和鑄鐵的高速加工最為普遍。而高速切削是指刀具切削刃相對于零件表面的切削運動(或移動)速度超過普通切削5~10倍,主要體現(xiàn)在刀具快進、快切、快退三個環(huán)節(jié)上。
2.5 PCBN刀具的硬態(tài)干式切削
人們普遍認為PCBN刀具硬態(tài)干式切削,一方面可以充分發(fā)揮刀具優(yōu)秀的切削性能和金屬軟化作用,另一方面加工過程中省去了切削液的使用(通常切削液占加工總成本的16%~20%左右),為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益,而且有利于環(huán)境保護和工人身體健康,是一種較為理想的加工方法。
然而在干切削帶來眾多優(yōu)點的同時,也應(yīng)看到,干切削加工時的惡劣環(huán)境,使工件與刀具都承受著高機械載荷和高熱載荷,工件表面質(zhì)量必然會受到切削溫度的影響,因此要想使干切削技術(shù)完全被人們所接受,為了降低表層和亞表層缺陷,獲得更好的加工表面質(zhì)量,適當(dāng)?shù)睦鋮s潤滑是必要的[7]。
Kennametal推出了一種新型的、高耐磨性的、有涂覆膜的PCBN,其型號為KB9610。高速加工硬材料時,其切削速度至少能提高20%,因此可獲得高的生產(chǎn)率。
KB9610的硬質(zhì)合金基體上的PCBN含有低濃度的CBN,PCBN上涂有多層鋁合金層,這種產(chǎn)品完全可以防止化學(xué)磨蝕并且耐高溫,KB9610主要用于連續(xù)精加工和半精加工淬火材料(HRC>45)、硬的涂層和冷硬鑄鐵,吃刀量可達0.5mm[8]。
2.6 PCBN刀具用于淬火鋼加工
用 PCBN刀具實施硬度切削工藝可改變傳統(tǒng)切削—淬火—磨削的制造工序,能有效地提高生產(chǎn)效率和降低能量消耗[9]。雖然PCBN刀具在淬硬鋼的切削加工中具有很多優(yōu)勢,但國內(nèi)沒有推廣使用這種新型超硬刀具材料,最重要的原因是工廠缺乏對PCBN刀具切削性能和使用技術(shù)的了解。
PCBN 刀具切削淬硬鋼時切削力的特征及其變化規(guī)律是衡量PCBN刀具切削性能的重要指標之一。馮吉福,呂智等指出,PCBN刀具切削淬硬高速鋼時切削力與切削深度呈線性上升的關(guān)系;主切削力和軸向力和進給量也呈線性上升關(guān)系;主切削力和軸向力隨切削速度增大而降低;切削深度減小時切削形態(tài)從鋸齒形切屑向帶狀切屑過渡的趨勢[10]。
2.7 高速切削鈦合金
鈦合金由于高的強度/重量比和較高的抗腐蝕能力,被應(yīng)用于航空業(yè)。但鈦合金的切削速度低、導(dǎo)熱系數(shù)低以及很容易跟刀具材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等難加工性已成為生產(chǎn)中的辣手問題。實際生產(chǎn)中加工鈦合金的切削速度多在50m/min 以下,因此,鈦合金的高速切削加工是當(dāng)前亟待解決的生產(chǎn)難題,也是當(dāng)今研究的熱點問題。采用PCBN刀具對鈦合金TC4進行高速切削的試驗表明,PCBN 刀具加工鈦合金TC4與硬質(zhì)合金刀具相比,有著切削力高、表面粗糙度低和刀具壽命長等特點,并且在高速、低進給量、低背吃刀量的條件下,有更長約刀具壽命和更好的工件加工表面粗糙度。因此,PCBN刀具更適合用作鈦合金的精加工[11,12]。
3.結(jié)語
上世紀制造技術(shù)的進步可據(jù)兩個趨勢做出終肯的總結(jié):一是所達到的精度呈指數(shù)級增產(chǎn),二是每隔10年生產(chǎn)率增長2倍。后一趨勢主要是由更硬、熔點更高的切割工具的使用產(chǎn)生的。在過去的25年中,PCBN的應(yīng)用在很大程度上大與這一趨勢相關(guān)聯(lián)。
高效切削已經(jīng)成為現(xiàn)代制造的主流,而聚晶立方氮化硼刀具在其中扮演著不可缺少的角色。目前,我國刀具制造業(yè)還停留在傳統(tǒng)的發(fā)展模式上,無法滿足現(xiàn)代制造業(yè)對高效刀具的需求。
超硬材料刀具發(fā)展是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。美、德、日等世界制造業(yè)的國家無一例外都是刀具工業(yè)先進的國家。超硬材料刀具不但推動制造技術(shù)發(fā)展進步的重要動力,還是提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低加工成本的重要手段。
今天先進的數(shù)控機床已經(jīng)成為現(xiàn)代制造業(yè)的主要裝備,它與同步發(fā)起來的先進超硬材料刀具一起共同推動了加工技術(shù)的進步,使制造技術(shù)進入了現(xiàn)代制造的新時代。
由于我國機床工具行業(yè)對現(xiàn)代金屬切削刀具與傳統(tǒng)刀具的差別缺乏足夠的認識,長期以來重主機、輕工具,在發(fā)展戰(zhàn)略上超硬材料刀具與數(shù)控機床的發(fā)展嚴重脫節(jié),使我國超硬材料刀具技術(shù)的發(fā)展和行業(yè)水平與現(xiàn)代制造業(yè)的要求相差甚遠。
超硬刀具的應(yīng)用程度將取決于技術(shù)和經(jīng)濟兩方面的考慮。然而有一點是顯而顯見的,即朝著具有更高生產(chǎn)率、更高切削速度和更低成本的方向發(fā)展。隨著更耐磨和更難加工工件材料的增多,各類超硬刀具的應(yīng)用將持續(xù)大量增加。亳無疑問,為達到我未來工業(yè)經(jīng)濟的高速發(fā)展,超硬刀具的成功應(yīng)用是一個關(guān)鍵因素。
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